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@https://www.doczj.com/doc/ce10600287.html,
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
(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(U F )，缩短关断时间(t off )，获得较好的U F ～t off 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z ox 表示薄氧化层的厚度，w ox 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U AK 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
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V be(pnp2)可表示为：V be(pnp2)= V be(pnp1)+ R A I A(pnp1)。
当IEC-GCT的阳-阴极间刚开始加上正向电压U AK时，阳极电流I A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R A上的压降增加，使得V be(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R A的大小有关。R A越大，则注入效率随阳极电流的变化就越大。R A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C pS 在1×1018~2×1919cm-3之间变化，覆盖在p+阳极区的氧化层宽度w ox在0~75μm之间变化，厚度z ox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
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J A 较小时，与GTO的相近；当电流密度J A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给出了IEC-GCT与SA-GTO和GTO阻断期间的I-V特性比较。由图可见，IEC-GCT的阻断电压与GTO完全相同，并且比SA-GTO小约100V。这是因为IEC-GCT中存在IE效应，使得其阳极pnp晶体管的电流增益与GTO相近，且高于SA-GTO。由于阻断电压随其阳极pnp晶体管的电流增益αpnp增加而下降，所以，IEC-GCT的阻断电压比SA-GTO的稍低。
4.3开通特性
图6给出了IEC-GCT、GCT分别与SA-GTO和GTO开通期间的阳极注入效率随阳极电流密度J A变化曲线的比较。由6(a)可见，IEC-GCT的空穴注入效率γp(≈J p/J A)随J A(=J p+J n)的增加而降低；电子注入效率γn(≈J n/J A)随J A的增加而升高。并且，当J A<140A/cm2, GTO的γp最高，且γp→1；SA-GTO的γp最低；IEC-GCT 的γp则介于两者之间，对应的γn正好相反。当J A>140A/cm2时，IEC-GCT的γp随J A增加下降。这是因为GTO的p+阳极区浓度远高于其n-基区浓度，导致J p>>J n, 故γp→1, γn→0。SA-GTO的n+短路区使其J n增加，并满足J p<
图4 IEC-GCT与SA-GTO和GTO器件导通特性的比较
图5 IEC-GCT与SA-GTO和GTO器件阻断特性的比较
(a) IEC-GCT与SA-GTO和GTO
比较
(b) GCT与SA-GTO和GTO比较
图6 开通期间阳极注入效率随阳极电流密度变化比较
由图6(b)可见，GCT的阳极注入效率也随阳极电流密度而变化。这表明IEC-GCT与GCT的阳极注入效率都随J A的增加而变化。在低J A下，γp高，有助于开通；在较高的J A下，γn很高，有助于关断。
图7给出了相同门极驱动条件下器件开通时的阳极电压和阳极电流随时间变化波形的比较。由图7(a)可见，IEC-GCT的开通比SA-GTO快，但比GTO慢。这是因为IEC-GCT在低电流密度下的γp比SA-GTO的高，但低于GTO的γp。由图7(b)可见，GCT的开通特性也介于SA-GTO和GTO之间。
4.4 关断特性
图8给出了IEC-GCT和传统GCT在关断期间电子矢量分布的比较。由图8(a)可见，导通期间存贮在n-基区的大量非平衡载流子在器件关断时必须消失。由于IEC-GCT的阳极处存在氧化层，电子不能直接从n+浮置区流出，所以，在外加正向电压下，一部分电子积累在靠近氧化层n+浮置区内，一部分电子与阳极注入的空穴复合消失，从而使器件快速关断。由图8(b)可见，由于透明阳极区的厚度较薄，关断时n-基区的电子可直接穿过透明阳极到达阳极欧姆接触，使器件快速关断。所以IEC-GCT和传统GCT关断机理不同。
图9给出了相同门极条件下IEC-GCT和传统GCT关断时器件中阳极电压和阳极电流随时间变化波形的比较。由图9(a)可见，IEC-GCT的阳极电压和电流随时间变化比GTO快，但比SA-GTO慢。这是因为，SA-GTO在关断时，n+短路区为电子提供了一个低阻通路，导致关断速度很快。GTO在关断时n-基区的电子无法穿过p+阳极区，只能通过与n-基区中的空穴复合来消失，并且高电流密度下γp较高，不利于关断。IEC-GCT关断时，n-基区的电子在关断时除了空穴复合外，还可在外加正向电压作用下，积累在氧化层附近在n+浮置区内。并且高电流密度下IEC-GCT的γp 比GTO的低，有利于关断。由图9(b)可知，GCT的关断特性也介于SA-GTO和GTO之间。
