门极换流晶闸管(GCT)新结构的设计 王彩琳 高 勇 西安理工大学电子工程系，西安 710048 Email：wangcailin@ 摘 要 本文在分析传统 GCT 结构、工作原理及其制作工艺的基础上，提出了一种改进型 GCT 结构借助 MEDICI软件模拟了两种 GCT 结构的阻断、导通及开关特性并对其制作工艺进行了分析比较结果表明，采用新结构不仅可以获得类似于传统 GCT 的优良性能，而且具有类似于阳极短路 GTO 的简单工艺 关键词 电力半导体器件，门极换流晶闸管，注入效率，特性设计，制作工艺 1．引言 集成门极换流晶闸管（IGCT）在门极可关断晶闸管(GTO)器件的基础上开发的一种新型大功率半导体集成器件，其管芯 GCT 是在传统的 GTO 结构中附加了透明阳极、缓冲层及逆导技术，并通过硬驱动来实现其开通和关断这种特殊的结构决定了 IGCT 具有通态压降低、开关速度快，驱动电路简单，安全工作区(SOA)较稳定以及易于并联使用等优点特别是在大功率范围内，没有任何器件可以与其相媲美因而有广阔的应用前景 目前，ABB 公司开发的 IGCT 最高研制水平现已 达 10kV[1]。
研究重点主要集中在应用可靠性方面，探 索 IGCT 在高温、宇宙等恶劣的工作环境下的运行情 况[2]由于国内工艺条件有限，并且 GCT 的制作工艺 复杂，重复性和稳定性很难保证所以，IGCT 的研发 要结合国情，通过对 GCT 器件结构的改进，探索一条 适合在国内开发 GCT 的工艺新途径 本文在分析传统 GCT 结构及特性的基础上，提出了一种新的 GCT 结 构， 它不仅具有 GCT 的所有优点， 并且制造工艺简单， 适合在国内传统的工艺条件下开发 2．传统的 GCT 结构的设计 GCT 是由 GTO 派生而来，但在结构、工作机理和特性方面有许多与 GTO 不同之处首先分析 GCT的结构特点和工作机理，然后讨论设计方法 2.1 传统 GCT 的结构特点 GCT 的基本结构有非对称型和逆导型两种， 如图 1 所示 非对称 型 GCT(A- GCT)是 一个五层 的 p+nn-pn+晶 闸 管 结 构 ， 如 图 1(a) 所 示 逆 导 型 GCT(RC- GCT) [3] 是由一个 A- GCT 与一个 pn-nn+二 极管反并联而成, 如图 1(b)所示 GCT 与 GTO 一样， 也采用来分离并联的多阴极- 门极结构[4]，如图 1(c) 陕西省自然科学基金项目(2007E208)、陕西省教育厅科学研 究计划(08JK379)和西安理工大学博士启动基金项目 所示。
门极和阳极均为公共连接，其矩形指条状阴极 单元按同心环均匀地排列在芯片表面，整个器件相当 于多个小单元的并联 将 A- GCT 与二极管串联后进 行压接式封装，可形成逆阻型 GCT(RB- GCT)[5]，其 反向耐压由二极管来提供 2.2 工作机理 GCT 的正向阻断特性和导通特性与 GTO 完全相同但开通特性和关断特性与 GTO 完全不同GTO 开通时，靠近门极边缘处的 J3结先局部导通，然后导通区再向中心扩展；GCT 开通时依靠强脉冲使 J3结均匀导通，不存在扩展情况GTO 关断时，靠近门极边缘处关断，导通区向中心压缩，最后按pnpn 晶闸管关断其阳极电流只有小部分流经门极电路，大部分从阴极流过；GCT 关断时依靠强脉冲使 J3结先停止注入，然后按 pnp 晶体管关断其阳极电流全部流经门极电路GCT 开关时的强脉冲必(a)非对称型 GCT (b) 逆导型 GCT (c) GCT 门- 阴极发射极图形 图 1 GCT 的基本结构类型 中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会(a) IEC- GCT (b) SA- GTO (c) 传统 GTO 图 2 IEC- GCT，SA- GTO 和传统 GTO 的基本结构及其等效电路比较 须通过“硬驱动”来实现。
