專利名稱：高阻斷電壓和較薄器件厚度的可關(guān)斷晶閘管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。本發(fā)明以可關(guān)斷晶閘管(CateTurn Off Thyristor GTO門控可關(guān)斷晶閘管)為基礎(chǔ)。
由大量公開文獻(xiàn)人們已熟悉這種類型的GTO。這里涉及一種典型的GTO，例如在歐洲專利文獻(xiàn)EP-B1-0159797中所述的那種GTO。在陽極一側(cè)和陰極一側(cè)主平面之間這種可關(guān)斷晶閘管從陽極開始包括一個(gè)P+摻雜的陽極發(fā)射區(qū)、一個(gè)n-基區(qū)、一個(gè)P-基區(qū)和一個(gè)n+摻雜的陰極區(qū)。由陰極區(qū)的接觸區(qū)引出陰極，由P-基區(qū)的接觸區(qū)引出控制板，用此電極啟動(dòng)和關(guān)斷此器件。
為了改進(jìn)GTO的電學(xué)特性，可以在陽極發(fā)射區(qū)設(shè)置陽極短路區(qū)。例如在歐洲專利文獻(xiàn)EP-A1-0327901中敘述了這種技術(shù)措施。
當(dāng)今這些GTO在大功率領(lǐng)域是新型變換器驅(qū)動(dòng)裝置的主要組成部件。此種器件及其在電路和控制方面的技術(shù)都已達(dá)到很高水平。各廠家在這方面都以一種相同的GTO基本方案為基礎(chǔ)在最大允許阻斷電壓下陽極前的耗盡區(qū)進(jìn)入n-基區(qū)的準(zhǔn)中性非耗盡區(qū)約100μm至200μm。這種結(jié)構(gòu)英文專業(yè)術(shù)語一般表示為“non-punchthrough(非穿通)”方案(NPT-方案，NPT-GTO)。所以實(shí)際上阻斷電壓為4.5KV的器件需要基片厚度約800μm。這樣的厚度使各廠家以很小的差別都達(dá)到最高開關(guān)頻率300Hz至500Hz。這種頻率的絕對高度由附帶產(chǎn)生的開關(guān)損耗和冷卻散熱的物理限制所決定。
然而由于種種原因，用戶傾向于使用更高的開關(guān)頻率。原因之一是要求在供電網(wǎng)中減少高次諧波，NPT-方案已被充分利用，因而不可能期望對已達(dá)到的開關(guān)頻率再有重大改進(jìn)。
然而，如果在陽極一側(cè)引入一個(gè)抑止層，那么就有可能使用低本底摻雜的基片。在這種結(jié)構(gòu)中，在關(guān)斷過程中，電荷在電場的作用下排出器件之外。因此與非穿通方案(NPT)相反，人們稱這種結(jié)構(gòu)為穿通方案(PT)。此方案在一個(gè)有關(guān)SiTh(StaticInduction Thyristor靜態(tài)感應(yīng)晶閘管)的美國專利US.5,001,535中已有論述。但是如果在這樣一種PT方案中再引入有良好作用的陽極短路區(qū)，那么由于高摻雜的抑止層的作用這些短路區(qū)特別有效。于是低值導(dǎo)通和可靠的觸發(fā)只有當(dāng)陽極短路區(qū)面積所占比例在1％至3％時(shí)才有可能。但是實(shí)驗(yàn)表明，在此情況下關(guān)斷損耗上升到了一種不可接受的高度。就提高開關(guān)頻率而言，這種方案也沒有什么可稱謂的。這也就是為什么沒有生產(chǎn)廠家把這種穿通方案的GTO開發(fā)成批量生產(chǎn)。
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種GTO，可以提高開關(guān)頻率而不增加開關(guān)損耗，同時(shí)可以減薄其基片厚度。
本發(fā)明的核心是，設(shè)計(jì)一種透明的、中間有陽極短路區(qū)的陽極發(fā)射區(qū)和一個(gè)抑止層的組合。
在小功率器件上已經(jīng)使用了透明發(fā)射區(qū)，如光電池、二極管或者晶體管(見例如IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.ED-26，NO.6，June 1979，第959-965頁)。簡言之，透明陽極發(fā)射區(qū)可以理解為注入比較弱的陽極一側(cè)的發(fā)射區(qū)。然而對此卻可以把陰極一側(cè)大部分電子流無復(fù)合地抽出，也就是抽出時(shí)不導(dǎo)致空穴的注入。
