[实用新型]一种带缓冲层结构晶闸管

说明书

技术领域

本实用新型属于功率半导体器件技术领域。具体涉及一种半导体开关器件，主要应用于大功率变流电源，特别是大功率脉冲电源。

背景技术

晶闸管是一种PNPN四层三端结构的半导体器件。通常制造方法是在N型硅片两端同时进行P型掺杂，先形成对称的PNP结构。然后在阴极端P区进行N型的选择性扩散掺杂，最终形成PNPN结构，如图1。P1阳极区与P2阴极端区的掺杂结深和杂质浓度分布相同，N1长基区层较厚。N2为阴极区。

在一些要求快开通和快关断的电气系统中，上述结构的晶闸管因工作频率较低而受到局限。如果通过工艺手段降低少数载流子寿命虽然能提高开关速度，但同时也使器件功率损耗明显增加。

发明内容

本实用新型的目的就是针对上述不足，提出了一种可应用于较高频率变流电源、特别是大功率脉冲电源的半导体开关器件，即一种带缓冲层晶闸管。能明显减小开通时间，降低通态压降，从而改善开通速度和通态能力，提高工作可靠性，同时亦可改善特性。

本实用新型的技术解决方案是：一种带缓冲层结构晶闸管，包括管壳和封装在该管壳内的PNPN四层三端结构的半导体芯片，四层为P1阳极区、N1长基区、阴极端P2区和N2阴极区，三个端子分别为阳极、阴极和门极，其特征是：在所述的半导体芯片P1阳极区和N1长基区之间加入一个缓冲层N0区；该缓冲层N0区的表面浓度比N1长基区高，又比P1阳极区表面浓度低。

本实用新型技术解决方案中所述的缓冲层N0区的表面浓度比N1长基区高20~200倍，又比P1阳极区表面浓度低50~500倍。

本实用新型技术解决方案中所述的P1阳极区的结深是15~50μm；阴极端P2区的结深是40~130μm；N1长基区的厚度是100~500μm；缓冲层N0区的厚度是10~60μm。

本实用新型技术解决方案中所述的缓冲层N0区是通过杂质扩散形成的。

本实用新型技术解决方案中所述的缓冲层N0区是通过外延形成的。

本实用新型由于在传统PNPN四层三端晶闸管结构中的P1阳极区和N1长基区之间加入N型缓冲层N0区，并且表面杂质浓度比N1长基区高，比P1阳极区表面浓度低，因而使得PN结在承受反向高压时空间电荷层可以更薄，N1长基区可以更薄，利于降低器件开通时间，降低通态压降和开通损耗。本实用新型具有在应用于大功率变流电源和脉冲功率电源时，能明显降低通态压降，从而改善通态能力和提高工作可靠性，同时可更优化内部结构，降低大注入的储存电荷，改善恢复软度的特点。本实用新型主要用于大功率脉冲电源装置。

附图说明

图1是晶闸管芯片结构图。

图2是本实用新型的芯片结构图。

图3是带缓冲层结构晶闸管硅芯片制造的工艺流程图。

具体实施方式

如图2所示。本实用新型缓冲层结构晶闸管包括管壳和封装在该管壳内的PNPN四层三端结构的半导体芯片，四层为P1阳极区1、N1长基区2、阴极端P2区3和N2阴极区4，三个端子分别为阳极A、阴极K和门极G。P1阳极区1的结深是15~50μm；阴极端P2区3的结深是45~130μm；N1长基区2的厚度是100~500μm；缓冲层N0区8的厚度是10~60μm。缓冲层N0区8杂质浓度比N1长基区2高，但比P1阳极区1低。缓冲层N0区8是通过杂质扩散形成的，也可以是外延形成的。

带缓冲层结构晶闸管的硅芯片制造工艺流程图如图3所示。

硅单晶选用NTD材料，根据不同的应用要求选择硅片的电阻率和厚度。总厚度的选取既要求保证N1+N0区实现器件正向耐压的要求，又不至于增加压降。

双面P型扩散：对硅片双面同时进行第一次P型杂质扩散，杂质源可以是镓（Ga）或铝（Al）。结深45~120μm，表面浓度1.5~8x10¹⁷cm^-3。

单面减薄：通过研磨、喷砂和化学腐蚀等方法，完全去除阳极端的P型扩散区。

缓冲层扩散：先将阴极端P区做表面氧化处理。然后在阳极端N区做高浓度N型杂质扩散。结深10~60μm，表面浓度2x10¹⁶~5x10¹⁸。

缓冲层也可通过外延的方法获得，即在N1长基区2表面通过外延生长一层N型层。外延法制造的半导体器件性能更好但成本高。

P⁺扩散：经过氧化、光刻处理，对N型阳极端表面作高浓度P型扩散，形成P⁺高浓度区。即为阳极区，结深10~50μm。