上述特性分析和比较可知，IEC-GCT具有与传统GCT相似的优良特性。特别在中低压的范围内，用IEC-GCT替代传统GCT结构，不仅可以保证器件的优良特性，而且在工艺实现上比GCT有更强操作性。但如果耐压很高时，随着IEC-GCT的片厚增加，会导致通态压降增加。所以，IEC-GCT器件合适替代4500V 以下的GCT器件和SA-GTO器件。
(a) IEC-GCT与SA-GTO和GTO的比较
(b) GCT与SA-GTO和GTO的比较
图7 开通期间阳极电流和电压随时间变化波形的比较
(a)IEC-GCT中电子矢量分布
(b) 传统GCT中电子矢量分布
图8 IEC-GCT与传统GCT在关断期间的电子矢量
分布比较
5 工艺实现
IEC-GCT结构与阳极短路GTO相似，只是阳极结构有所不同。所以，IEC-GCT前道工艺完全与阳极短路GTO的相同。制作阳极欧姆接触时，为了保证IEC-GCT阳极附加氧化层的有效性和可靠性，不能采用常规的功率器件的键合和封装方法。需借助类似功率晶体管的多层金属化电极制作技术[10]。上粘附层选择Ti膜，因为Ti与Si/ SiO2浸润性好、粘接力强、热膨胀系数与Si相近, 且与Si的欧姆接触系数小。下粘附层在芯片最外层, 选用性能稳定、不易氧化、容易焊接且具有良好的导电和导热性能的金属Ag。由于Ni的热膨胀系数介于Ti和Ag之间, 且热匹配性能良好，所以，中间阻挡层选择Ni膜，防止焊料直接与上粘附层接触, 以阻挡上、下粘附层之间的相互扩散。
IEC-GCT结构与现有GCT结构相比，制造工艺中避免了缓冲层和透明阳极的制作，只要采用与阳极短路GTO相似的前道工艺和与功率晶体管相似的后道工艺即可实现。可见，IEC-GCT的制造工艺难度和成本大大降低，对工艺设备的要求也相应降低。6结论
本文分析了传统GCT结构的工作机理和特点, 提出一种注入效率可控的GCT结构，对新结构的工作机理和各项性能进行了模拟，并对制作工艺进行了分析。结果表明，IEC-GCT不仅具有与传统GCT器件相似的静态和动态性能，而且工艺难度大大降低，适合在国内传统的工艺条件下开发。因此，用IEC-GCT来代替传统GCT和SA-GTO可望更好地满足于中功率领域的应用。
参考文献
[1] S. Eicher, S. Bernet, P. Steimer, A. Weber (ABB), “The 10
kV IGCT – A New Device for Medium V oltage Drives”, IEEE-IAS[C], Rome, 2000
[2] Nando Kaminski, Thomas Stiasny. Failure Rates of IGCTs
Due to Cosmic Rays. Application Note [R], ABB Switzerland Ltd, Semiconductors. July 2005
[3] Stefan Linder, Sven Klaka, Mark Frecker, etc. A New
Range of Reverse Conducting Gate-Commutated Thyristors for High-V oltage, Medium Power Applications.
Conference Proceedings of EPE[C], Trondheim, 1997 [4] Harold M. Stillman. IGCTs - megawatt power switches for
medium-voltage applications. ABB Review [J], No.3, 1997 [5] Ajit K. Chattopadhyay. High Power High Performance
Industrial AC Drives -A Technology Review.IEEE-IAS Distinguished Lecturer [R], 2003
[6] 王彩琳，高勇等. 门极换流晶闸管透明阳极的机理与特
性分析. 物理学报. 2005，V ol.54, No.5, P2296-2301 [7] Wang Cailin，Gao Yong “Analysis of Current Transport
Mechanism and Optimal Design of Transparent Anode in Gate Commutated Thyristor”，Power Electronics Specialists Conference[C],June,12-16, 2005, Brazil, PESC’05，pp.519-522
[8] 王彩琳，高勇等. 门极换流晶闸管(GCT)击穿机理的研
究. 电子器件[J]. 2008, V ol.31, No.2.pp449~452
[9] Avant, MEDICI Two-Dimensional Device Simulation
Program, Version4.0 User’s Manual[M], 2000
[10] 唐晓颖，叶婵，宫艳娟. 功率半导体器件芯片双面多
层金属化技术及应用，森林工程，2003, V ol.119, No.14
作者简介：
王彩琳，女，博士，副教授，目前在西安理工大学任教。研究方向为新型电力半导体器件与功率集成电路。
(a)IEC-GCT与SA-GTO和GTO的比较
(b)GCT与SA-GTO和GTO的比较
图9 关断期间阳极电流和电压随时间变化波形比较