一種非對稱快速晶閘管的製作方法

2023-05-24 16:03:46

專利名稱：：一種非對稱快速晶閘管的製作方法
技術領域：
：本實用新型屬於功率半導體器件
技術領域：
。具體涉及一種半導體變流器件，主要應用於大功率串聯逆變電源裝置。
背景技術：
：目前，感應加熱電源絕大多數採用並聯逆變技術，所用半導體器件為快速晶閘管，典型電路如圖l所示。輸入的三相交流電經過整流後經電抗器輸出為直流電流，由4隻快速晶閘管組成的逆變橋接收控制單元發出的觸發信號，將直流電流進行變換，輸出高頻率的單相交流電流。而一種更高效、穩定和輸出能力更大的方案是串聯逆變技術，典型電路如圖2所示。與並聯逆變技術不同的是，逆變橋將整流橋輸出的直流電壓變換為高頻交流電壓輸出。快速晶閘管是一種PNPN四層三端結構的半導體器件，經過改進結構設計和少數載流子控制技術，使其比普通晶閘管具有更高的開關速度，從而適用於200Hz10kHz的電力變流器。無論串聯逆變或並聯逆變，國內均使用正、反向電壓相同(對稱)的快速晶閘管，即Pl陽極區與陰極端P2區的結深相同，Nl長基區層厚度較大。在應用於串聯逆變時，因壓降大使其通流能力受到限制。並且由於動態特性較差，對整體裝置運行的穩定性和可靠性易產生不良影響。
發明內容本實用新型的目的就是針對上述不足之處而提供一種在應用於串聯逆變時，能明顯降低通態壓降，從而改善通態能力和提高工作可靠性，同時可更優化內部結構，降低大注入的儲存電荷，改善恢復軟度的非對稱快速晶閘管。本實用新型的技術解決方案是一種非對稱快速晶閘管，包括管殼和封裝在該管殼內的PNPN四層三端結構的半導體晶片，其特徵是所述的半導體晶片的Pl陽極區的結深是陰極端P2區結深的20~70%，Pl陽極區中設有P+高濃度區。本實用新型技術解決方案中所述的Pl陽極區的結深是158(Him;陰極端P2區的結深是45~130pm，表面濃度是1.5~8xl017cm'3;Nl長基區的厚度是11035(Him;Pl陽極區中P+高濃度區的表面濃度是2xl0i99.5xl02Gcm-3。本實用新型技術解決方案中所述的Pl陽極區中的P+高濃度區是單窗口擴散形成的，P+高濃度區結深小於P1陽極區結深。本實用新型技術解決方案中所述的Pl陽極區中的P+高濃度區是多窗口擴散形成的，P+高濃度區結深小於P1陽極區結深。本實用新型技術解決方案中所述的Pl陽極區中的P+高濃度區是多窗口擴散形成的，P+高濃度區結深大於P1陽極區結深。本實用新型由於將PNPN四層三端結構的半導體晶片的Pl陽極區的結深設計比陰極端P2區的結深淺，Nl長基區的厚度比一般晶閘管薄20%~30%;Pl陽極區表面濃度也高於陰極端P2區，因而使晶閘管兩個P區的非對稱設計，明顯降低了器件的通態壓降，從而改善通態能力和工作的可靠性。本實用新型克服了現有技術的不足，具有在應用於串聯逆變時，能明顯降低通態壓降，從而改善通態能力和提高工作可靠性，同時可更優化內部結構，降低大注入的儲存電荷，改善恢復軟度的特點。本實用新型主要用於大功率串聯逆變電源裝置。圖1是並聯逆變電路原理圖2是串聯逆變電路原理圖3是快速晶閘管晶片結構圖4是本實用新型實施例1的晶片結構圖5是本實用新型實施例2的晶片結構圖6是本實用新型實施例3的晶片結構圖。具體實施方式實施例1如圖4所示。非對稱晶閘管包括管殼和封裝在該管殼內的PNPN四層三端結構的半導體晶片。Pl陽極區1的結深是1580nm;陰極端P2區3的結深是4513(Him，表面濃度是1.5~8xl017cnT3;Nl長基區2的厚度是110350pm;Pl陽極區1中P+高濃度區8的表面濃度是2xl0"9.5xl0"cm'3。半導體晶片的Pl陽極區1的結深是陰極端P2區3結深的2070%，N1長基區2的厚度比一般晶閘管薄20%~30°/。，Pl陽極區1中的P+高濃度區8是單窗口擴散形成的，P+高濃度區8結深小於P1陽極區1結深。根據不同的應用要求矽單晶選用NTD材料，電阻率為30140acm，厚度380~600nm。總厚度的選取既要求保證N1長基區2實現器件正向耐壓的要求，又不至於增加壓降。Pl陽極區1和陰極端P2區3由雙面同時進行第一次P型雜質擴散獲得，可以是Ga或Al。結深45D0jim，表面濃度1.5~8xl017cm_3。將陰極端P2區3的表面保護好後，通過研磨、噴砂和化學腐蝕等方法，對矽片從P1端進行削薄處理。去除30150pm。