超高速脈沖晶閘管特性研究

張橋，肖彥，黃智，任麗

（湖北臺(tái)基半導(dǎo)體股份有限公司，湖北襄陽(yáng)，441021）

0 引言

傳統(tǒng)的快開通晶閘管器件，多采用二級(jí)放大門極結(jié)構(gòu)，通過放大門極對(duì)主晶閘管器件強(qiáng)觸發(fā)，但是隨著對(duì)浪涌電流要求越來越高，二級(jí)放大門極結(jié)構(gòu)的普通晶閘管器件已經(jīng)無法滿足要求。

大功率脈沖電源通常要求的脈沖寬度大都在300μs 以下，輸出電流為幾十甚至數(shù)百kA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過晶閘管所能承受的浪涌電流極限。因此對(duì)開關(guān)器件的通態(tài)電流能力要求很高。相應(yīng)要求di/dt 也很高，不同應(yīng)用場(chǎng)合其di/dt 要求一般為5 ～60kA/μs。現(xiàn)代技術(shù)條件下，通?？蛇x用氣體間隙 開 關(guān)、汞 閘 流 管、IGBT、IGCT、MosFET、RSD 等 器 件作為脈沖功率開關(guān)器件。

脈沖功率晶閘管是通過改進(jìn)現(xiàn)有開通觸發(fā)結(jié)構(gòu)，將原有的二級(jí)放大門極結(jié)構(gòu)改成陰極隔離方式直接觸發(fā)導(dǎo)通，不但有較大的開通線長(zhǎng)度，而且減少了二級(jí)放大門極結(jié)構(gòu)中較大的導(dǎo)通時(shí)間延遲，通過高的表面濃度進(jìn)一步增加了開通擴(kuò)展速度。

超高速脈沖功率晶閘管（PPT）是一種高di/dt，并且具有一定關(guān)斷能力的電力半導(dǎo)體器件，特點(diǎn)是器件浪涌能力有較高的di/dt 耐量，di/di 可達(dá)10kA/μs 以上，主要用于對(duì)di/dt 耐量有較高要求的普通快開通晶閘管的替代方案。其中電力半導(dǎo)體的擴(kuò)散及封裝技術(shù)是器件制作中的重要方法。

針對(duì)目前普通晶閘管應(yīng)用時(shí)，某些應(yīng)用中對(duì)di/dt 耐量要求較高，普通晶閘管放大門極結(jié)構(gòu)已經(jīng)漸漸無法滿足脈沖功率市場(chǎng)需求，需要提供一種高di/dt 耐量，高頻可重復(fù)性、高電壓、大電流、低壓降、并且具有一定關(guān)斷能力的超高速脈沖晶閘管及其制造方法。本文介紹的超高速脈沖晶閘管特性，阻斷電壓達(dá)5000V，脈沖電流峰值達(dá)150KA，脈沖電流寬度10μs 以內(nèi)。

1 超高速脈沖晶閘管器件設(shè)計(jì)分析

超高速脈沖晶閘管需具有晶閘管的可控特征，受門極參數(shù)控制開通，同時(shí)要求開通速度超快，考慮體內(nèi)載流子對(duì)器件的影響及中心和邊緣位置的開通均勻性，因此設(shè)計(jì)時(shí)微小的偏差將直接影響開通的一致性。此器件采用多元胞均勻分布設(shè)計(jì)，如圖1所示，相當(dāng)于把許多的小晶閘管元胞并聯(lián)形成大電流的功率器件，確保了晶閘管開通擴(kuò)散速度。

圖1 超高速脈沖晶閘管陰極圖形

為確保器件能夠獲得均勻的關(guān)斷特性，關(guān)斷電流抽取位于晶片半徑1/2位置，考慮對(duì)中心區(qū)域和外邊緣區(qū)域體內(nèi)載流子的抽取作用，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷均勻性。

■1.1 器件組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該器件采用4 英寸多元胞多層結(jié)構(gòu)，基本縱向結(jié)構(gòu)單元為P+NN-PN+結(jié)構(gòu)，由陽(yáng)極和橫向采用多環(huán)分離的陰極、共門極環(huán)組合構(gòu)成。其中N 基區(qū)由N 緩沖層和N 襯底組成，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 超高速脈沖晶閘管結(jié)構(gòu)

