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CN111599859B - 一种具有过压保护功能的晶闸管及制造方法 - Google Patents

一种具有过压保护功能的晶闸管及制造方法 Download PDF

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CN111599859B CN201910130201.6A CN201910130201A CN111599859B CN 111599859 B CN111599859 B CN 111599859B CN 201910130201 A CN201910130201 A CN 201910130201A CN 111599859 B CN111599859 B CN 111599859B
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conductive layer
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Abstract

本发明公开了一种具有过压保护功能的晶闸管及制造方法，晶闸管包括：依次设置的由第一导电类型半导体材料制成的第一导电层、由第二导电类型半导体材料制成的衬底层和由第一导电类型半导体材料制成的第二导电层；在第一导电层的远离衬底层的一面上设置的阳极金属电极；在第二导电层内间隔设置的由第二导电类型半导体材料制成的发射极区；及在第二导电层上对应发射极区分别设置的浮空金属电极和阴极金属电极，衬底层向第二导电层的方向延伸将第二导电层分隔成两个第二导电区，两个第二导电区内均设置发射极区；两个第二导电区均包括基部和沿基部朝向另一第二导电区延伸的延伸部。本发明的结构简单，能够与IGBT模块并联后保护IGBT模块不被过电压损坏。

Description

一种具有过压保护功能的晶闸管及制造方法
技术领域
本发明属于电子器件技术领域，特别涉及一种具有过压保护功能的晶闸管及制造方法。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)是一种MOS管(场效应管)和双极型晶体管复合的功率半导体器件，具有驱动功率小、导通压降低、开关损耗小及电流密度大等优点，在轨道交通及工业传动领域有广泛应用。但是在实际应用中，电路中的核心变流器件IGBT模块，对过电压较为敏感，如果缺乏保护措施或使用不当，易于损坏。例如在IGBT模块关断过程中，由于其集电极电流快速下降，在电路的杂散电感及负载电感的作用下，常会在IGBT的集电极及发射极之间产生很高的尖峰过电压；或者在柔性直流输电等高压电路应用中，由于系统错误或雷击因素产生尖峰过电压，IGBT极易击穿，从而造成器件损坏，影响系统正常工作。
为避免尖峰过电压损坏IGBT，目前主要的做法包括：
1)在设计层面上减少回路中的杂散电感，该方法需要优化IGBT模块内部结构，减少寄生电感，优化主电路结构，减少杂散电感。虽然其可以缓解过电压对IGBT模块造成的压力，但其作用却有限。
2)减小回路杂散电感的同时，在电路层面上为IGBT模块设计外部保护电路，例如，外部保护电路包括TVS(瞬态电压抑制二极管)、电阻、电容和电感等，监测IGBT的集电极电压，当IGBT的集电极电压超过预定值时，TVS将过压信号传输给驱动控制电路，抬升IGBT栅极电位触发IGBT以抑制IGBT集电极电压的上升。该方法采用的保护电路需要多个电子元件来实现，其结构复杂；在高压电路应用如柔性直流输电中，该保护方法存在严重不足，即需通过IGBT模块释放过电压产生的能量，很可能会造成IGBT模块过热而损坏。
因此，如何实现结构简单，并且具有过压保护功能的电子器件以使IGBT集电极电压达到预定值时保护IGBT成为了一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是如何实现结构简单，并且具有过压保护功能的电子器件以使IGBT集电极电压达到预定值时保护IGBT。
