[发明专利]一种具有高电流上升率的栅控晶闸管

说明书

本发明提供了一种具有高电流上升率的栅控晶闸管，属于功率器件技术领域。本发明自下而上包括依次层叠设置的金属阳极、第一导电类型半导体掺杂衬底，第二导电类型半导体掺杂外延层，所述第二导电类型半导体掺杂外延层的上表面设置有金属阴极和绝缘栅，所述第二导电类型半导体掺杂外延层的顶层两端分别设置有第一导电类型半导体掺杂阱区，第二导电类型半导体掺杂阱区和第一导电类型半导体重掺杂区，第二导电类型半导体掺杂阱区材料的禁带宽度大于第一导电类型半导体掺杂阱区材料的禁带宽度，第一导电类型半导体掺杂阱区材料的禁带宽度大于第二导电类型半导体掺杂外延层的禁带宽度。基于本发明器件结构能够大幅度提高了栅控晶闸管的电流上升率。

技术领域

本发明属于功率器件技术领域，具体涉及一种具有高电流上升率的栅控晶闸管。

背景技术

电容式能量存储器具有稳定的能量存储、高功率密度和高传输速度等优点，在具有高瞬时功率的脉冲功率系统中，系统的能源供给通常由电容式能量存储提供。脉冲宽度是由电路的时间常数决定的，因此电容式能量存储器需要足够低的负载阻抗以产生短脉冲大电流，从而实现脉冲功率系统中的高电流上升速率。火花隙等传统开关器件具有开关速率低、使用寿命短和效率低下等缺点，而固体开关器件因其优越轻便性、低成本和高效率等特点在脉冲功率系统中得到了应用。栅控晶闸管具有高电导调制效应与极低的导通电阻，因此栅控晶闸管器件在脉冲放电应用中具有明显的优势。但是在短脉冲操作中，特别是在快速开启时，器件有可能来不及达到导通状态以泄放脉冲能量，无法完成操作。或者因为泄放时间较长，器件同时经受高电压和大电流，导致结温升高，即使进入导通状态开始泄放脉冲能量，也会因为过热导致过早失效。

当栅控晶闸管应用在脉冲放电电路中时，需要器件能够承受具有高电流上升率(di/dt)的浪涌电流。一个有效提高器件承受浪涌电流的方法就是增加器件浓度梯度以实现阴极侧的载流子注入增强。对于N型栅控晶闸管而言，通过增加N阱浓度梯度，在三极管发射区形成对少子空穴的减速场，阻止基区的空穴往发射区扩散，增大发射极注入效率；通过增加P阱浓度梯度，在三极管基区中形成电子的加速场，增大基区输运系数。传统栅控晶闸管的制造工艺是基于DMOS技术的三重扩散工艺，由于阴极侧的P阱与N阱都是通过注入扩散形成，其浓度受器件正向导通能力与耐压要求所限制，在制造工艺中无法针对高的通态电流临界上升率di/dt特性进行浓度分布的调整。故而，亟需一种能够提升高电流上升特性，进而解决器件因无法快速泄放浪涌电流而失效的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种具有高电流上升率的栅控晶闸管。本发明为解决上述技术问题提供如下技术方案：

一种具有高电流上升率的栅控晶闸管，包括第一导电类型半导体掺杂衬底(2)，设置于在所述第一导电类型半导体掺杂衬底(2)背面的金属阳极(1)，设置在所述第一导电类型半导体掺杂衬底(2)正面的第二导电类型半导体掺杂外延层(3)，所述第二导电类型半导体掺杂外延层(3)的顶层表面设置有金属阴极(7)和绝缘栅，其中绝缘栅位于中间，金属阴极(7)位于绝缘栅两边并与之相隔离；所述绝缘栅包括栅介质层(9)及设置于所述栅介质层(9)上表面的多晶硅栅(8)；所述第二导电类型半导体掺杂外延层(3)的顶层两端分别设置有第一导电类型半导体掺杂阱区(4)，所述第一导电类型半导体掺杂阱区(4)中设置有第二导电类型半导体掺杂阱区(5)，所述第二导电类型半导体掺杂阱区(5)中设置有第一导电类型半导体重掺杂区(6)；所述第二导电类型半导体掺杂阱区(5)及部分第一导电类型半导体重掺杂区(6)与金属阴极(7)连接，所述第一导电类型半导体掺杂阱区(4)、第二导电类型半导体掺杂阱区(5)和第一导电类型半导体重掺杂区(6)均与绝缘栅连接；其特征在于，第二导电类型半导体掺杂阱区(5)材料的禁带宽度大于第一导电类型半导体掺杂阱区(4)材料的禁带宽度，第一导电类型半导体掺杂阱区(4)材料的禁带宽度大于第二导电类型半导体掺杂外延层(3)的禁带宽度。

进一步的是，本发明中第一导电类型半导体为P型，第二导电类型半导体为N型。