矽片減薄後，將P1陽極區1和陰極端P2區3同時做表面氧化處理。然後對陰極端P2區3表面氧化層進行選擇刻蝕，再對陰極端P2區3表面做N型雜質擴散，形成N2陰極區4，結深1228pm，表面濃度2xl019~9.5xl02。對Pl陽極區1表面經過高表面濃度P型擴散形成P+高濃度區8，結深25~70pm。必要時P+高濃度區8表面進行選擇擴散。為提高非對稱晶閘管開關速度，對擴散好的矽片摻金或摻鉑擴散，以降低少數載流子壽命。擴散溫度為830880°C，時間2045分鐘。也採用電子輻照，其特點是漏電流小，高溫特性較好。將做好的非對稱晶閘管矽片燒結在鋁片上，對陰極端P2區3和N2陰極區4表面進行金屬蒸鍍後再選擇性刻蝕，清晰分離出所需要的圖形和門極5、陰極6，鉬片作為晶片的陽極7。最後將晶片安裝到定製的標準管殼中，完成本實用新型非對稱快速晶閘管的最終封裝和測試。表一是同規格的76mm快速晶閘管和非對稱晶閘管主要靜態指標測試對比表一No.VtmIgtVdrm/IdrmVrrm/IrrmtqVmAVV/mAV/mA25。C115。C快速晶閘管0013.02501.082500/852500/81620022.92381.212500/882500/87690032.82501.052500/532500/5262非對稱晶閘管0012.21310.852500/57—700022.17180.722500/62—695tableseeoriginaldocumentpage660數據表明，在相同的正向斷態電壓設計時，非對稱晶閘管通態壓降平均VTM比常規快速晶閘管低0.72V，達25%。這表明其在運行中有更低的通態損耗。表二tableseeoriginaldocumentpage6表二是動態參數抽樣測試對比。從中看到非對稱晶閘管比常規快速晶閘管開通時間略快，恢復電荷較小，擴展電壓更低。通過計算機仿真，其開關損耗小27%。以上試驗結果表明，非對稱快速晶閘管相對於常規對稱設計的晶閘管，在動、靜態特性上，具有較明顯的優勢。實施例2如圖5所示。與實施例1不同的是P1陽極區1中的P+高濃度區9是多窗口擴散形成的，P+高濃度區9結深小於Pl陽極區1結深。實施例3如圖6所示。與實施例1不同的是Pl陽極區中的P+高濃度區10是多窗口擴散形成的，P+高濃度區10結深大於P1陽極區結深。權利要求1、一種非對稱快速晶閘管，包括管殼和封裝在該管殼內的PNPN四層三端結構的半導體晶片，其特徵是所述的半導體晶片的P1陽極區(1)的結深是陰極端P2區(3)結深的20～70％，P1陽極區(1)中設有P+高濃度區(8)。2、根據權利要求l所述的一種非對稱快速晶閘管，其特徵是所述的P1陽極區(1)的結深是1580nm;陰極端P2區(3)的結深是45~130^im，表面濃度是1.5~8xl017cm'3;Nl長基區(2)的厚度是110350,Pl陽極區(1)中P+高濃度區(8)的表面濃度是2乂1019~9.5^02011-3。3、根據權利要求1或2所述的一種非對稱快速晶閘管，其特徵是所述的P1陽極區(1)中的P+高濃度區(8)是單窗口擴散形成的，P+高濃度區(8)結深小於P1陽極區(1)結深。4、根據權利要求1或2所述的一種非對稱快速晶閘管，其特徵是所述的P1陽極區中的P+高濃度區(8)是多窗口擴散形成的，P+高濃度區(8)結深小於P1陽極區結深。5、根據權利要求1或2所述的一種非對稱快速晶閘管，其特徵是所述的P1陽極區中的P+高濃度區(8)是多窗口擴散形成的，P+高濃度區(8)結深大於P1陽極區結深。專利摘要本實用新型的名稱為一種非對稱快速晶閘管。屬於功率半導體器件
技術領域：
。它主要是解決現有快速晶閘管在應用於串聯逆變時，存在壓降大和動態特性較差等問題。它的主要特徵是包括管殼和封裝在該管殼內的PNPN四層三端結構的半導體晶片；半導體晶片的P1陽極區1的結深是陰極端P2區3結深的20～70％，P1陽極區1中設有P+高濃度區8。本實用新型具有在應用於串聯逆變時，能明顯降低通態壓降，從而改善通態能力和提高工作可靠性，同時可更優化內部結構，降低大注入的儲存電荷，改善恢復軟度的特點，主要用於大功率串聯逆變電源裝置。文檔編號H01L29/74GK201430142SQ20092008684公開日2010年3月24日申請日期2009年6月24日優先權日2009年6月24日發明者鵬劉,劉小俐,吳擁軍,橋張,楊成標,彥肖,顏家聖申請人:湖北臺基半導體股份有限公司