門極換流晶閘管（GCT）關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、門極換流晶閘管(GCT)是在GTO的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型大功率半導(dǎo)體器件,有廣闊應(yīng)用的前景,目前在國內(nèi)尚屬空白.本文系統(tǒng)地分析了GCT與GTO在結(jié)構(gòu)、原理和特性以及制作工藝等方面的差異.從p基區(qū)、n場阻止(Fs)層、透明陽極和隔離技術(shù)四個(gè)方面入手,利用MEDICI軟件模擬分析了GCT的各項(xiàng)特性,提出了三種改進(jìn)型結(jié)構(gòu),并對其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).同時(shí),借助ISE-TCAD軟件分析了GCT的制作工藝,對其工藝方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.主要研

2、究內(nèi)容如下: 首先,研究了GCT擊穿機(jī)理,結(jié)果表明,GCT的擊穿實(shí)質(zhì)上是場阻止型(PS)擊穿,并非穿通(PT)型擊穿,從而指出以往對GCT擊穿機(jī)理的認(rèn)識(shí)存在局限性.并在此基礎(chǔ)上模擬分析了Gcr的阻斷特性,給出了阻斷特性的設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù). 第二,研究了透明陽極的電流輸運(yùn)機(jī)理,導(dǎo)出了電子電流密度的表達(dá)式,給出發(fā)射效率隨陽極電流密度變化的關(guān)系.透明陽極與普通陽極和短路陽極的特性比較表明,采用透明陽極可以明顯改善器件的

3、開關(guān)特性. 第三,分析了GCT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制作工藝,結(jié)果表明,采用常規(guī)工藝很難實(shí)現(xiàn)透明陽極、FS層及p基區(qū)選擇性的深擴(kuò)散.并且,由于RC-GCT中存在結(jié)的彎曲效應(yīng),使阻斷電壓下降.針對這些問題,分別提出了注入效率可控的(IEC)GCT結(jié)構(gòu)、溝槽隔離RC-GCT和帶p擴(kuò)散環(huán)隔離R姍三種改進(jìn)結(jié)構(gòu),不僅可以改善GCT器件的特性,而且可以簡化其制作工藝. 第四,分析了GCT與GTO關(guān)斷機(jī)理的差異,提出了一個(gè)新的GCT門-陰圖形的

4、設(shè)計(jì)方法.與現(xiàn)有的門.陰極結(jié)構(gòu)相比較,采用新方法設(shè)計(jì)的門.陰圖形在保證開關(guān)過程中電流均勻分布的前提下,可以顯著增加GCT的陰極有效面積,減小熱阻,提高電流容量. 第五,通過工藝分析與模擬,確定了RC-GCT的工藝方案,對帶FS層、透明陽極和溝槽隔離的2500V/2000ARC-GCT進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,測試結(jié)果表明工藝方案可行.提出制作透明陽極和n FS層的工藝新方法,并根據(jù)工藝模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了A-GCT的工藝實(shí)施方案.