3125A/7600V光控晶閘管的研制

高山城 GAO Shan-cheng；趙濤 ZHAO Tao；劉東 LIU Dong

（西安電力電子技術(shù)研究所，西安710061）

0 引言

光控晶閘管是用光脈沖觸發(fā)的晶閘管，一個(gè)發(fā)光二極管可以提供數(shù)十個(gè)光控晶閘管的觸發(fā)光源，因此它的觸發(fā)裝置簡(jiǎn)單，而且光觸發(fā)系統(tǒng)與光控晶閘管的主電路電系統(tǒng)完全絕緣，有效避免了電控晶閘管電觸發(fā)系統(tǒng)與主電路回路相互電磁感應(yīng)誤觸發(fā)問題，所以它的抗干撓能力比電控晶閘管強(qiáng)[1]。光控晶閘管除了有電控晶閘管的全部功能外，通過特殊的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，使器件具有下列額外功能：

①光觸發(fā)功率小。光觸發(fā)功率僅為電觸發(fā)功率的幾十分之一。②具有dv/dt保護(hù)功能。③具有正向恢復(fù)保護(hù)功能。④具有正向過壓保護(hù)功能。

由于光控晶閘管具備上述特點(diǎn)，因此大大簡(jiǎn)化了外部的隔離保護(hù)線路，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用到高壓系統(tǒng)中。由于工作電壓比普通應(yīng)用高得多，一般為幾十千伏至幾百千伏，因此提高晶閘管工作的穩(wěn)定性和可靠性顯得格外重要。在高壓直流輸電系統(tǒng)中使用5英寸3125A/7600V光控晶閘管，可使電力傳輸更可靠、更有效、大大提高了電網(wǎng)的輸電能力，因此我國(guó)在“云南-廣東”特高壓輸電系統(tǒng)中決定使用5英寸3125A/7600V光控晶閘管。我所科研人員經(jīng)過多年的工藝研究和實(shí)驗(yàn)，成功研制了5英寸3125A/7600V特高壓光控晶閘管。

1 光控晶閘管設(shè)計(jì)原理分析

1.1 高di/dt耐量設(shè)計(jì) 光控晶閘管與電控晶閘管的主要區(qū)別在于門極結(jié)構(gòu)。電控晶閘管的觸發(fā)電流被注入芯片的中心門極，觸發(fā)電流向放大門極注入載流子，最終使晶閘管導(dǎo)通；在光控晶閘管中，當(dāng)一定波長(zhǎng)一定光強(qiáng)的光脈沖照射光敏區(qū)時(shí)，由于光吸收作用，在光敏區(qū)的中心區(qū)域產(chǎn)生非平衡載流子，通過多極放大門極作用最終使晶閘管導(dǎo)通。導(dǎo)通首先從一個(gè)很小的中心區(qū)域開始的。在這個(gè)區(qū)域與陰極之間有一個(gè)很高的電壓降。通過特殊的門極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在門極區(qū)域集成了一個(gè)內(nèi)置保護(hù)電阻，以限制晶閘管開通過程中由于該壓降引起的大電流。通過掩蔽鋁擴(kuò)散調(diào)節(jié)該集成電阻大小，提高器件的di/dt耐量，同時(shí)通過優(yōu)化多極放大門極結(jié)構(gòu)獲得大的初始導(dǎo)通區(qū)，這些措施明顯地改善了開通特性，使晶閘管非重復(fù)di/dt可達(dá)1300A/μs，如圖1。

圖1 光控晶閘管di/dt耐量波形

1.2 正向過壓保護(hù)設(shè)計(jì) 電控晶閘管的過壓保護(hù)通常由外部的轉(zhuǎn)折二極管或等效電路實(shí)現(xiàn)。在光控晶閘管中，通過在芯片的中心區(qū)集成了一個(gè)轉(zhuǎn)折二極管。為了便于分析，如圖2所示。

