一种门极换流晶闸管芯片及晶闸管

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种门极换流晶闸管芯片及晶闸管。

背景技术

IGCT（集成门极换流晶闸管）作为一种全控型功率半导体器件，因其功率容量大、通态损耗低、短路失效模式牢靠等特点，在电网领域具有广泛的应用前景。IGCT器件作为功率装置的核心器件，门极换流晶闸管又称GCT，其中GCT芯片的损耗特性与功率装置的能源传输效率息息相关。

现有沟槽型GCT芯片纵向上的主要结构包含PNPN四区，如图1所示。根据掺杂的轻重程度，又可细分为P

对于沟槽型GCT，如图1所示，其沟槽结构一方面可形成空隙进行门阴极隔离，其次沟槽深度可以控制GCT芯片中包含的npn等效晶体管电流增益α2、另pnp等效晶体管电流增益为α1的大小，进而优化GCT芯片的损耗特性及关断能力。其次，对于现有HPT（高功率技术，high power technology）型GCT结构，如图2所示，在波形高度一定的情况下，为提升关断能力必须提升主结结深设计以降低阴极梳条下方的npn等效晶体管电流增益α2，将导致GCT单晶规格片厚增加，造成器件关断与通态损耗提升，尤其是GCT逆阻型。另一方面，现有HPT技术仅利用横向电场快速抽取阴极梳条下方区域的空穴载流子，但是提升了该区域阴极电子发射效率，故对GCT提升关断电流能力作用有限。综上所述，现有HPT GCT损耗调控总存在开通损耗与关断损耗难折中设计矛盾，其次关断能力提升有限。因此，提出了一种波浪形GCT芯片结构方案，实现提升关断能力，并同时降低开通损耗与关断损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种门极换流晶闸管芯片及晶闸管，提升关断能力的同时，降低开通损耗与关断损耗。

本发明提供的一种门极换流晶闸管芯片，包括：阴极金属层、位于阴极金属层两侧的门极金属层、与所述阴极金属层相对的阳极金属层、以及形成于阴极金属层与阳极金属层之间的半导体衬底；

所述半导体衬底包括五层区结构或六层区结构，且每结构区具有不同的导电类型；

所述五层区结构包括：与阴极金属层接触的N

所述六层区结构包括：与阴极金属层接触的N

所述P基区具有凸出结构，所述N

可选地，所述N

可选地，所述N

可选地，所述P

可选地，所述P基区的掺杂浓度为1E13cm

可选地，P型阳极发射区的掺杂浓度为1E13cm

可选地，N′缓冲层的掺杂浓度为1E12cm

可选地，所述P

一种晶闸管，包括所述的门极换流晶闸管芯片。

可选地，晶闸管包括所述门极换流晶闸管芯片和快恢复二极管芯片，所述门极换流晶闸管芯片与快恢复二极管芯片通过NPN隔离结构反并联形成晶闸管。

本发明的有益效果是，本发明提供的门极换流晶闸管芯片，将P基区分区设计形成“凹”形波纹主结，将阴极梳条下方的P基区的结深及浓度升高，降低该部分对应等效的npn晶体管的电流增益α

附图说明

图1为现有沟槽型GCT芯片的结构示意图；

图2为现有HPT型GCT芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的逆阻型GCT芯片的结构示意图一；

图4为本发明实施例提供的平面逆阻型GCT芯片的结构示意图二；

图5为本发明实施例提供的平面非对称型GCT芯片的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的非对称型GCT芯片的结构示意图一；

图7为本发明实施例提供的非对称型GCT芯片的结构示意图二；

图8为本发明实施例提供的逆导型GCT芯片的结构示意图。

图中：1、N

具体实施方式

如图3-8所示，本发明实施例提供了一种门极换流晶闸管芯片，包括：阴极金属层8、位于阴极金属层8两侧的门极金属层10、与所述阴极金属层8相对的阳极金属层9、以及形成于阴极金属层8与阳极金属层9之间的半导体衬底；半导体衬底包括五层区结构或六层区结构，且每一层结构区具有不同的导电类型；

五层区结构包括：与阴极金属层8接触的N

六层区结构包括：与阴极金属层8接触的N

P基区3具有凸出结构，N

与现有技术相比，本发明提供的门极换流晶闸管芯片，将P基区3分区设计形成“凹”形波纹主结，将阴极梳条下方的P基区3的结深及浓度升高，降低该部分对应等效的npn晶体管的电流增益α

相比同等级的标准型GCT，本发明提出的波浪形GCT，仿真其关断能力提升20%以上。在同样通态损耗设计结构，其损耗降低了10%以上。因此，可较好提升关断能力的同时，方便折中设计器件的关断与通态损耗。

实施例一

将本发明应用在逆阻型门极换流晶闸管上，如图3和图4所示；

逆阻型GCT芯片结构从上之下依次为N

阻断状态：当阳-阴极间（P

触发（开通）过程：触发前，器件处于阻断状态，即J2结12、J3结13处于反偏阻断状态。对芯片的门-阴极（J3结13）施加正偏电压并且门极正向脉冲电流幅值（I

通态状态：GCT开通后即进入导通状态，器件表现为晶闸管特性。由于“擎住”效应，此时即使撤去门极电流，GCT仍能维持正向导通。同时，由于N基区与P基区双极性载流子产生的电导调制效应，使GCT具有通态压降低、通流能力强的优点。