當(dāng)器件正向阻斷時(shí)，電壓由J2 結(jié)承受，陰極發(fā)射極N+注入電子，陽(yáng)極集電極P+注入空穴進(jìn)入器件體內(nèi)，形成高密度等離子體層。采用門極、陰極交叉梳條狀結(jié)構(gòu)，使得器件具有最佳的開通和關(guān)斷性能，器件在設(shè)計(jì)上采用緩沖層和陽(yáng)極透明層相結(jié)合的技術(shù)，使其在壓降和開通具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)器件反向時(shí)，可由J3 結(jié)承受15~25V 阻斷電壓。超高速脈沖晶閘管，如圖3所示，由下封接件、下鉬片、晶片、上鉬片、上封接件、門極組件封裝而成；該晶片如圖2所示，包括陽(yáng)極區(qū)P+、長(zhǎng)基區(qū)N 和N-、短基區(qū)P 及陰極區(qū)N+四層結(jié)構(gòu)和陽(yáng)極A、陰極K 及門極G 三個(gè)端子；在陽(yáng)極區(qū)與長(zhǎng)基區(qū)之間增加N 緩沖層區(qū)N-，使硅片為P+NNPN+五層三端結(jié)構(gòu)；陽(yáng)極區(qū)采用透明陽(yáng)極區(qū)；陰極為多元胞并聯(lián)陰極結(jié)構(gòu)，元胞間的短基區(qū)表面設(shè)有鈍化層；門極采用為深槽結(jié)構(gòu)，門極連接下部可設(shè)置高濃度P+層，以降低門極觸發(fā)通路的表面電阻，可大幅提高器件的縱向開通速度和橫向擴(kuò)展速度。

圖3 超高速脈沖晶閘管結(jié)構(gòu)示意圖

超高速脈沖晶閘管的多元胞并聯(lián)陰極結(jié)構(gòu)采用多層環(huán)形均勻排布，元胞長(zhǎng)寬比為10~30:1。使陰極元胞被門極區(qū)包圍，可快速均勻的觸發(fā)陰極元胞開通。門極的槽深為18~35μm，陰極區(qū)和短基區(qū)之間的PN 結(jié)表面有200~300nm厚的氧化層和采用聚酰亞胺鈍化層，增加陰極接觸面與門極間的絕緣電阻和放電間隙，聚酰亞胺鈍化層同時(shí)作為放大門極金屬層Al的表面保護(hù)層，可降低鋁的表面氧化和減小電蝕效應(yīng)率，大幅提高器件的可靠性。

■1.2 器件縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

超高速脈沖晶閘管縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1

雜質(zhì)濃度分布仿真如示意圖4。

圖4 雜質(zhì)濃度分布示意圖

在設(shè)計(jì)的縱向參數(shù)下，器件阻斷電壓仿真耗盡層展寬如示意圖5，器件縱向結(jié)構(gòu)可達(dá)到5000V 電壓。

圖5 耗盡層展寬示意圖

■1.3 器件制程主要工藝設(shè)計(jì)

為提高多元胞并聯(lián)的效果及對(duì)特性的影響，采用了高精度的工藝。制造工藝關(guān)鍵步驟如圖6所示。

圖6 擴(kuò)散關(guān)鍵流程示意圖

（1） 硅 片 厚 度 選 型 約620μm、 電 阻 率 為250~300Ω?cm、 晶 向<111> 或<100>、N 型NTD 單 晶， 硅 片雙面磷吸收工藝處理，提高襯底的少子壽命。

（2）P 區(qū)擴(kuò)散，硅片雙面通過Al、Ga 雙雜質(zhì)分布擴(kuò)散形成短基區(qū)，短基區(qū)的結(jié)深為90~120μm，短基區(qū)表面雜質(zhì)濃度為（1.0~8.0）×1019/cm3；利用Al 雜質(zhì)的前沿低濃度雜質(zhì)分布可提高阻斷電壓，表面高摻雜濃度可提高器件的動(dòng)態(tài)開通擴(kuò)展特性。

（3）緩沖層擴(kuò)散，緩沖層工藝的引入，可減薄片厚以獲得更低的通態(tài)壓降。緩沖層結(jié)構(gòu)使電場(chǎng)終止在N 層，電場(chǎng)形狀為梯形而非三角形，對(duì)減薄處理的硅片陽(yáng)極面采用緩沖層磷全擴(kuò)散方法形成N 緩沖層，利用N 緩沖層，可壓縮耗盡層的展寬[1]，減薄基區(qū)寬度。降低片厚和減少載流子恢復(fù)電荷，可提高開通速度。減薄基區(qū)的緩沖層的濃度和厚度對(duì)器件的阻斷特性及關(guān)斷特性、門極等都有較大影響[2]，同時(shí)它還要與透明陽(yáng)極的參數(shù)匹配。磷全擴(kuò)散制作工藝條件如下：

