專利名稱：一種具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體功率器件技術領域，涉及晶閘管，尤其是漂移區(qū)摻入了深能級元素的晶閘管。
背景技術：
晶閘管具有大電流、高電壓等優(yōu)點，廣泛應用于整流、無觸點電子開關、逆變及變頻電路及系統(tǒng)。傳統(tǒng)的晶閘管，其結構如圖I所示，當金屬陽極3加正電壓，金屬柵極2加開啟觸發(fā)電流，為寄生NPN管提供基極電流時，寄生NPN管隨之開啟，開啟后的寄生NPN管為寄生PNP管也提供了基極電流，從而寄生PNP管也開啟，寄生PNP的開啟又進一步為寄生NPN提供基極電流，這樣就形成了正反饋，晶閘管NPNP四層結構形成的自維持模式使得晶 閘管開啟，晶閘管具有很小的導通電壓，具有很大的正向電流，能承受很高的耐壓，而且柵驅動電路簡單，具有不可替代的市場應用前景。當金屬柵極2加關斷觸發(fā)電流，能加速柵電極對P型基區(qū)5空穴的抽取，當P+陽極區(qū)的空穴被正向電場拉到柵電極時，柵電極的觸發(fā)電流加速柵電極對空穴的抽取，減少α ΝΡΝ，使得寄生NPN管和寄生PNP管的共基極電流放大系數(shù)之和αΝΡΝ+αΡΝΡ〈1，從而使得閘管無法維持其自開啟狀態(tài)，從而晶閘管關斷。雖然晶閘管有諸多性能優(yōu)勢，能廣泛應用到電子電路領域，但是晶閘管的關斷過程卻是個很艱難的過程，由于晶閘管很大的陽極漏電流，而且是正溫度系數(shù)，隨著溫度的升高，陽極漏電流急劇升高；柵觸發(fā)電流驅動電路也不易控制，使得柵電極控制信號抽取空穴的過程相當緩慢甚至導致晶閘管的關斷失效。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管，是在傳統(tǒng)晶閘管的漂移區(qū)內摻入深能級雜質元素，所述的深能級雜質元素隨著溫度升高，電離度增加，導致雜質濃度增加，能有效減少高溫下PNP管α ρΝρ, 一方面能減少溫度對高溫陽極漏電流的影響，減少高溫漏電流，進一步減少晶閘管的功耗，另一方面，αρΝρ的減小能進一步改善晶閘管關斷特性。本發(fā)明的技術方案如下一種具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管，其元胞結構如圖2所示，包括金屬化陰極1，多晶硅柵電極2，金屬化陽極3，N+有源區(qū)4，P型基區(qū)5，N-漂移區(qū)6，P+陽極區(qū)7 ；金屬化陽極3位于P+陽極區(qū)7的下面，N-漂移區(qū)6位于P+陽極區(qū)7的上面，P型基區(qū)5位于N-漂移區(qū)6上面，P型基區(qū)5接多晶硅柵電極2 ；Ν+有源區(qū)4位于P型基區(qū)5的上面，且接金屬化陰極I ;所述N-漂移區(qū)6中摻入了深能級雜質元素(具體摻雜元素包括硫、硒、締、金或鉬)。需要進一步說明的是，所述N-漂移區(qū)6中可全部或部分摻入深能級雜質元素(即深能級雜質元素在N-漂移區(qū)6中的注入位置和厚度可調);在N-漂移區(qū)6中摻入深能級雜質元素的同時，P型基區(qū)5中也可摻入深能級雜質元素。
本發(fā)明的工作原理如下本發(fā)明提出的具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管，所述的深能級雜質元素隨著溫度升高，電離度增加，導致雜質濃度增加，從而能有效減少PNP管高溫下α ΡΝΡ，一方面能減少溫度對高溫陽極漏電流的影響，減少高溫漏電流，進一步減少晶閘管的功耗；另一方面，減少的αΡΝΡ能進一步改善關斷特性。下面以附圖2，實際摻硫元素為例，結合附圖3所示的寄生等效電路模型，說明本發(fā)明的工作原理。