[发明专利]高压快速晶闸管

说明书

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域。具体涉及一种高压半导体快速晶闸管器件，主要应用于大功率变流电源、串联逆变电源装置。

背景技术

目前，感应加热电源绝大多数采用并联逆变技术，所用半导体器件为快速晶闸管。输入的三相交流电经过整流后经电抗器输出为直流电流，由4只快速晶闸管组成的逆变桥接收控制单元发出的触发信号，将直流电流进行变换，输出高频率的单相交流电流。而现在一种更高效、稳定和输出能力更大的方案是串联逆变技术，典型电路如图7所示。与并联逆变技术不同的是，逆变桥将整流桥输出的直流电压变换为高频交流电压输出。为达到更大功率输出往往需多只高压快速晶闸管串联实现，如图8所示组件，由3只4000V快速晶闸管串联形成单一桥臂，输出电压峰值可达7000V以上。

常规快速晶闸管是一种PNPN四层三端结构器件，通常制造方法是在N型硅处两端直接进行P型扩散，形成对称的PNP结构，然后在阴极端P区进行N型选择性扩散，最终形成PNPN结构，P1阳极区与P2阴极端区的掺杂结深和杂质浓度分布相同，此种结构快速晶闸管器件常规阻断电压在1200V∽2500V，此时通态压降已达到3.2V左右。按此工艺再提高耐压将直接导致通态压降的上升，且动态特性同时恶化，已不具备实用性。

在一些要求满足快开通和高电压阻断的电气系统中，上述结构的晶闸管因耐压太低，而必须多只串联，电压要求越高，串联要求越多，对均压要求及同步开通配对要求更难。

发明内容

本发明的目的就是针对上述不足，提出一种可应用于较高耐压快速大功率半导体开关器件，即高压快速晶闸管。能明显提高器件的耐压，保持原设计晶闸管的开通时间不变，并降低通态压降，从而改善器件的阻断电压水平和通态能力，提高工作可靠性，同时亦可改善特性。

本发明高压快速晶闸管的技术解决方案是：高压快速晶闸管，由管壳下封接件、定位环、半导体芯片、垫片、门极组件、上封接件封装而成，半导体芯片由硅片、钼片烧结而成，硅片包括PNPN三端结构，分为阳极区P1、长基区N1、短基区P2和阴极区N2，半导体芯片三个端子分别为阳极A、阴极K和门极G，其特征在于：在所述的阳极区P1表面增设阳极区P+，使硅片为P⁺PNPN三端结构；所述的阴极区N2为均匀分布有旋转环绕门极G的区域，门极G为与阴极区N2对应的渐开线指条。

本发明技术解决方案中所述的阳极区P1与短基区P2的结深相同。

本发明技术解决方案中所述的阳极区P1结深小于短基区P2结深。

本发明技术解决方案中所述的旋转环绕门极G为圆弧形渐开线区域，渐开线指条为对应的圆弧形渐开线指条。

本发明技术解决方案中所述的旋转环绕门极G为分段渐开线区域，渐开线指条为对应的分段渐开线指条。

本发明技术解决方案中所述的旋转环绕门极G的渐开线指条为4∽6条。

本发明技术解决方案中所述的半导体芯片台面正斜角磨负度大小为：20o≤θ1≤60o，负斜角磨角角度θ2大小为：1.5o≤θ2≤5o。

本发明技术解决方案中所述的硅片厚度为500-950μm，其中阳极区P+表面杂质浓度2∽9×10²⁰/cm³，阳极区P1、短基区P2表面杂质浓度为2∽8×10¹⁷/cm³，阴极区N2表面杂质浓度为3∽9×10²⁰/cm³，阳极区P+结深为10∽30μm，阳极区P1、短基区P2结深为80∽140μm，阴极区N2的结深为15∽30μm。

本发明技术解决方案中所述的硅片厚度为500-950μm，其中阳极区P+表面杂质浓度2∽9×10²⁰/cm³，阳极区P1、短基区P2表面杂质浓度为2∽8×10¹⁷/cm³，阴极区N2表面杂质浓度为3∽9×10²⁰/cm³，阳极区P+结深为15∽30μm，阳极区P1结深为50∽90μm，短基区P2结深为80∽140μm，阴极区N2的结深为15∽30μm，阳极区P1比短基区P2浅30∽50μm。

本发明制造高压快速晶闸管工艺方法的技术解决方案是：包括以下步骤：

①选用厚度为500-950μm、电阻率为180∽320Ω·cm、晶向<111>或<100>的N型NTD单晶硅片，硅片双面采用磷吸收工艺处理；