本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件工藝技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種集成門極換流晶閘管。

背景技術(shù)：

集成門極換流晶閘管IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor)，有的廠家也稱為GCT(Gate-Commutated Thyristor),即門極換流晶閘管，是20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)的新型電力電子器件。IGCT將IGBT與GTO(Gate Turn-Off Thyristor，可關(guān)斷晶閘管，亦稱門控晶閘管，主要特點(diǎn)為當(dāng)門極加負(fù)向觸發(fā)信號時(shí)晶閘管能自行關(guān)斷)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，其容量與GTO相當(dāng)，但開關(guān)速度比GTO快10倍，而且可以省去GTO應(yīng)用時(shí)的龐大而復(fù)雜的緩沖電路，因此由于其優(yōu)秀的電學(xué)特性，應(yīng)用范圍非常廣泛。

現(xiàn)有的集成門極換流晶閘管(GCT)的陰極由多圈梳條組成，梳條之間為并聯(lián)連接。在門極上施加電流使其導(dǎo)通或者施加負(fù)電壓(-20V)使其關(guān)斷的過程中，由于距離門極的遠(yuǎn)近不同，造成各梳條響應(yīng)時(shí)間和程度不一致，易引發(fā)電流分布不均勻。

GCT開通過程中，中心門極和環(huán)形門極短接并注入觸發(fā)電流，于是根據(jù)離注入門極的遠(yuǎn)近，梳條依次導(dǎo)通，并且先導(dǎo)通的區(qū)域電流更大。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，各梳條的電流密度會逐漸趨于一致，如圖1所示。關(guān)斷時(shí)門極相對陰極施加負(fù)電壓，使陰極的電流快速轉(zhuǎn)移至門極流出。與開通時(shí)一樣，離門極電極的遠(yuǎn)近決定了梳條的響應(yīng)快慢，離門極電極近的梳條關(guān)斷快，導(dǎo)電能力快速減弱，而此時(shí)遠(yuǎn)離門極的梳條導(dǎo)電能力仍較強(qiáng)，這樣將造成電流在GCT芯片內(nèi)重新分布，如圖2所示。效果上體現(xiàn)為關(guān)斷時(shí)，一方面離門極近的梳條電流快速抽取，另一方面由于各梳條導(dǎo)電能力的差異使電流往邊緣梳條排擠，抬升了邊緣梳條的電流，從而使芯片邊緣的損耗功率更大。由于芯片邊緣散熱能力弱于體內(nèi)(臺面所涂的絕緣膠散熱能力差)，這樣由于邊緣損耗功率大，散熱差，易造成芯片邊緣失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種集成門極換流晶閘管，通過控制穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流密度分布，使離門極電極越近的區(qū)域電流密度越大，從而在關(guān)斷過程中削弱或避免由于關(guān)斷先后造成的電流往芯片邊緣集中的現(xiàn)象及其導(dǎo)致的芯片邊緣失效的可能。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種集成門極換流晶閘管，包括門極電極和多個(gè)環(huán)繞所述門極電極設(shè)置的陰極梳條結(jié)構(gòu)，所述陰極梳條結(jié)構(gòu)包括至少兩層臺階的門陰極結(jié)，所述門陰極結(jié)的最低層臺階設(shè)置在所述陰極梳條結(jié)構(gòu)的P區(qū)內(nèi)，所述最低層臺階的寬度隨著與所述門極電極的間距增加而減少。

其中，所述門陰極的最低層臺階的寬度為0～1000μm。

其中，相鄰所述陰極梳條結(jié)構(gòu)的最低層臺階的寬度差為0～200μm。

其中，相鄰所述陰極梳條結(jié)構(gòu)的最低層臺階的寬度線性減少。

其中，相鄰所述陰極梳條結(jié)構(gòu)的陰極面積隨著與所述門極電極的間距增加而減少。

其中，所述陰極梳條結(jié)構(gòu)的陰極寬度恒定。

其中，所述陰極梳條結(jié)構(gòu)的陰極形狀為矩形。

其中，所述陰極梳條結(jié)構(gòu)的陰極寬度隨著與所述門極電極的間距增加而減少。

其中，所述陰極梳條結(jié)構(gòu)的陰極寬度隨著與所述門極電極的間距增加而線性減少。

其中，所述陰極梳條結(jié)構(gòu)的陰極形狀為等腰梯形。

本發(fā)明實(shí)施例所提供的集成門極換流晶閘管，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘管，包括門極電極和多個(gè)環(huán)繞所述門極電極設(shè)置的陰極梳條結(jié)構(gòu)，所述陰極梳條結(jié)構(gòu)包括至少兩層臺階的門陰極結(jié)，所述門陰極結(jié)的最低層臺階設(shè)置在所述陰極梳條結(jié)構(gòu)的P區(qū)內(nèi)，所述最低層臺階的寬度隨著與所述門極電極的間距增加而減少。

