[发明专利]一种压控型发射极关断晶闸管器件及其制造方法

说明书

本发明属于功率半导体技术领域，具体的说涉及一种压控型发射极关断晶闸管及其制造方法。本发明通过设计双阴极的MCT器件结构，以及外部连接NMOS和二极管，实现了完全由单个栅极的电压控制的器件的开启和关断。因此，本发明结构避免了发射极关断晶闸管(ETO)由于有三个栅极，导致器件开启与关断时控制复杂，以及ETO导通时需要向GTO门极注入很强的电流触发脉冲，导致其驱动电路复杂和体积庞大的问题。

技术领域

本发明属于 功率半导体技术领域，具体的说涉及一种压控型发射极关断晶闸管及其制造方法。

背景技术

发展诸如太阳能、风能等可再生能源是减轻碳排放的一种重要途径。可再生能源设施通过电力电子变换器将电能转换成满足用户和行业需要的常规60Hz交流电。由于涉及到相对较大的功率等级，在上述应用领域中使用的功率半导体必须具有高压大电流的处理能力。

兆瓦级功率应用中,晶闸管曾经是唯一的应用器件,但因它是半控型器件,没有门极关断能力,难以满足现代变流器控制技术的要求。GTO在高压直流输电(HVDC)和兆瓦级应用中已取得成功,但缺点是:导通暂态电流的不均匀分布会引起di/dt问题,需要di/dt缓冲器；同时也造成反偏安全工作区(RBSOA)比较小；p-n-p-n四层结构使得GTO对dv/dt比较敏感,因此关断时需要dv/dt缓冲器；门极驱动器体积大,消耗的功率达数百瓦；存储时间长,动态响应慢,工作频率一般限制在1kHz以下。

发射极关断晶闸管(ETO)是满足高性能电能变换技术要求的新型大功率电力电子器件。通过特殊结构实现的单位增益关断技术大大改善了ETO的关断特性,提高了工作频率,增大了安全工作范围,同时使它更易于串并联使用。

但由于发射极关断晶闸管(ETO)有三个栅极，导致器件开启与关断时控制复杂。尽管ETO 器件在关断时只需要控制栅极电压，但在ETO导通时,需要向GTO门极注入很强的电流触发脉冲，因此其驱动电路复杂，且不利于提高系统的可靠性。在此基础上，一种压控型发射极关断晶闸管被提出，只有一个栅极，并且是一种压控型器件(器件的开启与关断都只需要控制栅极电压)，有利于简化驱动电路。同时，具有压控型发射极关断晶闸管能在较小的导通电流下被触发，使其在较大电流范围内具有较小的导通电阻，并且具有更快的开启和关断速度。

发明内容

本发明的目的，就是为了避免发射极关断晶闸管(ETO)在开启和关断时三个栅极控制方法复杂，以及在ETO导通时,需要向GTO门极注入很强的电流触发脉冲，导致其驱动电路复杂，且不利于提高系统的可靠性的问题。

本发明的技术方案：一种压控型发射极关断晶闸管(ETO)，其结构包括一个双阴极结构的MOS栅控晶闸管(MCT)、一个二极管和一个MOS管，其中MCT元胞结构包括由阳极 10和位于阳极10底部的阳极金属11构成的阳极结构、位于阳极结构顶部的漂移区1、位于漂移区1顶部的栅极结构与阴极结构；所述N型漂移区1中具有P型阱区4，所述P型阱区 4上层具有N型阱区5；所述N型阱区5上层具有P型源区6；其特征在于，所述阴极结构包括阴极金属81和阴极金属82；所述阴极金属81与部分P型阱区6的上表面、部分第一N 型阱区5的上表面接触；所述阴极金属82只与部分P型阱区4的上表面接触；所述栅极结构包括栅氧化层2、多晶硅3和栅极金属9；所述栅氧化层2的底部同时与N型漂移区1的上表面、部分P型阱区4的上表面、部分N型阱区5的上表面和部分P型源区6的上表面接触；所述多晶硅3位于栅氧化层2上表面；所述栅极金属9与部分多晶硅3接触；所述栅极金属 9与阴极金属81之间通过绝缘介质层7完全隔离；所述栅氧化层2和多晶硅3与阴极金属81 之间也通过绝缘介质层7完全隔离；所述阴极金属81与阴极金属82之间通过绝缘介质层7 完全隔离；所述双阴极结构包括第一阴极金属81和第二阴极金属82。本发明结构内部的连接方式为MCT的第一阴极金属81连接NMOS管漏极，栅极金属9与NMOS管栅极连接组成ETO器件的栅极，第二阴极金属82连接二极管阳极，二级管阳极与NMOS管源极连接组成ETO器件的阴极，MCT的阳极也是ETO器件的阳极。