CN109950309A - 一种多光敏区特高压光控晶闸管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多光敏区特高压光控晶闸管，将传统光控晶闸管的一个光敏区和一组放大门极触发结构变换为四个光敏区和四组放大门极组件，集成在同一个半导体芯片内，由单域控制开通变为四域控制开通，主要包括，光敏区、放大门极、放大门极延伸枝条、阳极、阴极面、共用的台面、隔离槽、隔离间距、四层二端四光敏区结构，分别为N₂ ⁺层、P₂+P₂ ⁺层、P₁ ⁺+P₁层、N^‑层、A端、K端，器件关于x轴、y轴、z轴对称，利用光控晶闸管的触发机制是以非接触和快速导通为特征，利于支路中若干个串并联器件同时开通的特点，显著提高了光控晶闸管开通初期峰值电流能力和di/dt耐量能力。

Description

一种多光敏区特高压光控晶闸管

技术领域

本发明属于电力半导体器件技术领域，特别是一种高阻断电压、多光敏区同时起始导通的功率开关器件，具体涉及6英寸四光敏区4000A/8500V特高压光控晶闸管。

背景技术

光控晶闸管是以光信号控制晶闸管开通的晶闸管，它以非接触和快速导通为特征，利于支路中若干个串并联器件同时开通的特点，所以功率容量相等的光控与电控相比，光控晶闸管比电控晶闸管具有明显的优势。

图1为传统的一个光敏区和一组放大门极结构平面图，G为光敏区；k为环形放大门极；L为放大门极延伸枝条；K为阴极，T为台面,背面为阳极A。

图2为传统的一个光敏区和一组放大门极结构光触发、导通示意图。

如图1、图2所示，其中图2为图1沿C—C’的剖面图，根据光控晶闸管触发原理：光控晶闸管由光敏区G、环形放大门极k、放大门极延伸枝条L、阴极K、阳极A、台面T组成。当一束光照射光敏区时，会在光敏区内部产生光生载流子(产生等量的光生电子和光生空穴)，这时，外加正向电压促使电子向阳极运动，引起N-电位降低，迫使P₁区向N-区注入更多的空穴，漂移到光敏区底部，引起空穴的积累，然而空穴只能向阴极区运动(此效果类似于电控晶闸管注入门极电流)。当空穴积累到一定程度时，会促使辅助晶管k导通，将阳极的正电位和电流引入放大门极k，由于放大门极延伸枝条L与放大门极k相连，将由阳极引过来的正电位和电流迅速引入放大门极延伸枝条L，形成强触发机制，促进晶闸管全面积导通。

现有技术提高di/dt耐量能力的主要途径有：1、增加初始放大门极辅助晶闸管阴极k导通面积S，如图2所示。将阳极正电位和阳极大电流快速引入放大门极延伸枝条L；2、设置更多分支并延伸放大门极延伸枝条L，图1中共设置有6条“Y”型放大门极延伸枝条L，使其伸入晶闸管阴极面的内部，使晶闸管尽可能全面积触发均匀导通。然而单光敏区开始阶段只在局限的中心区域开通，所以开始峰值电流小，同时***的大部分区域由于载流子扩展需要时间而来不及开通，虽然器件面积比较大，但在短时间内器件还不能完全开通，所以不能承受较高的开始峰值电流和高di/dt耐量。可见以上两条途径作用十分有限，未能从根本上解决光控晶闸管开始阶段峰值电流低和di/dt耐量低的问题。

目前国内外所制造的6英寸4000A/8500V特高压光控晶闸管开始阶段峰值电流低和di/dt耐量低：开始阶段峰值电流一般低于95A，di/dt耐量一般低于1300A/μs，不能满足脉冲和高频电力电子装置需求。

发明内容

为了解决传统光控晶闸管开始阶段峰值电流低和di/dt耐量低，不能满足脉冲和高频电力电子装置对始阶段高峰值电流和高di/dt耐量晶闸管的需要，本发明提供一种多光敏区特高压光控晶闸管。

