專利名稱：一種非對稱快速晶閘管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種半導(dǎo)體變流器件，主要應(yīng)用 于大功率串聯(lián)逆變電源裝置。
背景技術(shù)：
目前，感應(yīng)加熱電源絕大多數(shù)采用并聯(lián)逆變技術(shù)，所用半導(dǎo)體器件為快速晶閘管， 典型電路如圖1所示。輸入的三相交流電經(jīng)過整流后經(jīng)電抗器輸出為直流電流，由4只快 速晶間管組成的逆變橋接收控制單元發(fā)出的觸發(fā)信號，將直流電流進(jìn)行變換，輸出高頻率 的單相交流電流。而一種更高效、穩(wěn)定和輸出能力更大的方案是串聯(lián)逆變技術(shù)，典型電路如 圖2所示。與并聯(lián)逆變技術(shù)不同的是，逆變橋?qū)⒄鳂蜉敵龅闹绷麟妷鹤儞Q為高頻交流電 壓輸出?？焖倬чl管是一種PNPN四層三端結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，經(jīng)過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和少數(shù) 載流子控制技術(shù)，使其比普通晶閘管具有更高的開關(guān)速度，從而適用于200Hz IOkHz的電 力變流器。無論串聯(lián)逆變或并聯(lián)逆變，國內(nèi)均使用正、反向電壓相同(對稱)的快速晶閘管， 即Pl陽極區(qū)與陰極端P2區(qū)的結(jié)深相同，m長基區(qū)層厚度較大。在應(yīng)用于串聯(lián)逆變時(shí)，因 壓降大使其通流能力受到限制。并且由于動(dòng)態(tài)特性較差，對整體裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠 性易產(chǎn)生不良影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述不足之處而提供一種在應(yīng)用于串聯(lián)逆變時(shí)，能明顯降 低通態(tài)壓降，從而改善通態(tài)能力和提高工作可靠性，同時(shí)可更優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低大注入的 儲存電荷，改善恢復(fù)軟度的非對稱快速晶閘管。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種非對稱快速晶間管，包括管殼和封裝在該管殼內(nèi) 的PNPN四層三端結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片，其特征是所述的半導(dǎo)體芯片的Pl陽極區(qū)的結(jié)深是陰 極端P2區(qū)結(jié)深的20 70%，Pl陽極區(qū)中設(shè)有P+高濃度區(qū)。本發(fā)明技術(shù)解決方案中所述的Pl陽極區(qū)的結(jié)深是15 80 μ m ；陰極端P2區(qū)的結(jié) 深是45 130 μ m，表面濃度是1. 5 8xl017cnT3 ；Nl長基區(qū)的厚度是110 350ym ;P1陽 極區(qū)中P+高濃度區(qū)的表面濃度是2xl019 9. 5χ102°αιΓ3。本發(fā)明技術(shù)解決方案中所述的Pl陽極區(qū)中的P+高濃度區(qū)是單窗口擴(kuò)散形成的，P+ 高濃度區(qū)結(jié)深小于Pl陽極區(qū)結(jié)深。本發(fā)明技術(shù)解決方案中所述的Pl陽極區(qū)中的P+高濃度區(qū)是多窗口擴(kuò)散形成的，P+ 高濃度區(qū)結(jié)深小于Pl陽極區(qū)結(jié)深。本發(fā)明技術(shù)解決方案中所述的Pl陽極區(qū)中的P+高濃度區(qū)是多窗口擴(kuò)散形成的，P+ 高濃度區(qū)結(jié)深大于Pl陽極區(qū)結(jié)深。本發(fā)明由于將PNPN四層三端結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片的Pl陽極區(qū)的結(jié)深設(shè)計(jì)比陰極端 Ρ2區(qū)的結(jié)深淺，Nl長基區(qū)的厚度比一般晶閘管薄20% 30% ；Pl陽極區(qū)表面濃度也高于陰極端P2區(qū)，因而使晶閘管兩個(gè)P區(qū)的非對稱設(shè)計(jì)，明顯降低了器件的通態(tài)壓降，從而改善 通態(tài)能力和工作的可靠性。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有在應(yīng)用于串聯(lián)逆變時(shí)，能明 顯降低通態(tài)壓降，從而改善通態(tài)能力和提高工作可靠性，同時(shí)可更優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低大注 入的儲存電荷，改善恢復(fù)軟度的特點(diǎn)。本發(fā)明主要用于大功率串聯(lián)逆變電源裝置。