2.3 设计考虑 由于 GCT 采用了透明阳极和缓冲层，形成了类 似于非对称型耐压结构所以，GCT 的设计关键点 在于透明阳极和缓冲层的设计 (1) 透明阳极的设计 透明阳极是一个很薄的弱掺杂区，透明阳极是 一个很薄的弱掺杂区，由于电子穿透阳极非常容 易，因此称为透明阳极透明阳极的注入效率与电 流有关，其空穴注入效率随阳极电流密度的增加而下 降，电子注入效率随阳极电流密度的增加而升高[6] 所以，采用透明阳极可以很好地改善 GCT 的开关特 性透明阳极的浓度和厚度的会直接影响电子在其 中的穿透率，设计时要折衷考虑[7] (2) 缓冲层的设计 缓冲层的引入使 GCT用很薄硅片厚度就可承受 较高的阻断电压，同时也降低了通态压降(UF)，缩短 关断时间(toff)，获得较好的 UF～toff折衷关系并且 使 p+nn-pn+与 pnn-n+的组合成为可能但是，由于受 透明阳极低浓度的影响，缓冲层的浓度也较低在 阻断状态下，缓冲层可以压缩 n-基区电场，在导通 状态下，可有效地限制由阳极区注入到 n-基区的载 流子所以，GCT 结构中的缓冲层实质上是一种场 阻止(FS)层[8]。
3．GCT 新结构及其工作机理 通过上述理论分析可知，GCT 中采用透明阳极 和缓冲层，可使 GCT 器件具有优良的开关特性、阻 断特性及通态特性但是，要形成浓度较低的透明 阳极，采用传统的扩散、氧化等工艺是很难实现的， 需要借助于离子注入工艺；同时低浓度的缓冲层需 要长时间的高温推进才能实现，且很难达到浓度和 结深的最佳匹配 为了简化 GCT 的制作工艺，在不影响 GCT 性 能的前提下，可对 GCT 的结构加以改进为此，在 分析 GCT 透明阳极和 GTO 短路阳极特性的基础上， 提出了一种阳极注入效率可控的(IEC)GCT 结构，它 既有透明阳极的特性又有短路阳极的简单工艺 3.1 IEC- GCT 的结构特点 IEC- GCT 的基本结构及其等效电路如图 2(a)所 示为了便于比较，图中还给出了 SA- GTO(如图 2(b)) 和传统 GTO(如图 2(c))的基本结构及其等效电路由 图可见， IEC- GCT 是在 SA- GTO 的阳极 n+短路区处设 置一个很薄的二氧化硅层，使 n+短路区变成一个浮置 区若去掉 IEC- GCT 中附加的阳极氧化层，则除了阳极掺杂浓度有所降低外，其它区域与 SA- GTO 完全相 同，并有完全相同的掺杂浓度和结构尺寸。
图 2(a)中 zox表示薄氧化层的厚度，wox表示覆盖在 p+阳极区上 氧化层的宽度 3.2 工作机理与等效电路 IEC- GCT 工作时，在外加正向电压 UAK下，n-基 区的部分电子向 p+阳极区和 n+浮置区漂移由于 n+浮 置区与阳极电极间存在氧化层，所以电子不能直接被 阳极收集，只能积累在氧化层附近的 n+浮置区，使得 n+浮置区和 n-基区内的电子浓度增加，导致该处的电 位下降为了维持这些区域的电中性，迫使 p+阳极区 向 n-基区和 n+浮置区注入大量的空穴类似于电子注 入增强型栅极晶体管(IEGT)中的电子注入增强效应， 把这个现象称为空穴注入增强(IE)效应IE 效应会使 导通期间器件内的载流子浓度增加，有利于改善器件 的通态特性 由于阳极附加氧化层的存在，使得IEC- GCT的阳极pnp晶体管成为是一个双发射极的晶体管， 由p+阳极中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会区、n-基区和p基区形成了pnp1; p+阳极区、n+浮置区、n-基区和p基区形成了pnp2由图2(a)可见，p+阳极区与n+浮置区和n-基区相邻， 且n+浮置区的掺杂浓度远远高于n-基区的掺杂浓度，所以，宽基区晶体管pnp2的注入效率低于pnp1。
