[发明专利]一种碳化硅门极可关断晶闸管

说明书

本发明涉及功率半导体技术，特别涉及一种碳化硅门极可关断晶闸管。本发明对常规N型碳化硅GTO的门极区进行改造，在常规的器件P‑门极层13结构下增加了一层掺杂浓度比P‑门极层与N‑漂移区都要高的P型外延层，即(P+gate buffer层)，由于P+门级缓冲层12的存在，一方面可以在门极区快速降低电场强度，避免器件发生串通击穿；另一方面P+门级缓冲层12的存在使得P‑门极层的厚度和掺杂浓度可以明显降低，同时P+门级缓冲层12由于浓度差会形成电场，从而加速N+阴极区7电子的注入，从而获得较快的导通特性。

技术领域

本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种碳化硅门极可关断晶闸管

背景技术

在脉冲功率技术中，脉冲功率开关是一个非常重要的组成部分，对整个脉冲系统的性能有着巨大的影响，门极可关断晶闸管是应用在脉冲功率技术中的一种重要的脉冲功率开关器件。

门极可关断晶闸管(Gate Turn-off Thyristors，简称GTO)是一种电流控制型功率开关，可以通过在门极施加不同极性的电流脉冲信号来控制器件阴阳极之间的主电流的导通和关断。其具有高阻断电压、大电流、低正向导通压降等优点。传统的硅基GTO晶闸管在一些大电流高功率密度的系统中需要并联使用，增大了系统的体积和能耗。硅基GTO晶闸管的阻断电压能力、dv/dt及di/dt的能力已接近其理论极限。相比于Si材料，宽禁带SiC材料具有更高的禁带宽度、饱和载流子速度、临界击穿电场和热导率，使得SiC GTO晶闸管的性能大大优于Si GTO晶闸管。但是，为了使得器件的开启速度更快，一般常用P-门极层的掺杂浓度较低且厚度较薄，而这种状态会使得器件耐压状态时，门极层会较容易发生串通击穿，从而使得器件的耐压能力和可靠性降低，限制了器件性能的提升。

发明内容

本发明的目的，是针对目前常规碳化硅门极可关断晶闸管P-门极区的设计，需要对器件的阻断能力和正向导通能力进行折中的问题，而提出的一种碳化硅门极可关断晶闸管。

本发明的技术方案：一种碳化硅门极可关断晶闸管，如图2所示，一种N型碳化硅门极可关断晶闸管，其元胞结构包括阴极结构、漂移区结构、门极结构和阳极结构；所述阳极结构包括P型衬底2和位于P型衬底2下表面的阳极金属1；所述漂移区结构包括N-漂移区4和N+场截止层3；所述门极结构包括P-门极层13、P+门极重掺杂区6、P+门极重掺杂区6上表面的门极金属8；所述阴极结构包括N+阴极区7以及N+阴极区7上表面的金属层9；其主要特征在于，P-门极层13与N-漂移区4之间增加了一层P+门极缓冲层(P+buffer层)12。

所述P+门极缓冲层12是P型掺杂的碳化硅外延层，厚度为0.1～5μm，掺杂浓度为1e17cm^-3以上。

所述的P+门极缓冲层12可以应用于其它的正向注入增强技术，可在图3中的阳极结构中的P型衬底2与N+场截止层3之间增加一层P-注入增强缓冲层(P-IEB层)4。

所述P+门极缓冲层13的具体实现方式有两种，第一种是在P+衬底2上面直接依次外延生长出P+门极缓冲层12；第二种是通过改变P+衬底2中P-衬底缺陷抑制缓冲层11的外延条件，同时对于P+衬底可以使用CMP(化学机械抛光)等手段缩短，然后再在正面进行外延。

本发明的有益效果为，本发明对常规N型碳化硅GTO的门极区进行改造，在常规的器件P-门极层13结构下增加了一层掺杂浓度比P-门极层与N-漂移区都要高的P型外延层，即(P+gate buffer层)，由于P+门级缓冲层12的存在，一方面可以在门极区快速降低电场强度，避免器件发生串通击穿；另一方面P+门级缓冲层12的存在使得P-门极层的厚度和掺杂浓度可以明显降低，同时P+门级缓冲层12由于浓度差会形成电场，从而加速N+阴极区7电子的注入，从而获得较快的导通特性。

附图说明

图1是常规SiC GTO元胞结构示意图；

图2是本发明的SiC GTO元胞结构的第一种实现方案示意图；