关断过程：对导通中GCT的门-阴极施加-20V偏压使J3结13截止，在J2结12电压上升之前，阴极电流全部切换至门极（即硬关断），GCT进入基极开路的PNP管工作模式。此时，N-基区的过剩电子载流子扩散穿越阳极J1抽走，P基区的过剩空穴载流子则经门极抽取排走，使GCT的阳极电流在极短时间内可靠关断，同时J2结12恢复阻断能力。宏观上表现为GCT开关由低阻状态转变为高阻状态。

N

P

P基区3的掺杂浓度为1E13cm

P基区3的J2结12形状为矩形、梯形、尖锥状或多台阶状等形状，其形状设计决定横向电场强度、电场分布及NPN晶体管电流增益α

N

P型阳极发射区5的掺杂浓度为1E13cm

P

所述P

所述N

所述P

实施例二

将本发明应用在非对称型门极换流晶闸管上，如图5-图7所示；

其中，非对称型GCT芯片（以下称GCT芯片）结构从上至下依次为N+发射区1、P+短基区2、P基区3、N

阻断状态：当阳-阴极间(P

触发（开通）过程：触发前，器件处于阻断状态，即J2结12、J3结13处于反偏阻断状态。对芯片的门-阴极（J3结13）施加正偏电压并且门极正向脉冲电流幅值（I

通态状态：GCT开通后即进入导通状态，器件表现为晶闸管特性。由于“擎住”效应，此时即使撤去门极电流，GCT仍能维持正向导通。同时，由于N基区与P基区双极性载流子产生的电导调制效应，使GCT具有通态压降低、通流能力强的优点。

关断过程：对导通中GCT的门-阴极施加-20V偏压使J3结13截止，在J2结12电压上升之前，阴极电流全部切换至门极（即硬关断），GCT进入基极开路的PNP管工作模式。此时，N-基区的过剩电子载流子扩散穿越透明阳极J1结11（N′缓冲层7与P

GCT芯片的P+短基区2与N+发射区1位于同侧，两者高度差（挖槽深度）为0-30μm，当高度差为0时，为平面型非对称GCT芯片；

N

P

P基区3的掺杂浓度为1E13cm

P基区3的J2结12形状为矩形、梯形、尖锥状或多台阶状等形状，其形状设计决定横向电场强度、电场分布及NPN晶体管电流增益α

N

N′缓冲层7，其掺杂浓度为1E12cm

P

所述P

所述N

所述P

实施例三

将本发明应用在逆导型门极换流晶闸管上，GCT结构与FRD结构通过NPN隔离结构反并联形成如图8所示的结构，FRD为快恢复二极管；本逆导型GCT芯片分五个工作状态：阻断、触发（开通）、通态、关断及反向恢复状态，工作过程如下所述：

阻断状态：当阳-阴极间（P

触发（开通）过程：触发前，器件处于阻断状态，即J2结12、J3结13处于反偏阻断状态。对芯片的门-阴极（J3结13）施加正偏电压并且门极正向脉冲电流幅值（I

通态状态：GCT开通后即进入导通状态，器件表现为晶闸管特性。由于“擎住”效应，此时即使撤去门极电流，GCT仍能维持正向导通。同时，由于N基区与P基区双极性载流子产生的电导调制效应，使GCT具有通态压降低、通流能力强的优点。

关断过程：对导通中GCT的门-阴极施加-20V偏压使J3结13截止，在J2结12电压上升之前，阴极电流全部切换至门极（即硬关断），GCT进入基极开路的PNP管工作模式，FRD已处于阻断状态。此时，N-基区的过剩电子载流子扩散穿越透明阳极J1结11（N′缓冲层7与P

反向恢复状态：GCT芯片FRD结构反向完全导通后，由于“电导调制”现象N-基区4中充满了大量的自由载流子。当FRD结构阳-阴极间（P

其中，GCT芯片结构从上至下依次为N

其中，GCT芯片的P

GCT芯片的N

GCT芯片中FRD结构中的N

GCT芯片的P

GCT芯片中FRD结构中P

GCT芯片的P基区3及FRD芯片的P阳极区15的掺杂浓度为1E13cm

GCT芯片中FRD结构中P阳极区15的掺杂浓度为1E13cm

GCT芯片的P基区3的J2结12形状为矩形、梯形、尖锥状或多台阶状等形状，具体取决于关断能力与通态损耗特性折中设计；其形状设计决定横向电场强度、电场分布及NPN晶体管电流增益α

GCT芯片和FRD芯片的N

N

GCT芯片和FRD芯片的N′缓冲层7，其掺杂浓度为1E12cm

GCT芯片的P

所述P

所述N

所述P

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的保护范围限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入本申请的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。