[发明专利]一种碳化硅门极可关断晶闸管及其制造方法

说明书

本发明提供一种碳化硅门极可关断晶闸管，为在N+型SiC衬底上面设有的PNPN四层SiC结构，其上层为多条由复数个重复排列的上管P型发射区组成的条带，中层由上管N型基区、上管N型浓基区和上管N型浓基区汇流条组成，上管N型浓基区与上管N型浓基区汇流条相交或平行，上管N型汇流条的上表面与门极金属层连接。本发明提供的碳化硅门极可关断晶闸管可降低周边的电流密度，提高抗dI/dt和抗dV/dt的能力。

技术领域

本发明属于化合物半导体电流型功率器件技术领域，涉及一种碳化硅门极可关断晶闸管(SiC GTO(Gate-Turn-Off Thyristor))。

背景技术

化合物半导体材料SiC比单质半导体材料Si具有很大的优势，近年来，随着SiC单晶棒材料的成熟和外延技术的成熟，碳化硅门极可关断晶闸管(SiC GTO)已经供应市场。

图1和图2为现有技术的SiC GTO的结构示意图。

SiC GTO是PNPN四层结构，可以看成由两个双极管即PNP上管和NPN下管组成。PNP上管的P型发射区连接阳极金属层A。PNP上管的N型基区就是NPN下管的N型集电区。PNP上管N型基区连接门极金属层G。PNP上管的P型集电区就是NPN下管的P型基区。NPN下管的N型发射区连接阴极金属层K。

与电压驱动型晶体管SiC MOS管和SiC IGBT相比较，SiC GTO具有低成本高功率容易制作的优点，但是，已有技术的SiC GTO有两个重大的弱点一直不能克服。一个是抗dI/dt的能力差，需要复杂的限制线路。另一个是抗dV/dt的能力差，需要复杂的吸收线路。

湖南大学王俊等人在2016年第7期的《大功率变流技术》刊物上发表了《SiC GTO晶闸管技术现状及发展》，文中指出，从1997年首个SiC GTO问世的30年间，SiC GTO有了长足的发展，但是一直存在着受di/dt和dv/di限制问题，无法从内部解决。文中指出：“SiC GTO也存在一些缺点：导通动态电流分布不均匀，在开通瞬间需要一个限制di/dt的缓冲器，且其反偏安全工作区(RBSOA)比较小；SiC GTO的PNPN结构使GTO对dv/dt变化敏感，可能会引起误导通，所以在关断时还需要一个限制du/dt的缓冲器。”

之前，对上述限制的机理不够清晰。现在本发明分析如下：

SiC GTO开始导通的时候，电流集中在上管发射区周边(“周边”是指与浓基区最接近的发射区周边区域)附近很小的区域里面。“电流”是指PNPN晶闸管的“电流”。然后，PNPN晶闸管电流“缓慢地”往周边之外的区域扩散。这种“缓慢地”电流扩散方式，跟晶体管不同。如果电流上升的速度太快，则上管发射区周边附近的电流密度太高，并且由于沾污和缺陷等原因，总会造成某些点的电流密度比别处更大而首先烧毁。因此，上管发射区的周边电流密度就构成了对SiC GTO的dI/dt的限制。而晶体管虽然也是从“周边”开始导通，但是，晶体管电流扩散很快，电流上升速度不会导致周边烧毁。因此，发射区的周边电流密度不会造成对晶体管的dI/dt的限制。

SiC GTO截止的时候，外界电网有一个dV/dt的变动，就会产生位移电流d(CV)/dt，位移电流开始也是集中于上管发射区周边附近。电流越大，共基极电流增益α越大。当上管发射区周边附近某一点电流密度增加致使该点的α1+α2＝1的时候，该点就由截止转变成导通，从而造成了整个SiC GTO的失效,上管发射区的周边电流密度也构成了对SiC GTO的dV/dt的限制。因此，设法降低上管发射区周边的电流密度，就能够增强SiC GTO的抗dI/dt和抗dV/dt的能力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种碳化硅门极可关断晶闸管，它可以降低周边的电流密度，提高抗dI/dt和抗dV/dt的能力。

本发明的另一个目的在于提供上述碳化硅门极可关断晶闸管的制造方法。