本发明的技术解决方案是：一种多光敏区特高压光控晶闸管，从横向看，光控晶闸管的半导体芯片均匀分成四个部分，每一部分包括一个光敏区、一个放大门极、第一、第二、第三、第四、第五放大门极延伸枝条，共用的阴极面、共用的台面、背面为共用的阳极，光敏区位于均匀分隔的半导体芯片四部分每部分的中心，光敏区的外端设有放大门极，光敏区与放大门极间设有隔离间距，放大门极四个方向上设有第一、第二、第三、第四放大门极延伸枝条，第四放大门极延伸枝条远离光敏区一端设有第五放大门极延伸枝条，第一、第二、第三、第四、第五放大门极延伸枝条与深入每部分阴极内部，均匀分隔每部分阴极区域，放大门极、第一、第二、第三、第四、第五放大门极延伸枝条与阴极间设有隔离槽，器件的最外端设有台面与阴极相连；从纵向看，分为四层二端四光敏区结构，四层分别为N₂ ⁺层、P₂+P₂ ⁺层、N-层、P₁ ⁺+P₁层；二端为K端、A端，阴极面形成四个光敏区的光控晶闸管，器件关于x轴、y轴、z轴对称。

N₂ ⁺层发射区为磷元素掺杂，浓度为1-2X10¹⁹个/cm³，深度为18±2μm；P₁ ⁺层高浓度短基区和P₂ ⁺层高浓度短基区为同一种杂质硼元素掺杂，浓度为4-6X10¹⁸个/cm³，深度为50±5μm；P₁层短基区和P₂层短基区为同一种杂质为铝元素掺杂，浓度为1-2X10¹⁴个/cm³,深度为90±10μm；N-层长基区为区熔高电阻硅单晶，电阻率为500±7％Ω.cm；浓度为1-2X10¹³个/cm³,厚度为1200±10μm，晶向为<111>。

光敏区为圆形，直径为1±0.1mm，浓度为8-9X10¹⁸个/cm³，深度为11±1μm。

放大门极为圆环形，内径为2±0.1mm，外径为17±0.1mm，宽度为15±0.1mm，覆盖在有P₂ ⁺型高浓度短基区与环形N₂ ⁺型发射区的上表面。

第一和第四放大门极延伸枝条为线段状支干，线段状支干宽度为2±0.1mm,长度为10±0.1mm；第二和第三放大门极延伸枝条是圆弧状支干，圆弧状支干宽度为2±0.1mm,长度为20±0.1mm，第五放大门极延伸枝条是圆弧状支干，宽度为2±0.1mm,长度为54±0.1mm。

台面为圆环形，宽度为3.5±0.1mm,深度为12±1μm。

隔离间距为圆环形，将光敏区与放大门极隔离开，宽度为1±0.1mm。

隔离槽将放大门极、第一、第二、第三、第四、第五放大门极延伸枝条与阴极面隔离开，宽度为0.5±0.01mm，深度为7±1μm。

本发明利用光控晶闸管的触发机制是以非接触和快速导通为特征，利于支路中若干个串并联器件同时开通的特点，将传统光控晶闸管的一个光敏区和一组放大门极触发结构变换为四个光敏区和四组放大门极结构，集成在同一个半导体芯片内，由单域控制开通变为四域控制开通，显著提高了光控晶闸管开通初期峰值电流能力和di/dt耐量能力。假若现有技术的开通初期峰值电流能力为95A和di/dt耐量能力为1300A/μs,则本发明的光控晶闸管开通初期峰值电流能力必为380A和di/dt耐量能力必为5200A/μs。

附图说明

图1为传统的一个光敏区和一组放大门极晶闸管结构示意图。

图2为图1的C-C’剖视图。

图3为本发明结构示意图。

图4为图3的C-C’剖视图。

具体实施方式

如图3、4所示，一种多光敏区特高压光控晶闸管，从横向看，光控晶闸管的半导体芯片均匀分成四个部分，每一部分包括一个光敏区1、一个放大门极2、第一、第二、第三、第四、第五放大门极延伸枝条3a、3b、3c、3d、3e，共用的阴极面4、共用的台面5、背面为共用的阳极6，光敏区1位于均匀分隔的半导体芯片四部分每部分的中心，光敏区1的外端设有放大门极2，光敏区1与放大门极2间设有隔离间距7，放大门极2四个方向上设有第一、第二、第三、第四放大门极延伸枝条3a、3b、3c、3d，第四放大门极延伸枝条3d远离光敏区1一端设有第五放大门极延伸枝条3e，第一、第二、第三、第四、第五放大门极延伸枝条3a、3b、3c、3d、3e深入每部分阴极4内部，均匀分隔每部分阴极区域，放大门极2、第一、第二、第三、第四、第五放大门极延伸枝条3a、3b、3c、3d、3e与阴极4间设有隔离槽8，器件的最外端设有台面5与阴极4相连；从纵向看，分为四层二端四光敏区结构，四层分别为N₂ ⁺层、P₂+P₂ ⁺层、N-层、P₁ ⁺+P₁层；二端为K端、A端，阴极面4形成四个光敏区1的光控晶闸管，器件关于x轴、y轴、z轴对称。如图4所示。