所述集成門極換流晶閘管，通過在陰極梳條結(jié)構(gòu)設(shè)置至少兩層臺階的門陰極結(jié)，門陰極結(jié)的最低層臺階設(shè)置在陰極梳條結(jié)構(gòu)的P區(qū)內(nèi)形成深臺階，并且最低層臺階的寬度隨著與門極電極的間距增加而減少，使得穩(wěn)態(tài)時(shí)電流密度分布滿足離門極越近電流密度越大，關(guān)斷時(shí)電流快速從距離門極近的梳條抽取出去，減少關(guān)斷延遲轉(zhuǎn)移到邊緣梳條的電流，避免了關(guān)斷過程中損耗集中于邊緣梳條，提高了可靠性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中集成門極換流晶閘處于穩(wěn)態(tài)時(shí)梳條結(jié)構(gòu)中的陰極電流與離門極之間的間距的關(guān)系示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中集成門極換流晶閘處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)梳條結(jié)構(gòu)中的陰極電流與離門極之間的間距的關(guān)系示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實(shí)施方式中導(dǎo)通時(shí)陰極梳條結(jié)構(gòu)的平均電流密度與最低層臺階的寬度的關(guān)系示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實(shí)施方式中處于穩(wěn)態(tài)時(shí)梳條結(jié)構(gòu)中的陰極電流與離門極之間的間距的關(guān)系示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實(shí)施方式中處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)梳條結(jié)構(gòu)中的陰極電流與離門極之間的間距的關(guān)系示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘的另一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請參考圖3～圖8，圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實(shí)施方式中導(dǎo)通時(shí)陰極梳條結(jié)構(gòu)的平均電流密度與最低層臺階的寬度的關(guān)系示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實(shí)施方式中處于穩(wěn)態(tài)時(shí)梳條結(jié)構(gòu)中的陰極電流與離門極之間的間距的關(guān)系示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實(shí)施方式中處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)梳條結(jié)構(gòu)中的陰極電流與離門極之間的間距的關(guān)系示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘的一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘的另一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

在一種具體實(shí)施方式中，所述集成門極換流晶閘管，包括門極電極10和多個(gè)環(huán)繞所述門極電極10設(shè)置的陰極梳條結(jié)構(gòu)20，所述陰極梳條結(jié)構(gòu)20包括至少兩層臺階的門陰極結(jié)21，所述門陰極結(jié)21的最低層臺階設(shè)置在所述陰極梳條結(jié)構(gòu)20的P區(qū)內(nèi)，所述最低層臺階的寬度隨著與所述門極電極10的間距增加而減少。

本發(fā)明中的集成門極換流晶閘管芯片的門極電極10有中心門極和環(huán)形門極，在門極電極10附近則排列著一圈圈陰極梳條結(jié)構(gòu)20。陰極梳條結(jié)構(gòu)20是集成門極換流晶閘管的基本組成單元，每一個(gè)梳條都包含了陰極、門極和陽極，陰極梳條結(jié)構(gòu)20具有集成門極換流晶閘管芯片的功能，一個(gè)集成門極換流晶閘管芯片通常包含幾百上千的陰極梳條結(jié)構(gòu)20。

所述集成門極換流晶閘管，通過在陰極梳條結(jié)構(gòu)20設(shè)置至少兩層臺階的門陰極結(jié)21，門陰極結(jié)21的最低層臺階設(shè)置在陰極梳條結(jié)構(gòu)20的P區(qū)內(nèi)形成深臺階，并且最低層臺階的寬度隨著與門極電極10的間距增加而減少，使得穩(wěn)態(tài)時(shí)電流密度分布滿足離門極越近電流密度越大，關(guān)斷時(shí)電流快速從距離門極近的梳條抽取出去，減少關(guān)斷延遲轉(zhuǎn)移到邊緣梳條的電流，避免了關(guān)斷過程中損耗集中于邊緣梳條，提高了可靠性。

所述門陰極的最低層臺階的寬度一般為0～1000μm。

當(dāng)然，由于不同位置處的陰極梳條結(jié)構(gòu)20的最低層臺階由于與門極電極10的距離不同寬度不同，而在距離門極電極10越近的位置處，陰極梳條結(jié)構(gòu)20的數(shù)量越少，其穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流較大，如果關(guān)斷過程中，電流下降不能滿足要求，還可以適當(dāng)?shù)脑黾悠溟T陰極的最低層臺階的寬度，本發(fā)明對所述門陰極的最低層臺階的寬度不做具體限定。

需要說明的是，在本發(fā)明中由于陰極梳條結(jié)構(gòu)20的P+區(qū)和P區(qū)的厚度有限，一般只要設(shè)置兩層臺階即可，而為了保證其中的陰極電流的分布更均勻，包括至少兩層臺階的門陰極結(jié)21關(guān)于陰極梳條結(jié)構(gòu)20的中線對稱，本發(fā)明對所述門陰極結(jié)21深入P區(qū)的深度不做具體限定。

由于最低層臺階的寬度隨著與所述門極電極10的間距增加而減少，為保證相鄰陰極梳條結(jié)構(gòu)20在穩(wěn)態(tài)以及關(guān)斷過程中電流分布的差別不會過大造成芯片失效，所述陰極梳條結(jié)構(gòu)20的最低層臺階的寬度差為0～200μm。