为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种具有过压保护功能的晶闸管，包括：依次设置的由第一导电类型半导体材料制成的第一导电层、由第二导电类型半导体材料制成的衬底层和由第一导电类型半导体材料制成的第二导电层；在所述第一导电层的远离所述衬底层的一面上设置的阳极金属电极；在所述第二导电层内间隔设置的由第二导电类型半导体材料制成的发射极区；以及，在所述第二导电层上对应所述发射极区分别设置的浮空金属电极和阴极金属电极，其中所述衬底层向所述第二导电层的方向延伸将所述第二导电层分隔成两个第二导电区，两个所述第二导电区内均设置所述发射极区；两个所述第二导电区均包括基部和沿所述基部朝向另一所述第二导电区延伸的延伸部。
优选地，两个所述第二导电区的形状相同。
优选地，所述延伸部沿第二导电层至阳极金属电极方向的距离(即延伸部的厚度)为800μm～1000μm，该延伸部从所述基部延伸的距离(即延伸部的长度)为70μm～120μm。
优选地，两个所述延伸部之间相距为50μm～220μm。
优选地，所述晶闸管还包括覆盖两个延伸部的远离所述衬底层的一面上的氧化层。
优选地，所述氧化层的材质为二氧化硅。
优选地，构成所述延伸部的第一导电类型的半导体材料的浓度高于构成所述基部的第一导电类型的半导体材料的浓度。
优选地，构成所述延伸部的第一导电类型的半导体材料的浓度为1018至1020cm-3。
本发明实施例还公开了一种制造具有过压保护功能的晶闸管的方法，其包括：
在由第二导电类型半导体材料制成的衬底层的相对两面分别进行第一导电类型半导体材料的掺杂，以形成第一导电层和第二导电层；
对所述第二导电层的中心区域进行刻蚀使所述中心区域露出所述衬底层，从而形成两个分隔开的第二导电区，使两个所述第二导电区向所述衬底层推进；
在两个所述第二导电区内远离所述衬底层的表面进行第二导电类型半导体材料的掺杂，以形成间隔的发射极区；
在两个所述第二导电区内远离所述衬底层的表面进行第一导电类型半导体材料的掺杂，以在所述第二导电区的基部朝向另一所述第二导电区形成延伸部，其中，在两个所述第二导电区内远离所述衬底层的表面上的所述发射极区周围也进行第一导电类型半导体材料的掺杂；
在所述第一导电层远离所述衬底层的一面上设置阳极金属电极；
在两个所述第二导电区的远离所述衬底层的一面上对应所述发射极区分别设置浮空金属电极和阴极金属电极。
优选地，还包括：
在所述第二导电层远离所述衬底层的一面上对应所述中心区域设置氧化层。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
应用本发明的具有过压保护功能的晶闸管，当处于正向阻断状态时，所述晶闸管内部会产生正向漏电流，且该正向漏电流随着所述晶闸管正向阻断电压的增大而增大。当所述晶闸管正向阻断电压达到预定值时，正向漏电流增大至触发电流从而触发所述晶闸管。因此，所述晶闸管不需要外部门极驱动电路即可被触发开通。此外，所述晶闸管无需额外在第二导电层引出门极金属电极，实际上易于制备。
所述晶闸管用于在与IGBT模块并联使用时保护IGBT模块，当IGBT模块集电极电压(即所述晶闸管阳极金属电极的电压)达到预定值时，所述晶闸管无需外部触发信号即可被触发开通，使IGBT模块集电极电压迅速下降，从而保护IGBT模块不被系统过电压损坏。并且所述晶闸管开通后作为主电路电流通道，可进一步释放系统过电压产生的能量。
采用所述晶闸管保护IGBT模块，无需采用额外电子元器件及外部触发电路，降低了保护系统的复杂度。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1是根据本发明实施例的具有过压保护功能的晶闸管与IGBT模块并联的系统结构示意图；