① 在1120~1150 ℃， 小N2=60 ～100ml/min 氣 攜POCl3，磷預(yù)沉積20 ～30 分鐘，恒溫時(shí)間15 分鐘；

②在1200~1240 ℃溫 度 下， 通N2=6L/min，O2=2L/min 進(jìn)行磷推進(jìn)擴(kuò)散，使最終磷結(jié)深約30μm。

（4）N+擴(kuò)散，在P2 短基區(qū)全表面磷擴(kuò)散形成陰極區(qū)，表面濃度為（1~10）×1020/cm3， N+結(jié)深為20μm。

（5）透明陽(yáng)極P+擴(kuò)散，在設(shè)計(jì)透明陽(yáng)極層時(shí)，陽(yáng)極透明層應(yīng)濃度較低、厚度較??；與緩沖層參數(shù)匹配，以期達(dá)到最佳的注入比；并兼顧開通和關(guān)斷特性，及門極等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的器件參數(shù)特性。透明陽(yáng)極P+在N 緩沖層表面進(jìn)行透明陽(yáng)極擴(kuò)散，結(jié)深為8~15μm，陽(yáng)極區(qū)表面雜質(zhì)濃度（0.5~9.0）×1019/cm3。采用的擴(kuò)散工藝是：

①采用酒精源或乳膠源硼源，為氧化硼的酒精或乳膠源飽和溶液，采用恒定表面源擴(kuò)散方法；

②在1180~1250 ℃溫 度， 氣 體 流 量N2=6L/min，O2=0.5L/min 下，推進(jìn)擴(kuò)散120 ～300 分鐘。

（6）陰極挖槽：對(duì)陰極區(qū)選擇性深挖槽處理，挖槽深度為18~35μm；然后對(duì)短基區(qū)、陰極區(qū)進(jìn)行PN 結(jié)表面氧化和采用聚酰亞胺保護(hù)。

（7）晶片雙面蒸鍍金屬層，對(duì)陰極面選擇性刻蝕，形成門極、陰極的金屬層并聯(lián)。

（8）對(duì)晶片和鉬片低溫壓接，上鉬片作為芯片的陰極，下鉬片作為芯片的陽(yáng)極，門極通過門極引線接出。

在現(xiàn)有陽(yáng)極區(qū)與長(zhǎng)基區(qū)之間增加的N 緩沖層區(qū)，陽(yáng)極區(qū)采用透明陽(yáng)極區(qū)，門極采用深槽結(jié)構(gòu)并聯(lián)，陰極采用多元胞并聯(lián)結(jié)構(gòu)，元胞之間的表面采用聚酰亞胺鈍化層保護(hù)，因而陰極面通過門極可關(guān)斷晶閘管相同的元胞結(jié)構(gòu)，通過陰極挖深槽，PN 結(jié)氧化層的保護(hù)，PN 結(jié)VKG可控制在18 ～23V，片內(nèi)VKG均勻性≤1V。

按上述技術(shù)方案制作了Φ89mm 超高速脈沖晶閘管。相對(duì)于常規(guī)快開通晶閘管，超高速脈沖晶閘管在同樣的應(yīng)用條件下具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1） 阻 斷 電 壓4500~5000V， 脈 沖 峰 值 電 流 達(dá)150KA。

（2）深槽刻蝕，隔離各單個(gè)并聯(lián)器件元胞，高di/dt耐量可達(dá)5000A/μs以上。具有高di/dt耐量、高頻可重復(fù)性、高電壓大電流、低壓降、并且具有一定關(guān)斷能力的特點(diǎn)。

（3）挖槽PN 結(jié)熱氧化SiO2保護(hù)和光刻聚酰亞胺鈍化層保護(hù)；提高絕緣性能及降低Al 電蝕效應(yīng)。陰極面中心門極之外門極上用聚酰亞胺形成鈍化層保護(hù)，保護(hù)鋁層免受侵蝕并增加爬電距離。

（4）陽(yáng)極面采用緩沖層和透明陽(yáng)極設(shè)計(jì)，可減薄片厚和提高電壓；晶片可采用電子輻照的方法控制少子壽命為，可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)基區(qū)的厚度和恢復(fù)電荷。

