一種集成門極換流晶閘管的製作方法

2023-08-04 17:37:26

本發明涉及半導體器件工藝技術領域，特別是涉及一種集成門極換流晶閘管。

背景技術：

集成門極換流晶閘管IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor)，有的廠家也稱為GCT(Gate-Commutated Thyristor),即門極換流晶閘管，是20世紀90年代後期出現的新型電力電子器件。IGCT將IGBT與GTO(Gate Turn-Off Thyristor，可關斷晶閘管，亦稱門控晶閘管，主要特點為當門極加負向觸發信號時晶閘管能自行關斷)的優點結合起來，其容量與GTO相當，但開關速度比GTO快10倍，而且可以省去GTO應用時的龐大而複雜的緩衝電路，因此由於其優秀的電學特性，應用範圍非常廣泛。

現有的集成門極換流晶閘管(GCT)的陰極由多圈梳條組成，梳條之間為並聯連接。在門極上施加電流使其導通或者施加負電壓(-20V)使其關斷的過程中，由於距離門極的遠近不同，造成各梳條響應時間和程度不一致，易引發電流分布不均勻。

GCT開通過程中，中心門極和環形門極短接並注入觸發電流，於是根據離注入門極的遠近，梳條依次導通，並且先導通的區域電流更大。在穩態時，各梳條的電流密度會逐漸趨於一致，如圖1所示。關斷時門極相對陰極施加負電壓，使陰極的電流快速轉移至門極流出。與開通時一樣，離門極電極的遠近決定了梳條的響應快慢，離門極電極近的梳條關斷快，導電能力快速減弱，而此時遠離門極的梳條導電能力仍較強，這樣將造成電流在GCT晶片內重新分布，如圖2所示。效果上體現為關斷時，一方面離門極近的梳條電流快速抽取，另一方面由於各梳條導電能力的差異使電流往邊緣梳條排擠，抬升了邊緣梳條的電流，從而使晶片邊緣的損耗功率更大。由於晶片邊緣散熱能力弱於體內(臺面所塗的絕緣膠散熱能力差)，這樣由於邊緣損耗功率大，散熱差，易造成晶片邊緣失效。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種集成門極換流晶閘管，通過控制穩態時的電流密度分布，使離門極電極越近的區域電流密度越大，從而在關斷過程中削弱或避免由於關斷先後造成的電流往晶片邊緣集中的現象及其導致的晶片邊緣失效的可能。

為解決上述技術問題，本發明實施例提供了一種集成門極換流晶閘管，包括門極電極和多個環繞所述門極電極設置的陰極梳條結構，所述陰極梳條結構包括至少兩層臺階的門陰極結，所述門陰極結的最低層臺階設置在所述陰極梳條結構的P區內，所述最低層臺階的寬度隨著與所述門極電極的間距增加而減少。

其中，所述門陰極的最低層臺階的寬度為0～1000μm。

其中，相鄰所述陰極梳條結構的最低層臺階的寬度差為0～200μm。

其中，相鄰所述陰極梳條結構的最低層臺階的寬度線性減少。

其中，相鄰所述陰極梳條結構的陰極面積隨著與所述門極電極的間距增加而減少。

其中，所述陰極梳條結構的陰極寬度恆定。

其中，所述陰極梳條結構的陰極形狀為矩形。

其中，所述陰極梳條結構的陰極寬度隨著與所述門極電極的間距增加而減少。

其中，所述陰極梳條結構的陰極寬度隨著與所述門極電極的間距增加而線性減少。

其中，所述陰極梳條結構的陰極形狀為等腰梯形。

本發明實施例所提供的集成門極換流晶閘管，與現有技術相比，具有以下優點：

本發明實施例提供的集成門極換流晶閘管，包括門極電極和多個環繞所述門極電極設置的陰極梳條結構，所述陰極梳條結構包括至少兩層臺階的門陰極結，所述門陰極結的最低層臺階設置在所述陰極梳條結構的P區內，所述最低層臺階的寬度隨著與所述門極電極的間距增加而減少。