由图2(a)中的等效电路可知，pnp2晶体管的基射极电压Vbe(pnp2)可表示为：Vbe(pnp2)= Vbe(pnp1)+ RAIA(pnp1) 当 IEC- GCT 的阳- 阴极间刚开始加上正向电压 UAK时，阳极电流 IA较低，主要流过 pnp1晶体管随 着阳极电流的不断增加， 阳极区的电阻 RA上的压降增 加，使得 Vbe(pnp1)下降，导致 pnp1的空穴注入下降，于 是更多的电流流过 pnp2 由于 pnp2和 pnp1的注入效率 不同，因此，IEC- GCT 的阳极注入效率将会随阳极电 流而变化在小电流下，阳极注入效率由 pnp1晶体管 的参数决定，其值较大；在大电流下，阳极注入效率 由 pnp2晶体管的参数决定，其值变小并且阳极注入 效率随阳极电流的变化程度与阳极区电阻 RA的大小 有关 RA越大， 则注入效率随阳极电流的变化就越大 RA与阳极区的掺杂浓度和截面积有关 3.3 IEC- GCT 工艺实现 IEC- GCT结构与SA- GTO结构相似，故IEC- GCT前段工艺与SA- GTO完全相同只是阳极附加氧化层的实现，需借助于功率晶体管中多层金属化的电极制作工艺。
目前，SA- GCT制造工艺已经成熟，所以，IEC- GCT结构可以用传统的工艺方法，避免了GCT中透明阳极与缓冲层的制作在国内工艺条件下完全可以实现 4．IEC-GCT 的特性分析 为了评价IEC- GCT的性能，根据图2(a)建立了IEC- GCT的结构模型，并取阳极表面的掺杂浓度CpS在1×1018~2×1919cm- 3之间变化，覆盖在p+阳极区的氧化层宽度wox在0~75µm之间变化，厚度zox在0.3~2µm之间变化其它区域的结构参数均与SA- GTO相同基于该模型, 利用半导体器件模拟软件MEDICI[9]对IEC- GCT的导通、阻断和开关特性分别进行了模拟，并与SA- GTO和GTO特性进行了比较同时，为了说明IEC- GCT与传统GCT有相似的优良特性，还列出了GCT、SA- GTO及GTO的特性比较进行对比 4.1 通态特性 首先， 对 IEC- GCT 导通期间的载流子分布进行了模拟图 3 给出了导通期间各器件内部的载流子沿阴极中心纵向分布的比较由图可见，靠近阴极侧的 n-(a)IEC- GCT 与 SA- GTO 和 GTO 电子浓度分布比较 (b)IEC- GCT 与 SA- GTO 和 GTO 空穴浓度分布比较 (c) GCT 与 SA- GTO 和 GTO 电子浓度分布比较 (d) GCT 与 SA- GTO 和 GTO 空穴浓度分布比较 图 3 导通状态下沿阴极中心轴向的载流子浓度分布比较 中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会基区的载流子浓度相等，而靠近阳极侧的 n-基区的载流子都浓度差别很大。
比较图 3(a)和 3(b)可知，在靠近阳极 pn 结处， GTO 中电子和空穴的浓度最高(∆线)，SA- GTO 中电子和空穴的浓度最低(○线)； IEC- GCT 中电子和空穴的浓度(□线)介于两者之间，且明显大于SA- GTO 中电子和空穴的浓度， 这说明在 IEC- GCT 中存在空穴 IE 效应 比较图 3(c)和 3(d)可知， GCT 中的载流子浓度分布(□线)也介于 GTO 和 SA- GTO 之间这说明IEC- GCT具有与GCT相似的载流子浓度分布比较图(a)与(c)、图(b)与(d)可知，靠近阳极 pn 结处，GCT 中的载流子浓度比 IRC- GCT 的稍高 图 4 给出了 IEC- GCT 与 SA- GTO 和 GTO 导通期 间的 I- V 特性比较由图可见，IEC- GCT 的导通特性 介于 IEC- GCT 和 SA- GTO 之间，并且当电流密度 JA 较小时，与 GTO 的相近；当电流密度 JA较大时，压 降增加，与 SA- GTO 的相近这说明 IEC- GCT 有比 SA- GTO 更好的通态特性 4.2 阻断特性 图 5 给出。