傳統(tǒng)晶閘管工作時，如圖I所示，當柵電極加開啟觸發(fā)電流，使得P型基區(qū)和N+有源區(qū)構成的PN結正偏，N+有源區(qū)向P型基區(qū)發(fā)射電子，電子被N-漂移區(qū)和P型基區(qū)構成的反偏PN結強大的電場拉向N-漂移區(qū)，從而為NPNP晶閘管寄生PNP管提供了基極電流，從而寄生PNP管開啟，開啟后的寄生PNP管又能進一步為寄生NPN管提供基極電流，這樣就形成了正反饋機制使得晶閘管無需額外的驅動電流就能保持開啟狀態(tài)。當柵電極加關斷觸發(fā)電流時，加速柵電極對P+陽極區(qū)發(fā)射到P型基區(qū)的空穴的抽取，大幅減少寄生NPN管α ΝΡΝ，在
晶閘管開啟時，NPNP晶閘管四層結構寄生NPN管和PNP管α ΡΝΡ+ α ΝΡΝ>1,但是，當加關斷觸發(fā)電流時，由于αΝΡΝ的大幅減少，使得α ρΝρ+α ΝρΝ〈1，從而晶閘管關斷。本發(fā)明所提供的具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管件如圖2所示，由于其N-漂移區(qū)中摻入了深能級雜質元素，隨著晶閘管溫度升高時，深能級雜質元素電離度增加，導致雜質濃度增加，升高的漂移區(qū)雜質濃度使得寄生NPN管的共基極電流放大系數(shù)α ΡΝΡ減小，從而使得高溫下經(jīng)寄生PNP管放大的陽極漏電流有效減小，從而減少了溫度對漏電流的影響，降低了晶閘管的高溫功耗，能夠有效防止因高電壓、高電流、高溫引起的器件動態(tài)雪崩擊穿。隨著溫度升高而大幅減少的αΡΝΡ和因關斷觸發(fā)電流引起大幅減小的αΝΡΝ共同作用，而且深能級雜質元素本身就是復合中心，可以進一步加速漂移區(qū)內的電子空穴復合，使得晶閘管開啟時的αΡΝΡ+αΝΡΝ>1迅速減少，當α PNP+ α NPN^i時，晶閘管關斷，從而有效改善晶閘管的關斷特性，提聞晶閘管的可罪性。綜上所述，本發(fā)明提供的具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管，由于其N-漂移區(qū)中摻入了深能級雜質元素，能夠明顯減小寄生PNP管高溫下αΡΝΡ，有效減少高溫漏電流，進一步減少晶閘管的功耗；另一方面，減少的α ρΝρ和關斷觸發(fā)電流引起大幅減小的αΝΡΝ共同作用，加之深能級雜質元素本身就是復合中心，所以能夠加速晶閘管的關斷過程，有效改善晶閘管的關斷特性，提高晶閘管的可靠性。


圖I是傳統(tǒng)晶閘管基本結構不意圖。圖2是本發(fā)明提供的具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管結構示意圖。圖I至圖2中1是金屬化陰極，2是多晶硅柵電極，3是金屬化陽極，4是N+有源區(qū)，5是P型基區(qū)，6是N-漂移區(qū)，7是P+陽極區(qū)。圖3是本發(fā)明提供的具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管件等效電路模型示意圖。
具體實施例方式一種具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管，其元胞結構如圖2所示，包括金屬化陰極1，多晶硅柵電極2，金屬化陽極3，N+有源區(qū)4，P型基區(qū)5，N-漂移區(qū)6，P+陽極區(qū)7 ；金屬化陽極3位于P+陽極區(qū)7的下面，N-漂移區(qū)6位于P+陽極區(qū)7的上面，P型基區(qū)5位于N-漂移區(qū)6上面，P型基區(qū)5接多晶硅柵電極2 ；N+有源區(qū)4位于P型基區(qū)5的上面，且接金屬化陰極I ;所述N-漂移區(qū)6中摻入了深能級雜質元素(具體摻雜元素包括硫、硒、締、金或鉬)。