圖2 正負(fù)斜角PNP結(jié)構(gòu)正向電壓電場(chǎng)分布示意圖

定義VB為一維平行平面、空間電荷區(qū)自由展寬PN結(jié)擊穿電壓；VBO為二維體內(nèi)對(duì)稱PNP結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折電壓；VBS為二維負(fù)角表面PN結(jié)擊穿電壓；VBOD電壓為二維BOD區(qū)域弧形PN結(jié)擊穿電壓；VBF為晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓。可見VBF為VBS、VBO、VBOD三者電壓最小者。VBOD是設(shè)計(jì)者通過光刻和擴(kuò)散工藝形成的固定電壓；VBO為理想的PNP結(jié)轉(zhuǎn)折電壓；VBS為PNP結(jié)在表面處的終端電壓，終端結(jié)構(gòu)為負(fù)角造型，負(fù)角造型降低雪崩擊穿電壓[3]，可見VBOD、VBS＜VBO。在充分考慮表面電壓的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了VBF＝VBOD＜VBS，使這個(gè)弧形PN結(jié)中心區(qū)域電場(chǎng)比晶閘管其它區(qū)域電場(chǎng)更強(qiáng)，當(dāng)正向電壓增加到臨界電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，在該區(qū)首先產(chǎn)生電荷雪倍增效應(yīng)，并通過多級(jí)放大門極使晶閘管導(dǎo)通，由此保證，每當(dāng)達(dá)到VBOD電壓時(shí)，光控晶閘管安全導(dǎo)通，如圖3。

圖3 BOD保護(hù)觸發(fā)時(shí)電壓電流波形

1.3 dv/dt保護(hù)設(shè)計(jì) dv/dt引起芯片中的容性電流，當(dāng)施加正向dv/dt電壓時(shí)，如容性電流足夠大，常規(guī)的電控晶閘管可能在陰極面的任何區(qū)域?qū)?。這一由dv/dt觸發(fā)的導(dǎo)通過程有時(shí)會(huì)損壞晶閘管。

在光控晶閘管中，通過對(duì)特殊的門極結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，使dv/dt的最敏感區(qū)在第一級(jí)放大門極，如圖2中S所示，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)是通過掩蔽鋁擴(kuò)散形成的，此處的電阻較大，所以dv/dt引起的電壓降要比其它部分要大，所以此處最易滿足開通條件，然后通過多極放大門極觸發(fā)晶閘管。所以dv/dt保護(hù)功能可在多級(jí)放大門極的中心區(qū)域觸發(fā)光控晶閘管。當(dāng)光控晶閘管超過晶閘管允許的dv/dt時(shí)，光控晶閘管以一種安全的方式觸發(fā)導(dǎo)通，如圖4。

圖4 dv/dt保護(hù)觸發(fā)時(shí)電壓波形

1.4 正向恢復(fù)保護(hù)設(shè)計(jì) 晶閘管在通過正向電流后需要一定的時(shí)間恢復(fù)阻斷能力。在恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，如果高的dv/dt或正向電壓施加到晶閘管上，晶閘管將觸發(fā)導(dǎo)通，對(duì)于電控晶閘管，必須通過增加外觸發(fā)電路保護(hù)晶閘管，而光控晶閘管，通過特殊的門極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，①可使門極區(qū)的載流子壽命長(zhǎng)于其它區(qū)域，②陽(yáng)極加有P型發(fā)射極，可保證如果在恢復(fù)時(shí)間內(nèi)施加正向電壓時(shí)，使光控晶閘管整個(gè)門極結(jié)構(gòu)能安全導(dǎo)通，如圖5。

圖5 正向恢復(fù)保護(hù)觸發(fā)時(shí)的電壓波形

2 關(guān)鍵工藝技術(shù)研究

2.1 擴(kuò)散工藝 對(duì)于光控晶閘管同電控晶閘管一樣，主要摻雜物是鋁、硼、磷。對(duì)于它們的擴(kuò)散，均采用雙步擴(kuò)散法。第一步，先在較低的溫度下，使襯底表面均勻沉積上一層雜質(zhì)原子，目的是控制摻入的雜質(zhì)的總量；第二步是把表面已沉積了雜質(zhì)的襯底片高溫下擴(kuò)散，控制擴(kuò)散深度和表面濃度[4]，對(duì)于鋁擴(kuò)散工藝實(shí)現(xiàn)縱向上變雜質(zhì)緩變分布技術(shù)，主要有下面的功能：

①將短基區(qū)分為兩個(gè)功能區(qū)：集成功能區(qū)和阻斷區(qū)。深擴(kuò)散部分為阻斷區(qū)，分布平緩，濃度較低，用于承受阻斷電壓；淺擴(kuò)散部分為集成功能區(qū)，雜質(zhì)濃度較高，滿足集成功能部分，但要求高低濃度結(jié)合處能平滑過渡。②阻斷區(qū)必須適合設(shè)計(jì)要求的阻斷電壓值，長(zhǎng)基區(qū)雜質(zhì)濃度和臺(tái)面設(shè)計(jì)。③集成功能區(qū)與光敏區(qū)，BOD區(qū)、放大門極和短路點(diǎn)設(shè)計(jì)相配[5]。