图2是根据本发明实施例的具有过压保护功能的晶闸管的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的具有过压保护功能的晶闸管的两个延伸部之间的距离和正向转折电压之间的关系图；
图4是根据本发明实施例的制造具有过压保护功能的晶闸管的方法的流程图；
图5是图4的步骤S1后的结构示意图；
图6是图4的步骤S2后的结构示意图
图7是图4的步骤S3后的结构示意图；
图8是图4的步骤S4后的结构示意图；
图9是图4的步骤S7后的结构示意图；
图10是图4的步骤S6后的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明实施例要解决的技术问题之一是：如何实现结构简单，并且具有过压保护功能的电子器件以使IGBT集电极电压达到预定值时保护IGBT。为解决上述问题，本发明实施例提供了一种具有过压保护功能的晶闸管，其包括：依次设置的由第一导电类型半导体材料制成的第一导电层、由第二导电类型半导体材料制成的衬底层和由第一导电类型半导体材料制成的第二导电层；在所述第一导电层的远离所述衬底层的一面上设置的阳极金属电极；在所述第二导电层内间隔设置的由第二导电类型半导体材料制成的发射极区；以及，在所述第二导电层上对应所述发射极区分别设置的浮空金属电极和阴极金属电极。其中，所述衬底层向所述第二导电层的方向延伸将所述第二导电层分隔成两个第二导电区，两个所述第二导电区内均设置所述发射极区；两个所述第二导电区均包括基部和沿所述基部朝向另一所述第二导电区延伸的延伸部。
上述的具有过压保护功能的晶闸管，能够在例如硅作为衬底的衬底层上实现NPNP四层结构，未触发时具有双向阻断特性，触发后具有单向导通特性。当处于正向阻断状态时，所述晶闸管内部会产生正向漏电流，且该正向漏电流随着所述晶闸管正向阻断电压的增大而增大。当所述晶闸管正向阻断电压达到预定值时，正向漏电流增大至触发电流从而触发所述晶闸管。因此所述晶闸管不需要外部门极驱动电路即可被触发开通。此外，所述晶闸管无需额外在第二导电层引出门极金属电极，实际上易于制备。
如图1所示，具有过压保护功能的晶闸管与IGBT模块并联使用，当IGBT模块集电极电压(即所述晶闸管阳极金属电极的电压)达到预定值时，所述晶闸管触发开通，使IGBT模块集电极电压迅速下降，从而保护IGBT模块不被系统过电压损坏。并且所述晶闸管开通后作为主电路电流通道，可进一步释放系统过电压产生的能量。
下面以具体的实施例对本发明作进一步说明。
如图2所示，为本发明实施例的一种具有过压保护功能的晶闸管。本实施例的晶闸管主要包括第一导电层、衬底层、第二导电层、阳极金属电极、发射极区、浮空金属电极和阴极金属电极。
具体地，第一导电层和第二导电层均由第一导电类型半导体材料制成，衬底层由第二导电类型半导体材料制成。第一导电层、衬底层和第二导电层依次设置。在第一导电层2的远离衬底层3的一面(图2中所示的下表面)上设置阳极金属电极1。第二导电层内间隔设置由第二导电类型半导体材料制成的发射极区5。在第二导电层上对应发射极区5分别设置浮空金属电极6和阴极金属电极7，参照图2，衬底层3向第二导电层的方向延伸将第二导电层分隔成两个第二导电区4，两个第二导电区4内均设置发射极区5；两个第二导电区4均包括基部8和沿基部8朝向另一第二导电区4延伸的延伸部9。在本实施例中，上述第一导电类型半导体材料为N形半导体材料。第二导电类型半导体材料为P形半导体材料。当然，上述第一导电类型半导体材料也可以选为P形半导体材料。第二导电类型半导体材料也可以选为N形半导体材料。
所述晶闸管内部产生的正向漏电流作为其触发电流，其中，触发电流的一条路径为沿衬底层3、延伸部9、基部8、发射极区5的路径，或者触发电流的另一条路径为沿衬底层3、基部8、发射极区5的路径。两条路径的触发电流共同触发所述晶闸管，且不需要在第二导电层引出门极金属层，降低了所述晶闸管制造工艺的复杂度；并且所述晶闸管用于保护IGBT模块时也不需要额外的门极驱动电路及保护元件，降低了保护系统的复杂度。