（5）低應(yīng)力的全壓接封裝，可降低器件接觸熱阻和應(yīng)力，提高器件極限工作時(shí)的可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

本晶閘管主要應(yīng)用于超高速脈沖功率領(lǐng)域，在脈沖功率應(yīng)用中，脈沖電流峰值和電流上升率都很高。常規(guī)的測(cè)試設(shè)備和方法已不能滿足脈沖半導(dǎo)體開關(guān)的測(cè)試要求。其重點(diǎn)和難點(diǎn)包括窄脈沖功率發(fā)生源、高壓隔離強(qiáng)觸發(fā)系統(tǒng)、脈沖電流取樣系統(tǒng)等。針對(duì)上述特點(diǎn)，采用專門的脈沖功率開關(guān)試驗(yàn)平臺(tái)，可完成對(duì)脈沖開關(guān)的開通特性、關(guān)斷特性、峰值極限通流能力、多器件串聯(lián)均壓特性等指標(biāo)的試驗(yàn)功能。

■2.1 測(cè)試方法

由于超高速脈沖晶閘管獨(dú)特的多元胞分布結(jié)構(gòu)，門極需強(qiáng)觸發(fā)才能保證器件有效可靠的開通和關(guān)斷，對(duì)觸發(fā)的強(qiáng)度、安全性和可靠性有很高的要求。采用光纖隔離、高壓取能、MOS 管直放設(shè)計(jì)觸發(fā)電路，觸發(fā)模擬信號(hào)輸送給觸發(fā)發(fā)送端，通過光纖傳遞給觸發(fā)接收端，再經(jīng)過脈沖直放放大電路驅(qū)動(dòng)脈沖晶閘管，得到電流峰值很高、觸發(fā)前沿很陡的門極觸發(fā)電流。高壓取能為觸發(fā)接收端、MOS 管直放單元提供能量[3]。

■2.2 開通特性測(cè)試

通過表2、表3 數(shù)據(jù)表明，本超高速脈沖晶閘管動(dòng)態(tài)開通參數(shù)、通態(tài)壓降、di/dt 測(cè)試性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通晶閘管。

表2 開通參數(shù)測(cè)試結(jié)果

表3 主要靜態(tài)參數(shù)測(cè)試對(duì)比

■2.3 電流上升率測(cè)試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[4]，脈沖晶閘管di/dt 試驗(yàn)采用LC 放電產(chǎn)生高di/dt，測(cè)試電路如圖7所示。在di/dt 測(cè)試過程中，用電容C 儲(chǔ)能、LC 放電方式得到被測(cè)管所需的高di/dt。儲(chǔ)能電容C1 容值10~100μF，回路用低感抗設(shè)計(jì)，電感L1 為短接線及電路中雜散電感，D2 為保護(hù)二極管。脈沖放電寬度10~400μs 可調(diào)。di/dt 測(cè)量用PEM CWT 600B 取樣，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4

圖7 di/dt 測(cè)試主回路

實(shí)測(cè)表明，普通晶閘管di/dt 加到3000A/μs 時(shí)損壞，KM 樣品脈沖晶閘管di/dt ≥22KA/μs，脈寬20μs 時(shí)脈沖峰值電流≥150KA。

3 結(jié)論

本文提出了一種超高速脈沖晶閘管及其制造方法，并從組成結(jié)構(gòu)、縱向參數(shù)和工藝設(shè)計(jì)制造方法等方面論證其相對(duì)普通晶閘管所具備的優(yōu)勢(shì)；解決了現(xiàn)有晶閘管不能滿足高di/dt 和超高浪涌電流的問題。運(yùn)用了多種技術(shù)提高超高速脈沖晶閘管的綜合特性：非對(duì)稱穿通型、多元胞晶閘管并聯(lián)結(jié)構(gòu)改善了晶閘管的開通擴(kuò)展特性；薄片厚緩沖層結(jié)構(gòu)降低了晶閘管的通態(tài)壓降和提高了開通速度。超高速脈沖晶閘管觸發(fā)比GTO 和IGCT 簡(jiǎn)單，組裝成功率組件具有體積小、功耗低、單位能量密度大、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。該器件的脈沖峰值電流Ipulse達(dá)到150KA 以上，可承受的di/dt 達(dá)20KA/μs 以上，可滿足許多超高速脈沖功率領(lǐng)域的需要，可作為電磁炮脈沖電源的前級(jí)、靜電除塵及等離子震源等微秒級(jí)底寬的脈沖功率領(lǐng)域。