通常的技術(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，有透明發(fā)射區(qū)的PT GTO，由于其透明性，觸發(fā)靈敏度很低，與此相反，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，經(jīng)深入的模擬和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，透明發(fā)射區(qū)中陽極短路區(qū)與抑止層的組合導(dǎo)致出人意料的良好結(jié)果。與最初的估計(jì)相反，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一個(gè)透明的發(fā)射區(qū)在低電流密度范圍內(nèi)，在觸發(fā)時(shí)，也能提供基本上與常規(guī)發(fā)射區(qū)同樣高的注入效率。
這里的原因在于GTO的觸發(fā)條件由晶閘管的理論可知，器件的觸發(fā)條件主要由各分晶體管的電流放大系數(shù)之和所決定。由于電流放大系數(shù)對陽極電流密度的依賴關(guān)系，電流放大系數(shù)不是常數(shù)。對于常規(guī)的商品NPT GTO而言，電流放大系數(shù)之和與陽極電流密度的關(guān)系顯示出一種接近恒定的分布與明顯的觸發(fā)閾值。從此閾值開始，電流放大系數(shù)之和迅速增大。例如此閾值出現(xiàn)在大約0.07A/cm2。然而一個(gè)具有透明陽極發(fā)射區(qū)的GTO卻顯示出另一種特性電流放大系數(shù)之和基本上隨陽極電流密度的增大而線性增大。觸發(fā)閾值無關(guān)緊要。因此，在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)了問題，因?yàn)橹挥忻黠@的閾值才能保證在整個(gè)橫截面上均勻的啟動(dòng)。
只有引入了發(fā)射極短路區(qū)之后才重新出現(xiàn)明顯的觸發(fā)閾值。這一點(diǎn)可以用大量的模擬和實(shí)驗(yàn)予以證實(shí)。
因此只有當(dāng)使用本發(fā)明的透明的、中間有陽極短路區(qū)的發(fā)射區(qū)與抑止層的組合時(shí)才能達(dá)到所希望的特性。
在當(dāng)前技術(shù)中陽極短路區(qū)的應(yīng)用在于調(diào)整發(fā)射區(qū)的效率，與此相反，按照本發(fā)明，陽極短路區(qū)用于確定清晰的觸發(fā)閾值，而發(fā)射區(qū)的效率卻是由其透明度控制的。
一個(gè)優(yōu)先采用的實(shí)施例的特征在于，抑止層的深度約20μm到40μm，邊緣-摻雜濃度約7*1014cm-3。此外，抑止層既可以用向基片內(nèi)擴(kuò)散的方法、也可以用外延方法制造。
一個(gè)具有兩個(gè)摻雜濃度梯級的外延生長的抑止層具有特殊的優(yōu)越性。在直接與陽極發(fā)射區(qū)相連接的區(qū)域有較低的摻雜濃度。用這種方法能夠保證陽極短路區(qū)在抑止層獲得很低的橫向電導(dǎo)。
陽極短路區(qū)優(yōu)先使用較小的約5μm到10μm的橫截面。由此得到最佳觸發(fā)電流約300mA。
在相應(yīng)的從屬權(quán)利要求中給出了其它實(shí)施例。
下面借助附圖中的實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。


圖1本發(fā)明晶閘管局部剖面圖，圖2a-c抑止層中摻雜分布的三個(gè)實(shí)例，在圖中所使用的符號及其意義集中列在了符號表中。圖中原則上相同的部分用相同的符號表示。
圖1示出本發(fā)明GTO的局部剖面圖。一般P-摻雜區(qū)用從右上方向左下方劃出的雙線，n-摻雜區(qū)用從左上方向右下方劃出的單線陰影區(qū)表示。陰影區(qū)斜線的密度與摻雜濃度有關(guān)，摻雜濃度較高的區(qū)域有較高的線條密度。金屬化區(qū)域用密集的從右上方向左下方的斜線陰影表示。