所述集成門極換流晶閘管，通過在陰極梳條結構設置至少兩層臺階的門陰極結，門陰極結的最低層臺階設置在陰極梳條結構的P區內形成深臺階，並且最低層臺階的寬度隨著與門極電極的間距增加而減少，使得穩態時電流密度分布滿足離門極越近電流密度越大，關斷時電流快速從距離門極近的梳條抽取出去，減少關斷延遲轉移到邊緣梳條的電流，避免了關斷過程中損耗集中於邊緣梳條，提高了可靠性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現有技術中集成門極換流晶閘處於穩態時梳條結構中的陰極電流與離門極之間的間距的關係示意圖；

圖2為現有技術中集成門極換流晶閘處於關斷狀態時梳條結構中的陰極電流與離門極之間的間距的關係示意圖；

圖3為本發明實施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實施方式的結構示意圖；

圖4為本發明實施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實施方式中導通時陰極梳條結構的平均電流密度與最低層臺階的寬度的關係示意圖；

圖5為本發明實施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實施方式中處於穩態時梳條結構中的陰極電流與離門極之間的間距的關係示意圖；

圖6為本發明實施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實施方式中處於關斷狀態時梳條結構中的陰極電流與離門極之間的間距的關係示意圖；

圖7為本發明實施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實施方式的結構示意圖；

圖8為本發明實施例提供的集成門極換流晶閘的另一種具體實施方式的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

請參考圖3～圖8，圖3為本發明實施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實施方式的結構示意圖；圖4為本發明實施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實施方式中導通時陰極梳條結構的平均電流密度與最低層臺階的寬度的關係示意圖；圖5為本發明實施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實施方式中處於穩態時梳條結構中的陰極電流與離門極之間的間距的關係示意圖；圖6為本發明實施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實施方式中處於關斷狀態時梳條結構中的陰極電流與離門極之間的間距的關係示意圖；圖7為本發明實施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實施方式的結構示意圖；圖8為本發明實施例提供的集成門極換流晶閘的另一種具體實施方式的結構示意圖。

在一種具體實施方式中，所述集成門極換流晶閘管，包括門極電極10和多個環繞所述門極電極10設置的陰極梳條結構20，所述陰極梳條結構20包括至少兩層臺階的門陰極結21，所述門陰極結21的最低層臺階設置在所述陰極梳條結構20的P區內，所述最低層臺階的寬度隨著與所述門極電極10的間距增加而減少。

本發明中的集成門極換流晶閘管晶片的門極電極10有中心門極和環形門極，在門極電極10附近則排列著一圈圈陰極梳條結構20。陰極梳條結構20是集成門極換流晶閘管的基本組成單元，每一個梳條都包含了陰極、門極和陽極，陰極梳條結構20具有集成門極換流晶閘管晶片的功能，一個集成門極換流晶閘管晶片通常包含幾百上千的陰極梳條結構20。

所述集成門極換流晶閘管，通過在陰極梳條結構20設置至少兩層臺階的門陰極結21，門陰極結21的最低層臺階設置在陰極梳條結構20的P區內形成深臺階，並且最低層臺階的寬度隨著與門極電極10的間距增加而減少，使得穩態時電流密度分布滿足離門極越近電流密度越大，關斷時電流快速從距離門極近的梳條抽取出去，減少關斷延遲轉移到邊緣梳條的電流，避免了關斷過程中損耗集中於邊緣梳條，提高了可靠性。

所述門陰極的最低層臺階的寬度一般為0～1000μm。

當然，由於不同位置處的陰極梳條結構20的最低層臺階由於與門極電極10的距離不同寬度不同，而在距離門極電極10越近的位置處，陰極梳條結構20的數量越少，其穩態時的電流較大，如果關斷過程中，電流下降不能滿足要求，還可以適當的增加其門陰極的最低層臺階的寬度，本發明對所述門陰極的最低層臺階的寬度不做具體限定。

需要說明的是，在本發明中由於陰極梳條結構20的P+區和P區的厚度有限，一般只要設置兩層臺階即可，而為了保證其中的陰極電流的分布更均勻，包括至少兩層臺階的門陰極結21關於陰極梳條結構20的中線對稱，本發明對所述門陰極結21深入P區的深度不做具體限定。

由於最低層臺階的寬度隨著與所述門極電極10的間距增加而減少，為保證相鄰陰極梳條結構20在穩態以及關斷過程中電流分布的差別不會過大造成晶片失效，所述陰極梳條結構20的最低層臺階的寬度差為0～200μm。