2.2 挖槽工藝 在光控晶閘管中集成了許多功能，其功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠挖槽工藝實(shí)現(xiàn)門極結(jié)構(gòu)的改變而具備許多功能。光控晶閘管共需挖槽兩次，而且第二次挖槽在第一次挖槽基礎(chǔ)上繼續(xù)挖槽，因此，挖槽質(zhì)量的好壞對(duì)器件功能實(shí)現(xiàn)具有重要意義，采用合適的光刻膠，合適的腐蝕液性質(zhì)，通過高倍光學(xué)顯微鏡和а臺(tái)階儀等先進(jìn)儀器檢測(cè)，使每片硅片槽深均勻，槽底平坦，邊界清晰，整齊，成為可能。如圖6為我們?cè)O(shè)計(jì)的光敏區(qū)的剖面圖。

圖6 光敏區(qū)結(jié)構(gòu)剖面圖

2.3 提高少子壽命及其均勻性 少子壽命是高壓大功率器件設(shè)計(jì)造制中一個(gè)極其重要的參數(shù)，它表征硅中電子和空穴復(fù)合的平均時(shí)間。少子壽命的高低及其分布的均勻性，直接關(guān)系到器件特性和工藝的優(yōu)良性。我們已知晶閘管的通態(tài)壓降與關(guān)斷特性是一對(duì)矛盾的共同體，如果少子壽命低，勢(shì)必造成器件通態(tài)壓降大、通態(tài)損耗增加、開通特性差等器件特性的劣化，不利于晶閘管的動(dòng)態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，反映出工藝造制水平低；如果少子壽命分布不均勻，對(duì)器件通態(tài)壓降、恢復(fù)電荷起決定作用的將是少子壽命二維分布上壽命最低點(diǎn)，尤其對(duì)于大面積芯片，造成器件各處的通態(tài)壓降不均勻，恢復(fù)電荷和開通、關(guān)斷時(shí)間分散性差，將會(huì)導(dǎo)致該器件在開通、關(guān)斷及浪涌瞬態(tài)電流分布不均，開關(guān)時(shí)間加長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)能耗集中而燒壞晶閘管。因此，提高少子壽命及其分布的均勻性，是器件生產(chǎn)廠家必須解決的關(guān)鍵問題。我所經(jīng)過多年的工藝研究和工藝實(shí)驗(yàn)已掌握了提高少子壽命及其均勻性的方法[6]。

①采用科學(xué)的清冼方法。②引入氯離子吸收原理，提高少子壽命及其分布的均勻性。③通過少子壽命在線控制，使每一步高溫過程的壽命值達(dá)到壽命要求的最低值及均勻性要求的最小值。

3 研制結(jié)果及產(chǎn)品性能

基于上述設(shè)計(jì)原理，通過對(duì)特殊門極結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝研究和控制，成功研制了具有多種集成功能的5英寸3125A/7600V光控晶閘管，該產(chǎn)品曾拿到國(guó)外與國(guó)外公司同一類產(chǎn)品作對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1：取PERI和Infineon各5只樣品，在同一測(cè)試條件，同一測(cè)試設(shè)備檢測(cè)電特性參數(shù)。

由上表可知，兩家廠家的產(chǎn)品全部合格，PERI的產(chǎn)品壓降比Infineon??；VBOD保護(hù)電壓比Infineon高；關(guān)斷時(shí)間比Infineon長(zhǎng)；恢復(fù)電荷比Infineon大，原因是PERI產(chǎn)品的電子輻照比Infineon稍輕?？梢娫摦a(chǎn)品的性能達(dá)到國(guó)外同等技術(shù)水平。

據(jù)查，國(guó)內(nèi)目前無(wú)光控晶閘管系列產(chǎn)品，而本產(chǎn)品又是5英寸，直徑大，功率高（3125A×7600V），又具備多種集成功能，可見在國(guó)內(nèi)絕對(duì)處于技術(shù)領(lǐng)先水平，并填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，目前已成功代替進(jìn)口產(chǎn)品。并已應(yīng)用于我國(guó)“云-廣±800KV/5000MW”特高壓直流輸電（UHVDC）工程中，且已可靠穩(wěn)定運(yùn)行兩年之久，可見該產(chǎn)品的成熟性、穩(wěn)定性、可靠性和先進(jìn)性。

[1]Light Triggered Thyristor Usage.

[2]聶代祚.新型電力電子器件.

[3]王正鳴.負(fù)斜角晶閘管正向耐壓體特性設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，1996（1）：62.

[4]黃漢堯等.半導(dǎo)體器件工藝原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

[5]王正鳴.5英寸直流輸電用晶閘管技術(shù)總結(jié).

[6]李建華.直流輸電用超大功率晶閘管少子壽命在線控制[J].電力電子技術(shù)，2005（1）：106.