图4为图3沿C-C’剖面光触发、导通示意图，包括N-型长基区，在N-型长基区的上下两端设置有P₁、P₂型短基区，在P₁、P₂型短基区的上下表面设置了P₁ ⁺、P₂ ⁺型高浓度短基区，P₁ ⁺下表面与铝电极相连形成光控晶闸管的阳极6，在中心区域P₂ ⁺上表面刻蚀了11±1μm的深度，形成了光敏区1，未刻蚀部分设置了两处N₂ ⁺型发射区，P₂ ⁺型高浓度短基区和两处N₂ ⁺型发射区与铝电极相连形成了放大门极2和阴极面4，上表面最外端两个角区域为台面5造形区，整个器件关于X轴、Y轴、Z轴对称。

N₂ ⁺层发射区为磷元素掺杂，浓度为1-2X10¹⁹个/cm³，深度为18±2μm；P₁ ⁺层高浓度短基区和P₂ ⁺层高浓度短基区为同一种杂质硼元素掺杂，浓度为4-6X10¹⁸个/cm³，深度为50±5μm；P₁层短基区和P₂层短基区为同一种杂质为铝元素掺杂，浓度为1-2X10¹⁴个/cm³,深度为90±10μm；N-层长基区为区熔高电阻硅单晶，电阻率为500±7％Ω.cm；浓度为1-2X10¹³个/cm³,厚度为1200±10μm，晶向为<111>。

光敏区1为圆形，直径为1±0.1mm，浓度为8-9X10¹⁸个/cm³，深度为11±1μm。

放大门极2为圆环形，内径为2±0.1mm，外径为17±0.1mm，宽度为15±0.1mm，覆盖在有P₂ ⁺型高浓度短基区与环形N₂ ⁺型发射区的上表面。

第一、第二、第三、第四放大门极延伸枝条3a、3b、3c、3d、与放大门极2相连，第五放大门极延伸枝条3e又与第四放大门极延伸枝条3d相连，第一、第四放大门极延伸枝条3a、3d为线段状支干，线段状支干宽度为2±0.1mm,长度为10±0.1mm；第二、第三、第五放大门极延伸枝条3b、3c、3e是圆弧状支干，圆弧状支干宽度为2±0.1mm,第二、第三放大门极延伸枝条3b、3c长度为20±0.1mm，第五放大门极延伸枝条3e的宽度为2±0.1mm,长度为54±0.1mm。

台面5宽度为3.5±0.1mm,深度为12±1μm。

隔离间距7将光敏区1与放大门极2隔离开，宽度为1±0.1mm的圆环。

隔离槽8将放大门极2、第一、第二、第三、第四、第五放大门极延伸枝条3a、3b、3c、3d、3e与阴极面4隔离开，宽度为0.5±0.01mm，深度为7±1μm。

给四个光敏区1同时加光触发信号，在四个光敏区1底部会同时产生光生载流子(产生等量的光生电子和光生空穴)，与图2所述的原理一样，会造成光控晶闸管多区域同时开通，显著提高了光控晶闸管的开始阶段峰值电流能力和di/dt耐量。

本发明的原理及优点是：利用光控晶闸管的触发机制是以非接触和快速导通为特征，利于支路中若干个串并联器件同时开通的特点，将传统光控晶闸管的一个光敏区和一组放大门极触发结构变换为四个光敏区和四组放大门极结构，集成在同一个半导体芯片内，芯片关于X轴、Y轴、Z轴对称，可使晶闸管同时多区域对称同时开通，显著提高了光控晶闸管的开始阶段峰值电流能力和di/dt耐量能力。表1为传统结构的6英寸4000A/8000V光控晶闸管与新型结构的6英寸4000A/8000V光控晶闸管对比测试数据表。