在本發(fā)明中，最低層臺階的寬度通過實(shí)驗(yàn)或者模擬也可以發(fā)現(xiàn)，其寬度與導(dǎo)通時(shí)梳條結(jié)構(gòu)的平均密度如圖4所示，圖4為在一種具體實(shí)施方式中，門陰極結(jié)為兩階臺階時(shí)，導(dǎo)通時(shí)陰極梳條結(jié)構(gòu)的平均電流密度與最深的臺階寬度W之間的關(guān)系，由于深臺階部分的導(dǎo)電占主要部分，深臺階的寬度與梳條平均電流密度幾乎呈線性關(guān)系。

在一種具體實(shí)施方案中，相鄰所述陰極梳條結(jié)構(gòu)20的最低層臺階的寬度線性減少。

當(dāng)然，本發(fā)明對相鄰的陰極梳條結(jié)構(gòu)20的最低層臺階的寬度差的具體數(shù)值不做具體限定，只要有利于關(guān)斷過程中，電流再分布不至于增加芯片邊緣的損耗功率造成失效即可。

除了使用在陰極梳條結(jié)構(gòu)20中設(shè)置具有至少兩層臺階的門陰極結(jié)21，還可以采用減少相鄰的陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極面積來控制穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流密度分布，從而使得關(guān)斷時(shí)削弱或避免由于關(guān)斷先后造成的電流往芯片邊緣集中的現(xiàn)象，避免造成芯片邊緣失效。即相鄰所述陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極面積隨著與所述門極電極10的間距增加而減少。

當(dāng)然，僅通過減少相鄰的陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極面積可以達(dá)到控制穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流密度的目的，但是一般為了加強(qiáng)對電流密度分布的控制，會結(jié)合在陰極梳條結(jié)構(gòu)20中設(shè)置具有至少兩層臺階的門陰極結(jié)21來獲得更好的控制效果。

在本發(fā)明中，由于分布在門極附近的陰極梳條結(jié)構(gòu)20是圍繞門極設(shè)置，組成一圈圈的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。隨著與門極的間距的增加，而減少陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極面積，減少了穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流密度分布，使得關(guān)斷時(shí)減少或避免了電流向芯片邊緣集中，減少了芯片邊緣失效的可能，提高了芯片的可靠性。

由于距離門極的距離越遠(yuǎn)，陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極寬度越小，這包括兩種情況。一種是所述陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極寬度恒定，即雖然不同的陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極寬度隨著與門極的間距的增加而減少，但是在同一陰極梳條結(jié)構(gòu)20中，其陰極寬度是定值，由于陰極梳條結(jié)構(gòu)20一般為長條狀，因此在一種具體實(shí)施方式中，所述陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極形狀為矩形，本發(fā)明對陰極的寬度值以及長度值不做具體限定。

而在另一中情況是，不同的陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極寬度隨著與門極的間距的增加而減少，同時(shí)在同一陰極梳條結(jié)構(gòu)20中，其陰極寬度也隨著與門極的距離的增加而減少，即所述陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極寬度隨著與所述門極電極10的間距增加而減少。

同一陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極寬度的減小的規(guī)律，也可以是所述陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極寬度隨著與所述門極電極10的間距增加而線性減少，也可以是非線性減少，由于采用線性減少的方式，陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極形狀容易確定，加工工藝難度低，其電流密度的減少容易控制，因此一般選擇線性減少。

優(yōu)選的，所述陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極形狀為等腰梯形。

需要指出的是，在本發(fā)明中陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極寬度方向是與芯片的徑向方向垂直的方向，本發(fā)明對陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極寬度與門極之間的間距的關(guān)系不做具體限定。

在本發(fā)明中，除了采用上述的方式之外，陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極形狀還可以是類似扇形等形狀，只要滿足上述的條件即可，如滿足相鄰所述陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極面積隨著與所述門極電極10的間距增加而減少，或者是滿足陰極梳條結(jié)構(gòu)20的陰極寬度隨著與所述門極電極10的間距增加而減少。

本發(fā)明對所述陰極梳條結(jié)構(gòu)的陰極的形狀不做具體限定。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的集成門極換流晶閘管，通過在陰極梳條結(jié)構(gòu)設(shè)置至少兩層臺階的門陰極結(jié)，門陰極結(jié)的最低層臺階設(shè)置在陰極梳條結(jié)構(gòu)的P區(qū)內(nèi)形成深臺階，并且最低層臺階的寬度隨著與門極電極的間距增加而減少，使得穩(wěn)態(tài)時(shí)電流密度分布滿足離門極越近電流密度越大，關(guān)斷時(shí)電流快速從距離門極近的梳條抽取出去，減少關(guān)斷延遲從而轉(zhuǎn)移到邊緣梳條的電流，避免了關(guān)斷過程中損耗集中于邊緣梳條，提高了可靠性。

以上對本發(fā)明所提供的集成門極換流晶閘管進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。