圖1是并聯(lián)逆變電路原理圖；圖2是串聯(lián)逆變電路原理圖；圖3是快速晶閘管芯片結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的芯片結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的芯片結(jié)構(gòu)圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例3的芯片結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)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(nèi)的PNPN四層三 端結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片。Pl陽極區(qū)1的結(jié)深是15 80μπι ；陰極端P2區(qū)3的結(jié)深是45 130 μ m，表面濃度是1. 5 8xl017cm_3 ；Nl長基區(qū)2的厚度是110 350 μ m ；Pl陽極區(qū)1中 P+高濃度區(qū)8的表面濃度是2xl019 9. 5xl02°Cm_3。半導(dǎo)體芯片的Pl陽極區(qū)1的結(jié)深是陰 極端P2區(qū)3結(jié)深的20 70%，附長基區(qū)2的厚度比一般晶閘管薄20% 30%，Pl陽極 區(qū)1中的P+高濃度區(qū)8是單窗口擴(kuò)散形成的，P+高濃度區(qū)8結(jié)深小于Pl陽極區(qū)1結(jié)深。根據(jù)不同的應(yīng)用要求硅單晶選用NTD材料，電阻率為30 140 Ω . cm,厚度380 600 μ m?？偤穸鹊倪x 取既要求保證W長基區(qū)2實(shí)現(xiàn)器件正向耐壓的要求，又不至于增加壓降。Pl陽極區(qū)1和陰極端P2區(qū)3由雙面同時(shí)進(jìn)行第一次P型雜質(zhì)擴(kuò)散獲得，可以是 Ga或Al。結(jié)深45 130 μ m,表面濃度1. 5 8xl017cnT3。將陰極端P2區(qū)3的表面保護(hù)好后，通過研磨、噴砂和化學(xué)腐蝕等方法，對硅片從Pl 端進(jìn)行削薄處理。去除30 150 μ m。硅片減薄后，將Pl陽極區(qū)1和陰極端P2區(qū)3同時(shí)做表面氧化處理。然后對陰極 端P2區(qū)3表面氧化層進(jìn)行選擇刻蝕，再對陰極端P2區(qū)3表面做N型雜質(zhì)擴(kuò)散，形成N2陰 極區(qū)4，結(jié)深12 28 μ m,表面濃度2xl019 9. 5xl02。。對Pl陽極區(qū)1表面經(jīng)過高表面濃度P型擴(kuò)散形成P+高濃度區(qū)8，結(jié)深25 70 μ m。 必要時(shí)P+高濃度區(qū)8表面進(jìn)行選擇擴(kuò)散。為提高非對稱晶閘管開關(guān)速度，對擴(kuò)散好的硅片摻金或摻鉬擴(kuò)散，以降低少數(shù)載 流子壽命。擴(kuò)散溫度為830 880°C，時(shí)間20 45分鐘。也采用電子輻照，其特點(diǎn)是漏電 流小，高溫特性較好。將做好的非對稱晶閘管硅片燒結(jié)在鉬片上，對陰極端P2區(qū)3和N2陰極區(qū)4表面 進(jìn)行金屬蒸鍍后再選擇性刻蝕，清晰分離出所需要的圖形和門極5、陰極6，鉬片作為芯片 的陽極7。最后將芯片安裝到定制的標(biāo)準(zhǔn)管殼中，完成本發(fā)明非對稱快速晶閘管的最終封裝 和測試。