表1：传统结构与新型结构数据对比表

Claims (8)

1.一种多光敏区特高压光控晶闸管，其特征在于：从横向看，将光控晶闸管的阴极面(4)均匀分成四个部分，每一部分包括一个光敏区(1)、一个放大门极(2)、第一、第二、第三、第四、第五放大门极延伸枝条(3a、3b、3c、3d、3e)，共用的阴极面(4)、共用的台面(5)、背面为共用的阳极(6)，光敏区(1)位于均匀分隔的半导体芯片四部分每部分的中心，为圆形，光敏区(1)的外端设有环状的放大门极(2)，光敏区(1)与放大门极(2)间设有环状的隔离间距(7)，放大门极(2)四个方向上设有第一、第二、第三、第四放大门极延伸枝条(3a、3b、3c、3d)，其中，第一和第三放大门极延伸枝条(3a、3d)为一条线段状支干，第二和第四放大门极延伸枝条(3b、3c)为圆弧状支干，在第四放大门极延伸枝条(3d)远离光敏区(1)一端设有圆弧状第五放大门极延伸枝条(3e)，第一、第二、第三、第四、第五放大门极延伸枝条(3a、3b、3c、3d、3e)与深入每部分阴极内部，均匀分隔每部分阴极区域，放大门极(2)、第一、第二、第三、第四、第五放大门极延伸枝条(3a、3b、3c、3d、3e)与阴极(4)间设有隔离槽(8)，器件的最外端设有台面(5)圆环与阴极(4)相连；从纵向看，分为四层二端四光敏区结构，四层分别为N₂ ⁺层、P₂+P₂ ⁺层、P₁ ⁺+P₁层、N^-层；二端为A端、K端，阴极面(4)形成四个光敏区(1)的光控晶闸管，器件关于x轴、y轴、z轴对称。

2.根据权利要求1所述的一种多光敏区特高压光控晶闸管，其特征在于：N₂ ⁺层为磷元素掺杂，浓度为1-2X10¹⁹个/cm³，深度为18±2μm；P₁ ⁺层和P₂ ⁺层为同一种杂质硼元素掺杂，浓度为4-6X10¹⁸个/cm³，深度为50±5μm；P₁和P₂层为同一种杂质为铝元素掺杂，浓度为1-2X10¹⁴个/cm³,深度为90±10μm；N^-层为区熔高电阻硅单晶，电阻率为500±7％Ω.cm；浓度为1-2X10¹³个/cm³,厚度为1200±10μm，晶向为<111>。

3.根据权利要求1一种多光敏区特高压光控晶闸管，其特征在于：光敏区(1)为圆形，直径为1±0.1mm，浓度为8-9 X10¹⁸个/cm³，深度为11±1μm。

4.根据权利要求1所述的所述的一种多光敏区特高压光控晶闸管，其特征在于：放大门极(2)为圆环形，内径为2±0.1mm，外径为17±0.1mm，宽度为15±0.1mm。

5.根据权利要求1所述的所述的一种多光敏区特高压光控晶闸管，其特征在于：第一和第四放大门极延伸枝条(3a、3d)为一根线段状支干，线段状支干宽度为2±0.1mm,长度为10±0.1mm；第二和第三放大门极延伸枝条(3b、3c)是圆弧状支干，圆弧状支干宽度为2±0.1mm,长度均为20±0.1mm，第五放大门极延伸枝条(3e)是圆弧状支干，宽度为2±0.1mm,长度为54±0.1mm。

6.根据权利要求1所述的所述的一种多光敏区特高压光控晶闸管，其特征在于：台面(5)宽度为3.5±0.1mm,深度为12±1μm。

7.根据权利要求1所述的所述的一种多光敏区特高压光控晶闸管，其特征在于：隔离间距(7)将光敏区(1)与放大门极(2)隔离开，宽度为1±0.1mm的圆环。

8.根据权利要求1所述的所述的一种多光敏区特高压光控晶闸管，其特征在于：隔离槽(8)将放大门极(2)、第一、第二、第三、第四、第五放大门极延伸枝条(3a、3b、3c、3d、3e)与阴极面(4)隔离开，宽度为0.5±0.01mm，深度为7±1μm。