在本發明中，最低層臺階的寬度通過實驗或者模擬也可以發現，其寬度與導通時梳條結構的平均密度如圖4所示，圖4為在一種具體實施方式中，門陰極結為兩階臺階時，導通時陰極梳條結構的平均電流密度與最深的臺階寬度W之間的關係，由於深臺階部分的導電佔主要部分，深臺階的寬度與梳條平均電流密度幾乎呈線性關係。

在一種具體實施方案中，相鄰所述陰極梳條結構20的最低層臺階的寬度線性減少。

當然，本發明對相鄰的陰極梳條結構20的最低層臺階的寬度差的具體數值不做具體限定，只要有利於關斷過程中，電流再分布不至於增加晶片邊緣的損耗功率造成失效即可。

除了使用在陰極梳條結構20中設置具有至少兩層臺階的門陰極結21，還可以採用減少相鄰的陰極梳條結構20的陰極面積來控制穩態時的電流密度分布，從而使得關斷時削弱或避免由於關斷先後造成的電流往晶片邊緣集中的現象，避免造成晶片邊緣失效。即相鄰所述陰極梳條結構20的陰極面積隨著與所述門極電極10的間距增加而減少。

當然，僅通過減少相鄰的陰極梳條結構20的陰極面積可以達到控制穩態時的電流密度的目的，但是一般為了加強對電流密度分布的控制，會結合在陰極梳條結構20中設置具有至少兩層臺階的門陰極結21來獲得更好的控制效果。

在本發明中，由於分布在門極附近的陰極梳條結構20是圍繞門極設置，組成一圈圈的環狀結構。隨著與門極的間距的增加，而減少陰極梳條結構20的陰極面積，減少了穩態時的電流密度分布，使得關斷時減少或避免了電流向晶片邊緣集中，減少了晶片邊緣失效的可能，提高了晶片的可靠性。

由於距離門極的距離越遠，陰極梳條結構20的陰極寬度越小，這包括兩種情況。一種是所述陰極梳條結構20的陰極寬度恆定，即雖然不同的陰極梳條結構20的陰極寬度隨著與門極的間距的增加而減少，但是在同一陰極梳條結構20中，其陰極寬度是定值，由於陰極梳條結構20一般為長條狀，因此在一種具體實施方式中，所述陰極梳條結構20的陰極形狀為矩形，本發明對陰極的寬度值以及長度值不做具體限定。

而在另一中情況是，不同的陰極梳條結構20的陰極寬度隨著與門極的間距的增加而減少，同時在同一陰極梳條結構20中，其陰極寬度也隨著與門極的距離的增加而減少，即所述陰極梳條結構20的陰極寬度隨著與所述門極電極10的間距增加而減少。

同一陰極梳條結構20的陰極寬度的減小的規律，也可以是所述陰極梳條結構20的陰極寬度隨著與所述門極電極10的間距增加而線性減少，也可以是非線性減少，由於採用線性減少的方式，陰極梳條結構20的陰極形狀容易確定，加工工藝難度低，其電流密度的減少容易控制，因此一般選擇線性減少。

優選的，所述陰極梳條結構20的陰極形狀為等腰梯形。

需要指出的是，在本發明中陰極梳條結構20的陰極寬度方向是與晶片的徑向方向垂直的方向，本發明對陰極梳條結構20的陰極寬度與門極之間的間距的關係不做具體限定。

在本發明中，除了採用上述的方式之外，陰極梳條結構20的陰極形狀還可以是類似扇形等形狀，只要滿足上述的條件即可，如滿足相鄰所述陰極梳條結構20的陰極面積隨著與所述門極電極10的間距增加而減少，或者是滿足陰極梳條結構20的陰極寬度隨著與所述門極電極10的間距增加而減少。

本發明對所述陰極梳條結構的陰極的形狀不做具體限定。

綜上所述，本發明實施例提供的集成門極換流晶閘管，通過在陰極梳條結構設置至少兩層臺階的門陰極結，門陰極結的最低層臺階設置在陰極梳條結構的P區內形成深臺階，並且最低層臺階的寬度隨著與門極電極的間距增加而減少，使得穩態時電流密度分布滿足離門極越近電流密度越大，關斷時電流快速從距離門極近的梳條抽取出去，減少關斷延遲從而轉移到邊緣梳條的電流，避免了關斷過程中損耗集中於邊緣梳條，提高了可靠性。

以上對本發明所提供的集成門極換流晶閘管進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。