本發(fā)明的GTO包括介于第一個(gè)主平面1和第二個(gè)主平面2之間的幾個(gè)不同摻雜的半導(dǎo)體層6-9。從第二個(gè)主平面2看這些半導(dǎo)體層是P+摻雜的陽極發(fā)射區(qū)6，n摻雜的n-基區(qū)7，P摻雜的P-基區(qū)8和n+摻雜的陰極發(fā)射區(qū)9。陽極發(fā)射區(qū)6由陽極金屬化區(qū)制成電接觸并引出陽極電極3；陰極發(fā)射區(qū)9由金屬化區(qū)制成相應(yīng)的陰極電極4。陰極發(fā)射區(qū)9進(jìn)入P-基區(qū)8，從而導(dǎo)致P-基區(qū)8部分地出現(xiàn)在第一主平面1處。在此處P-基區(qū)8由相應(yīng)的金屬化區(qū)引出控制電極5。借助在控制電極5上所加的控制電壓可以開關(guān)通過GTO的電流。這種結(jié)構(gòu)是大家十分熟知的，無需進(jìn)一步說明。
按照本發(fā)明陽極發(fā)射區(qū)6是透明的，就是說它具有比較弱的注入，即來自陰極的電子流的大部分能夠無復(fù)合地并且從而在不引起空穴注入的情況下被抽出。這一點(diǎn)是這樣實(shí)現(xiàn)的，即陽極發(fā)射區(qū)6摻雜的濃度比較低且厚度比較薄。例如在本發(fā)明的范圍內(nèi)優(yōu)先采用的深度大約為1.2μm和摻雜濃度為1018cm-3。
在此透明陽極發(fā)射區(qū)6前面設(shè)置了一個(gè)抑止層11。此抑止層11比n-基區(qū)7有較高的摻雜濃度，以至陽極一側(cè)的電場限制在抑止層11內(nèi)。抑止層11優(yōu)先采用的深度約為20μm至40μm，摻雜邊緣濃度約為7*1014cm-3。此外，透明發(fā)射區(qū)中間夾有陽極短路區(qū)10。短路區(qū)的摻雜濃度比抑止層11更高。陽極短路區(qū)10用于調(diào)整器件使其出現(xiàn)明顯的觸發(fā)閾值。
于是透明發(fā)射區(qū)、陽極短路區(qū)和抑制層的組合使實(shí)現(xiàn)所要求的特性諸如較高的開關(guān)頻率、較薄的基片和不增加開關(guān)損耗成為可能。
為了使觸發(fā)電流不致于變得太大，按照本發(fā)明，陽極短路區(qū)10只有較小的直徑。優(yōu)先采用的直徑介于5μm和10μm之間。可以用兩種方法制造抑止層或者用擴(kuò)散方法，或者用外延方法。外延方法制造的抑止層呈現(xiàn)出另外的優(yōu)點(diǎn)。用擴(kuò)散方法制造的抑止層中雜質(zhì)分布接近高斯曲線(見圖2a)。外延方法制造的抑止層中雜質(zhì)在整個(gè)層中均勻分布。所以摻雜濃度可以比擴(kuò)散的分布能更精確調(diào)整(見圖2b和2c)。因此可以減小抑止層的深度和基片的厚度，因?yàn)橛捎诰鶆驌诫s抑止層中的電荷可以更有效地用于限制陽極一側(cè)的電場。
但是也可以制造多級摻雜分布的抑止層。特別是當(dāng)與陽極發(fā)射區(qū)6相鄰的摻雜梯級13比離此更遠(yuǎn)的摻雜梯級12有更低的摻雜濃度時(shí)陽極短路區(qū)10可以使用更大的直徑。因此短路區(qū)可以更容易制造。盡管如此還能保證陽極短路區(qū)在直接相鄰的較低摻雜梯級13中獲得足夠低的抑止層11的橫向電導(dǎo)。在抑止層11中電場的降低由較高摻雜梯級12承擔(dān)。
較高摻雜梯級12優(yōu)先采用的摻雜濃度約為1015cm-3和深度約為10μm。梯級13選擇的摻雜濃度低于1014cm-3和深度約為10μm。
這種多級抑止層11還提供另外一種優(yōu)點(diǎn)較高摻雜梯級12對小的電勢起伏有衰減作用，這種起伏是由陽極短路區(qū)10的存在所決定的，并且在短路區(qū)內(nèi)導(dǎo)致明顯的等離子體調(diào)制。這種多級結(jié)構(gòu)的另一種優(yōu)點(diǎn)是摻雜梯級12的摻雜濃度1015cm-3與其深度約10μm能夠保證很強(qiáng)的電場也能在其中降低直至消失。在用當(dāng)前技術(shù)制造的GTO中要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)只有通過提高抑止層中的電荷密度從而帶來與此相聯(lián)系的對觸發(fā)特性或?qū)ㄌ匦缘牟焕绊懖庞锌赡?。沒有如上所述的對抑止層的匹配很可能在加上最大阻斷電壓時(shí)或者甚至在加最大阻斷電壓之前就對“穿通”造成危險(xiǎn)。