两个第二导电区4均包括基部8和延伸部9，第一个第二导电区4的延伸部9是沿第一个第二导电区4的基部8朝向第二个第二导电区4延伸形成的，第二个第二导电区4的延伸部9是沿第二个第二导电区4的基部8朝向第一个第二导电区4延伸形成的。第二导电区4的基部8和延伸部9构成沿垂直于从阳极金属电极1到第二导电层的方向上的阶梯状。
在一个实施例中，两个第二导电区4的形状相同。两个第二导电区4的基部8的形状相同，两个第二导电区4的延伸部9的形状相同。
如图2所示，延伸部9可划分为第一延伸区91和第二延伸区92，第一延伸区91覆盖基部8的远离衬底层3的一面上，第二延伸区92直接覆盖衬底层3远离第一导电层2的一面上。第一延伸区91的厚度小于第二延伸区92的厚度，以使得延伸部91在剖面上整体形如鸟嘴形状。在一个实施例中，该延伸部9沿第二导电层至阳极金属电极1方向的距离，即延伸部9的厚度，为800μm～1000μm。该延伸部9从基部8延伸的距离，即延伸部9的长度，为70μm～120μm。延伸部9的尺寸可以根据实际应用需要的晶闸管的正向转折电压而设定。
在一个实施例中，两个延伸部9之间相距为50μm～220μm。图3示出了两个延伸部9之间的距离L与晶闸管的正向转折电压的关系图。根据实际应用需要，可以通过调整两个延伸部9之间的距离，使晶闸管具有期望的正向转折电压。
在一个实施例中，晶闸管还包括设置在覆盖两个延伸部9的远离衬底层3的一面上的氧化层10。其中，氧化层10设置在两个延伸部9之间的间隔区域上。
在一个实施例中，氧化层10的材质为二氧化硅。其中，氧化层10的厚度可以为1μm至5μm。
在一个实施例中，构成延伸部9的第一导电类型的半导体材料的浓度高于构成基部8的第一导电类型的半导体材料的浓度。
在一个实施例中，构成延伸部9的第一导电类型的半导体材料的浓度为1018至1020cm-3。
本发明实施例还公开了一种制造具有过压保护功能的晶闸管的方法，如图4所示，其包括步骤S1至步骤S7。
在步骤S1中，在由第二导电类型半导体材料制成的衬底层3的相对两面(例如上表面和下表面)进行第一导电类型半导体材料的掺杂，以形成第一导电层2和第二导电层，如图5所示。
其中，可以根据IGBT模块的正向耐压等级选择合适的N型硅单晶衬底作为衬底层3制作具有过压保护功能的晶闸管。在第二导电类型半导体材料制成的衬底层3两面进行第一导电类型半导体材料的掺杂，可以通过预沉积或离子注入的方式进行P型掺杂。
在步骤S2中，对第二导电层的中心区域进行刻蚀使中心区域露出衬底层3的第二导电类型半导体材料，从而形成两个分隔开的第二导电区4，使两个第二导电区4向衬底层3推进，如图6所示。值得注意的是，图6中仅示出了一个导电区4。
对第二导电层的中心区域进行刻蚀使中心区域露出衬底层3的第二导电类型半导体材料从而形成两个分隔开的第二导电区4，可以是选择性对中心区域硅进行刻蚀，刻蚀厚度在5μm-10μm。使两个第二导电区4向衬底层3推进可以是进行P基区的推进。
在步骤S3中，在两个第二导电区4内远离衬底层3的表面进行第二导电类型半导体材料的掺杂以形成间隔的发射极区5，如图7所示。
在两个第二导电区4内远离衬底层3的表面进行第二导电类型半导体材料的掺杂，可以是选择性通过预沉积或离子注入的方式进行N型掺杂并进行推进形成N+发射极区5。
在步骤S4中，在两个第二导电区4内远离衬底层3的表面进行第一导电类型半导体材料的掺杂以在第二导电区4的基部8朝向另一第二导电区4形成延伸部9，其中，在两个第二导电区4内远离衬底层的表面上的发射极区5周围也进行第一导电类型半导体材料的掺杂，如图8所示。
步骤S4例如可以是选择性对两个第二导电区4内远离衬底层3的表面通过预沉积或离子注入的方式进行P型掺杂，并进行推进形成P+区域。
在步骤S5中，在第一导电层2远离衬底层3的一面上设置阳极金属电极1，如图10所示；
在步骤S6中，在两个第二导电区4的远离衬底层3的一面上对应发射极区5设置浮空金属电极6和阴极金属电极7，如图10所示。
另外，还可以进行终端造型及钝化形成晶闸管，其过程与普通晶闸管的工艺相同，不再赘述。
在一个实施例中，上述制造具有过压保护功能的晶闸管的方法还包括：
