[发明专利]一种应用于混合式直流断路器的门极换流晶闸管芯片

说明书

技术领域

本发明属于半导体集成电路技术领域，特别涉及一种半导体器件结构，尤其涉及一种应用于自然换流型混合式直流断路器中的集成门极换流晶闸管的门极结构。

背景技术

在直流输配电领域，随着电力电子器件的发展，GTO、IGBT、IGCT、ETO等大功率器件的诞生，基于电力电子技术开断的混合式直流断路器成为快速开断直流电流的重要技术方案。自然换流型混合式直流断路器结构如图1所示，包括主电流支路，主断路器支路，过电压限制和能量吸收支路三条支路。正常导通状态下电流流过主电流支路。当发生故障时，FCB(快速机械开关)分断，在电弧电压作用下，电流转移至主断路器支路上的电力电子开关。由于主电流支路与主断路器支路间存在杂散电感(约为1uH左右)，电弧电压约为20～40V，因此电流的转移速度<100A/us。因此应用于自然换流型混合式直流断路器中的电力电子器件，可以具有较小的开通速度,即di/dt<100A/us；但是要求具有尽可能大的关断电流的能力。

集成门极换流晶闸管(IGCT：Integrated Gate Commutated Thyristor)是一种用于大容量电力电子装置中的新型电力半导体器件，它最先是由瑞士ABB公司开发并成功投入市。IGCT是将GCT(Gate Commutated Thyristor门极换流晶闸管)芯片与反并联的二极管和门极驱动MOSFET集成在一起，再与门极驱动在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的关断能力和晶闸管低导通损耗等优点，适用于自然换流型混合式直流断路器。

GCT芯片集成了多个门极换流晶闸管元胞单元,元胞的基本结构同GTO类似，为PNPN结构，GCT(Gate Commutated Thyristor)元胞单元如图2所示,按照掺杂的浓度细化区分，则阴极极至阳极分别是：n+发射极、p基区、n基区、n+缓冲层、p+发射极，共有J1、J2、J3三个PN结(即半导体中p型掺杂区和N型掺杂区的边界线)。其导通和关断过程如图3所示，正常导通时，门阴极正偏，电流自阳极流入，阴极流出，如图3(a)所示。关断时,门阴极反偏，电流自阴极流入，阳极流出，如图3(b)；

已有的典型的直径4英寸GCT芯片的阴极面和纵向剖面结构如图4所示：由多个同心的阴极环41、一个同心的门极接触环42和多个阴极梳条43构成；一个个梳条43沿径向排列在每个阴极环42的部分区域中，形成一个扇形区域。阴极环41的数量和深度根据实际芯片尺寸确定，数值上不是严格的。图4以10个阴极环为例进行说明，图4中在第5阴极环与第6阴极环之间有一个门极接触环42；所述GCT芯片的剖面如图4下方所示(图中只显示了阴极面的左半径的剖面)。GCT的纵向元胞结构同与图2的说明一致，即每个元胞纵向结构从阴极至阳极分别是：n+发射极、p基区、n基区、n+缓冲层、p+发射极，共有J1、J2、J3三个PN结；阴极面的每个梳条43上表面为阴极发射极电极44，阴极面除了梳条外的其他区域由的上表面为门极电极45覆盖。

门极电极45是经过溅射得到的金属电极，门极电极45覆盖了除梳条以外所有的阴极面表面区域，因此是各阴极环彼此相通的，并与阴极面梳条43表面的阴极发射极电极44绝缘。门极电极45直接同门极接触环42表面46相连。且已有的GCT芯片的阴极面各阴极环和门极接触环纵向的元胞结构的p基区深度相同(深度具体取值可根据器件的电压、电流等级优化得到)。导通时电流IA.ON由阳极流入，阴极流出；进行关断操作时，电流从阴极梳条处转移至门极接触环。由于门极接触环位于第5到第6阴极环之间，因此所有阴极梳条的电流都要通过金属层汇聚到门极接触环。

GCT关断操作时的工作原理主要分为三个阶段：

a)基区存储电荷抽取

在导通时，位于J1结合J3结之间的n基区和p基区处于大注入状态，处于电导调制。所谓大注入状态即为由阳极和阴极高掺杂浓度区的空穴、电子注入到p基区和n基区，注入浓度远远大于p基区和n基区的掺杂浓度。p基区的掺杂浓度一般在10¹⁶/cm3左右，注入后电子浓度超过10¹⁷。存储电荷如图5所示。关断时，阴极电流为纯电子电流，当p基区少子(即电子)全部抽取的时间定义为存储时间t_S.RAMP，该存储时间同p基区深度Wp的关系为：