需要進一步說明的是，所述N-漂移區(qū)6中可全部或部分摻入深能級雜質元素(即深能級雜質元素在N-漂移區(qū)6中的注入位置和厚度可調);在N-漂移區(qū)6中摻入深能級雜質元素的同時，P型基區(qū)5中也可摻入深能級雜質元素。本發(fā)明提供的具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管，其具體實現(xiàn)方法為，選取N型〈111〉晶向區(qū)熔單晶襯墊，注入深能級雜質層形成深能級雜質N-漂移區(qū)，正面注入P型基區(qū)，背面注入高濃度陽極P+區(qū)，在正面P型基區(qū)上面進行N+有源發(fā)射區(qū)擴散，淀積多晶形成柵電極，沉積發(fā)射極金屬，發(fā)射極金屬曝光與刻蝕，背面透明集電極注入及退火，背面金屬化，鈍化等等。與傳統(tǒng)晶閘管制備工藝相比，沒有增加掩膜板，制備工藝簡單容易實現(xiàn)。
所述的深能級雜質層不僅僅是可以注入到漂移區(qū)內，還可以注入到P型基區(qū)內。另外，制作器件時還可用碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅等半導體材料代替體硅。
權利要求
1.一種具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管，其元胞結構包括金屬化陰極(1)，多晶硅柵電極(2)，金屬化陽極(3)，N+有源區(qū)(4)，P型基區(qū)(5)，N-漂移區(qū)(6)，P+陽極區(qū)(7)；金屬化陽極(3)位于P+陽極區(qū)(7)的下面，N-漂移區(qū)(6)位于P+陽極區(qū)(7)的上面，P型基區(qū)(5)位于N-漂移區(qū)(6)上面，P型基區(qū)(5)接多晶硅柵電極(2) ;N+有源區(qū)(4)位于P型基區(qū)(5)的上面，且接金屬化陰極(I);其特征在于，所述N-漂移區(qū)(6)中摻入了深能級雜質元素。
2.根據(jù)權利要求I所述的具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管，其特征在于，所述深能級雜質元素包括硫、硒、締、金或鉬。
3.根據(jù)權利要求I所述的具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管，其特征在于，所述N-漂移區(qū)(6)中可全部或部分摻入深能級雜質元素，即深能級雜質元素在N-漂移區(qū)(6)中的注入位置和厚度可調。
4.根據(jù)權利要求I所述的具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管，其特征在于，在N-漂 區(qū)(6)中摻入深能級雜質元素的同時，P型基區(qū)(5)中也摻入深能級雜質元素。
全文摘要
一種具有深能級摻雜元素漂移區(qū)的晶閘管件，屬于半導體功率器件技術領域。本發(fā)明在傳統(tǒng)晶閘管的N-漂移區(qū)(6)中摻入深能級雜質元素(硫、硒、碲、金或鉑)，深能級雜質元素隨著溫度升高，電離度增加，導致雜質濃度增加，從而能有效減少PNP管高溫下αPNP，一方面能減少溫度對高溫陽極漏電流的影響，減少高溫漏電流，進一步減少晶閘管的功耗；器件關斷時，柵電極關斷觸發(fā)電流能加速空穴的抽取，減少寄生NPN管αNPN，漂移區(qū)雜質濃度上升引起αPNP的減小，加速了αNPN+αPNP<1的過程，使得晶閘管自維持效應消失、器件更容易關斷。
文檔編號H01L29/74GK102779848SQ20121024880
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權日2012年7月18日
發(fā)明者任敏, 張波, 張蒙, 張金平, 李巍, 李澤宏, 陳偉中 申請人:電子科技大學