步骤S7，在第二导电层远离衬底层3的一面上对应中心区域设置氧化层10，如图9所示。在中心区域设置氧化层10例如可以是沉积约1μm至5μm厚的二氧化硅氧化层。
其中，步骤S7可以在步骤S6之前实现。
通过上述制造方法制成的具有过压保护功能的晶闸管，与IGBT模块并联使用，当IGBT模块集电极电压(即所述晶闸管阳极金属电极的电压)达到预定值时，所述晶闸管触发开通，使IGBT模块集电极电压迅速下降，从而保护IGBT模块不被系统过电压损坏。并且所述晶闸管开通后作为主电路电流通道，可进一步释放系统过电压产生的能量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有过压保护功能的晶闸管，其特征在于，包括：
依次设置的由第一导电类型半导体材料制成的第一导电层、由第二导电类型半导体材料制成的衬底层和由第一导电类型半导体材料制成的第二导电层；
在所述第一导电层的远离所述衬底层的一面上设置的阳极金属电极；
在所述第二导电层内间隔设置的由第二导电类型半导体材料制成的发射极区；以及
在所述第二导电层上对应所述发射极区分别设置的浮空金属电极和阴极金属电极，
其中，所述衬底层向所述第二导电层的方向延伸将所述第二导电层分隔成两个第二导电区，形成两个分隔开的所述第二导电区，两个所述第二导电区内均设置所述发射极区；
两个所述第二导电区均包括基部和沿所述基部朝向另一所述第二导电区延伸的延伸部，所述第二导电区的所述基部和所述延伸部构成沿垂直于从所述阳极金属电极到所述第二导电层的方向上的阶梯状。
2.根据权利要求1所述的具有过压保护功能的晶闸管，其特征在于，两个所述第二导电区的形状相同。
3.根据权利要求1所述的具有过压保护功能的晶闸管，其特征在于，所述延伸部的厚度为800µm~1000µm，所述延伸部的长度为70µm~120µm。
4.根据权利要求1或3所述的具有过压保护功能的晶闸管，其特征在于，两个所述延伸部之间相距50µm~220µm。
5.根据权利要求1或2所述的具有过压保护功能的晶闸管，其特征在于，所述晶闸管还包括设置在覆盖两个延伸部的远离所述衬底层的一面上的氧化层。
6.根据权利要求5所述的具有过压保护功能的晶闸管，其特征在于，所述氧化层的材质为二氧化硅。
7.根据权利要求1所述的具有过压保护功能的晶闸管，其特征在于，构成所述延伸部的第一导电类型的半导体材料的浓度高于构成所述基部的第一导电类型的半导体材料的浓度。
8.根据权利要求1或7所述的具有过压保护功能的晶闸管，其特征在于，构成所述延伸部的第一导电类型的半导体材料的浓度为1018~1020cm-3。
9.一种制造具有过压保护功能的晶闸管的方法，其特征在于，包括：
在由第二导电类型半导体材料制成的衬底层的相对两面分别进行第一导电类型半导体材料的掺杂，以形成第一导电层和第二导电层；
对所述第二导电层的中心区域进行刻蚀使所述中心区域露出所述衬底层，从而形成两个分隔开的第二导电区，使两个所述第二导电区向所述衬底层推进；
在两个所述第二导电区内远离所述衬底层的表面进行第二导电类型半导体材料的掺杂，以形成间隔的发射极区；
在两个所述第二导电区内远离所述衬底层的表面进行第一导电类型半导体材料的掺杂，以在所述第二导电区的基部朝向另一所述第二导电区形成延伸部，其中，在两个所述第二导电区内远离所述衬底层的表面上的所述发射极区周围也进行第一导电类型半导体材料的掺杂；
在所述第一导电层远离所述衬底层的一面上设置阳极金属电极；所述第二导电区的所述基部和所述延伸部构成沿垂直于从所述阳极金属电极到所述第二导电层的方向上的阶梯状；
在两个所述第二导电区的远离所述衬底层的一面上对应所述发射极区分别设置浮空金属电极和阴极金属电极。
10.根据权利要求9所述的制造具有过压保护功能的晶闸管的方法，其特征在于，还包括：
在所述第二导电层远离所述衬底层的一面上对应所述中心区域设置氧化层。
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