總之可以說，按照本發(fā)明采用抑止層、陽極短路區(qū)和透明發(fā)射區(qū)的組合可以制成一種GTO，這種GTO可以在更高的開關(guān)頻率下工作，具有較薄的基片而且不增加其導(dǎo)通損耗。如上所述，經(jīng)改變抑止層的深度和其摻雜濃度還能獲得其它的一些優(yōu)良性能。
符號表1 第一主平面2 第二主平面3 陽極電極4 陰極電極5 控制極電極6 陽極發(fā)射區(qū)7 n-基區(qū)8 P-基區(qū)9 陰極發(fā)射區(qū)10 陽極短路區(qū)11 抑止層12 第一摻雜梯級13 第二摻雜梯級I 摻雜濃度d 距第二主平面的距離
權(quán)利要求
1.可關(guān)斷晶閘管包括a)在第一個(gè)主平面(1)和第二個(gè)主平面(2)之間有一定數(shù)量不同摻雜的半導(dǎo)體層(6-9)；b)在第二主平面(2)上有陽極電極(3)以及在第一主平面(1)上有陰極電極(4)和控制電極(5)；其中c)從第二個(gè)主平面(2)看，半導(dǎo)體層(6-9)包括一個(gè)P+摻雜的陽極發(fā)射區(qū)(6)、一個(gè)n摻雜的n-基區(qū)(7)和一個(gè)P摻雜的P-基區(qū)(8)，其中陽極發(fā)射區(qū)(6)與陽極電極(3)電接觸，P-基區(qū)(8)與控制電極(5)電接觸，并且讓n+摻雜的陰極發(fā)射區(qū)(9)進(jìn)入P-基區(qū)(8)且陰極發(fā)射區(qū)(9)與陰極電極(4)電接觸；其特征在于d)陽極發(fā)射區(qū)(6)制成透明發(fā)射區(qū)，e)陽極發(fā)射區(qū)(6)夾雜著n+摻雜的陽極短路區(qū)(10)，并且f)在n-基區(qū)(7)與陽極發(fā)射區(qū)(6)之間設(shè)置一個(gè)n摻雜的抑止層(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶閘管，其特征在于抑止層(11)是擴(kuò)散制成的，特別是深度約為20μm至40μm和邊緣濃度約為7*1014cm-3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶閘管，其特征在于抑止層(11)是外延制成的，特別是深度約為20μm至40μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶閘管，其特征在于抑止層(11)具有均勻的摻雜分布，特別是其摻雜濃度約為3*1014cm-3。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述晶閘管，其特征在于抑止層(11)的摻雜分布有兩個(gè)濃度梯級，其中第一個(gè)、遠(yuǎn)離第二個(gè)主平面的濃度梯級(12)摻雜濃度較高，特別是其摻雜濃度約為1015cm-3和深度約為10μm，第二個(gè)、直接與第二主平面(2)相鄰的梯級(13)摻雜濃度較低，特別是其摻雜濃度約低于1014cm-3和深度約為10μm。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述晶閘管，其特征在于透明發(fā)射區(qū)(6)深度約為1.2μm，摻雜濃度約為1018cm-3。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的晶閘管，其特征在于陽極短路區(qū)(10)具有小的直徑，特別是直徑為5μm至10μm。
全文摘要
本發(fā)明提出一種GTO，此種GTO從陽極一側(cè)主平面(2)起包括一個(gè)陽極發(fā)射區(qū)(6)、一個(gè)抑止層(11)、一個(gè)n-基區(qū)(7)、一個(gè)P-基區(qū)(8)和一個(gè)陰極發(fā)射區(qū)(9)。陽極發(fā)射區(qū)(6)制成透明發(fā)射區(qū)并且具有陽極短路區(qū)(10)。借助抑止層、透明陽極發(fā)射區(qū)和陽極短路區(qū)的組合得到一種GTO，它可以在較高的開關(guān)頻率下工作，其基片厚度可以減小而其開關(guān)損耗并不增加。
文檔編號H01L29/744GK1128904SQ9511682
公開日1996年8月14日 申請日期1995年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月2日
發(fā)明者F·鮑爾, S·艾興爾 申請人:Abb管理有限公司