表一是同規(guī)格的76mm快速晶閘管和非對稱晶閘管主要靜態(tài)指標(biāo)測試對比表一 數(shù)據(jù)表明，在相同的正向斷態(tài)電壓設(shè)計(jì)時(shí)，非對稱晶閘管通態(tài)壓降平均Vtm比常規(guī) 快速晶閘管低0. 72V，達(dá)25%。這表明其在運(yùn)行中有更低的通態(tài)損耗。表二 表二是動(dòng)態(tài)參數(shù)抽樣測試對比。從中看到非對稱晶閘管比常規(guī)快速晶閘管開通 時(shí)間略快，恢復(fù)電荷較小，擴(kuò)展電壓更低。通過計(jì)算機(jī)仿真，其開關(guān)損耗小27%。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，非對稱快速晶閘管相對于常規(guī)對稱設(shè)計(jì)的晶閘管，在動(dòng)、靜態(tài) 特性上，具有較明顯的優(yōu)勢。實(shí)施例2如圖5所示。與實(shí)施例1不同的是Pl陽極區(qū)1中的P+高濃度區(qū)9是多 窗口擴(kuò)散形成的，P+高濃度區(qū)9結(jié)深小于Pl陽極區(qū)1結(jié)深。實(shí)施例3如圖6所示。與實(shí)施例1不同的是Pl陽極區(qū)中的P+高濃度區(qū)10是多窗口擴(kuò)散形成的，P+高濃度區(qū)10結(jié)深大于Pl陽極區(qū)結(jié)深。
權(quán)利要求
一種非對稱快速晶閘管，包括管殼和封裝在該管殼內(nèi)的PNPN四層三端結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片，其特征是所述的半導(dǎo)體芯片的P1陽極區(qū)(1)的結(jié)深是陰極端P2區(qū)(3)結(jié)深的20～70％，P1陽極區(qū)(1)中設(shè)有P+高濃度區(qū)(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非對稱快速晶閘管，其特征是所述的Pl陽極區(qū)(1)的 結(jié)深是15 80 μ m ；陰極端P2區(qū)(3)的結(jié)深是45 130 μ m，表面濃度是1. 5 8xl017cnT3 ； Nl長基區(qū)⑵的厚度是110 350 μ m;Pl陽極區(qū)⑴中P+高濃度區(qū)⑶的表面濃度是 2xl019 9. 5x102W3ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種非對稱快速晶閘管，其特征是所述的Pl陽極區(qū)⑴ 中的P+高濃度區(qū)⑶是單窗口擴(kuò)散形成的，P+高濃度區(qū)⑶結(jié)深小于Pi陽極區(qū)⑴結(jié)深。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種非對稱快速晶閘管，其特征是所述的Pl陽極區(qū)中 的P+高濃度區(qū)(8)是多窗口擴(kuò)散形成的，P+高濃度區(qū)(8)結(jié)深小于Pl陽極區(qū)結(jié)深。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種非對稱快速晶閘管，其特征是所述的Pl陽極區(qū)中 的P+高濃度區(qū)(8)是多窗口擴(kuò)散形成的，P+高濃度區(qū)(8)結(jié)深大于Pl陽極區(qū)結(jié)深。
全文摘要
本發(fā)明的名稱為一種非對稱快速晶閘管。屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。它主要是解決現(xiàn)有快速晶閘管在應(yīng)用于串聯(lián)逆變時(shí)，存在壓降大和動(dòng)態(tài)特性較差等問題。它的主要特征是包括管殼和封裝在該管殼內(nèi)的PNPN四層三端結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片；半導(dǎo)體芯片的P1陽極區(qū)1的結(jié)深是陰極端P2區(qū)3結(jié)深的20～70％，P1陽極區(qū)1中設(shè)有P+高濃度區(qū)8。本發(fā)明具有在應(yīng)用于串聯(lián)逆變時(shí)，能明顯降低通態(tài)壓降，從而改善通態(tài)能力和提高工作可靠性，同時(shí)可更優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低大注入的儲存電荷，改善恢復(fù)軟度的特點(diǎn)，主要用于大功率串聯(lián)逆變電源裝置。
文檔編號H01L29/36GK101931001SQ20091006281
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月24日
發(fā)明者劉小俐, 劉鵬, 吳擁軍, 張橋, 楊成標(biāo), 肖彥, 顏家圣 申請人:湖北臺基半導(dǎo)體股份有限公司