一种具有n

一种具有n
+
调整区的双模式gct及其制备方法
技术领域
1.本发明属于电力半导体器件技术领域，涉及一种具有n
+
调整区的双模式gct，本发明还涉及该种具有n
+
调整区的双模式gct的制备方法。


背景技术：

2.逆导型门极换流晶闸管(rc
‑
gct)是一种新型电力半导体器件，是将gct与续流用的pin二极管反并联集成在一个硅片上，以减小器件体积，改善系统可靠性，在大功率领域有广泛的应用前景。为了使rc
‑
gct获得较低的开关功耗和换向可靠性，需减小pin二极管的反向恢复峰值电流和反向恢复时间，并增加其软度。在传统rc
‑
gct结构中，由于gct单元分布比较集中，无论pin二极管设置在rc
‑
gct的中央或者外围，通过掩模很容易实现横向局部载流子寿命控制，以获得快速的反向恢复特性；但在导通期间，因gct单元和pin二极管单元相对集中会导致的电流局部集中。
3.为了改善rc
‑
gct电流分布的均匀性，目前已开发了一种双模式gct，将pin二极管单元也做成指条状，穿插在gct单元之间，且通常每3个gct单元之间，插入一个pin二极管单元。但在双模式gct中，若要对其中的pin二极管进行横向局部载流子寿命控制，不仅掩模制作难度大，而且由于辐照区的深阱效应，在工艺上很难实现准确控制，同时pin二极管局部寿命减小又会使其阻断漏电流和通态压降均增大，导致静态功耗增加。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种具有n
+
调整区的双模式gct，解决了现有技术在工艺上很难实现准确控制，同时静态功耗增大的问题。
5.本发明的另一个目的是提供一种具有n
+
调整区的双模式gct的制备方法。
6.本发明所采用的技术方案是，一种具有n
+
调整区的双模式gct，整个器件表面所有gct单元和pin二极管单元呈指条状按同心环排列均匀地分布在芯片上表面，并且gct单元和pin二极管单元按3﹕1的比例交叉分布，假设以pin二极管为中央单元，两侧为gct单元，即1个pin二极管单元，对应3个gct单元；
7.所述的gct单元的剖面结构是，以n
‑
区为衬底，n
‑
区向下依次设置有nfs层和p
+
透明阳极区；n
‑
区向上依次设置有p基区和p
+
基区；在p
+
基区上表面局部设置有gct的n
+
阴极区，该n
+
阴极区上表面是阴极k；该n
+
阴极区两侧相邻的p
+
基区上表面均设置有门极g；
8.所述的pin二极管单元的剖面结构是，以n
‑
区为衬底，n
‑
区向下依次设置有nfs层和n
+
阴极区，n
+
阴极区两侧与gct单元的p
+
透明阳极区相接并且在下表面设有共同的阳极a；n
‑
区向上设置有p阳极区，在p阳极区上表面中间位置设置有n
+
调整区，p阳极区和n
+
调整区上表面设置有共同的阴极k；p阳极区与两侧相邻gct单元的p基区之间均采用pnp隔离区。
9.本发明所采用的另一技术方案是，一种具有n
+
调整区的双模式gct的制备方法，按照以下步骤实施：
10.步骤1、选用原始的高阻区熔中照硅单晶作为n
‑
区；
11.步骤2、硅片清洗后腐蚀减薄，在n
‑
区的下表面，采用磷离子注入，形成nfs层的掺杂；
12.步骤3、采用干氧
‑
湿氧
‑
干氧交替氧化形成掩蔽膜，同时将nfs层的掺杂进行推进；
13.步骤4、在上述晶片表面，通过光刻形成铝离子注入窗口；然后在光刻胶的掩蔽下进行铝离子注入；
14.步骤5、去掉晶片表面的光刻胶，在gct部分重新光刻形成硼离子注入窗口；然后在光刻胶的掩蔽下进行硼离子注入；
15.步骤6、去掉表面的光刻胶和氧化层，重新生长二氧化硅
‑
氮化硅
‑
二氧化硅三层掩蔽膜，然后推进，同时形成gct的p基区和p
+
基区，以及pin二极管p阳极区的掺杂；并在gct的p基区与pin二极管的p阳极区之间自然形成pnp隔离区；
16.步骤7、去掉晶片上表面的二氧化硅
‑
氮化硅
‑
二氧化硅三层掩蔽膜，重新生长二氧化硅掩蔽膜，通过光刻形成磷扩散的掺杂窗口；
17.步骤8、在上步得到的晶片上表面，采用pocl3源进行选择性的磷两步扩散，在gct的p
+
基区上表面形成n
+
阴极区，同时在pin二极管的p阳极区表面形成n
+
调整区；
18.步骤9、在上步得到的晶片上表面生长氧化层，光刻形成门极区和pnp隔离区上表面的腐蚀窗口，然后利用腐蚀工艺进行门极区和隔离区挖槽，形成门
‑
阴极台面结构；
19.步骤10、去掉晶片表面的氧化层，重新生长氧化层，下表面光刻，形成pin二极管n
+
阴极区的磷注入窗口，然后进行磷离子注入，退火兼推进，形成pin二极管的n
+
阴极区；
20.步骤11、去掉下表面的氧化层，然后进行硼离子注入，退火兼推进，形成gct的p
+
透明阳极区；
21.步骤12、采用干氧
‑
湿氧
‑
干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，通过光刻，去掉下表面的二氧化硅层，上表面形成gct门
‑
阴极界和pnp隔离区的保护二氧化硅图形；
22.步骤13、对整个晶片上、下表面分别蒸铝，然后通过反刻铝，去掉门极处的铝层；然后重新蒸铝，并进行二次反刻铝，增加了门
‑
阴极台面高度，合金化后形成门极、阴极的金属化电极；
23.步骤14、对上步得到的晶片下表面，依次溅射钛、镍、银三层金属化电极，合金化后形成阳极多层金属化电极；
24.步骤15、在上步得到的晶片上表面甩聚酰亚胺膜，光刻形成门
‑
阴极区和隔离区的保护图形，并进行亚胺化处理；然后进行磨角保护、表面钝化；
25.步骤16、在上步得到的晶片整个上表面进行电子辐照，实现bgct中载流子寿命的均匀控制，然后退火，特性测试，即成。
26.本发明的有益效果是，n
+
调整区的引入，不仅有利于降低pin二极管导通时的阳极空穴注入效率，抑制反向恢复期间pn结的峰值电场，有效改善pin二极管的反向恢复速度和软度，并提高其抗动态雪崩的能力，而且对gct的特性不会产生明显的影响，确保bgct换向的可靠性；同时，省去了对pin二极管单元进行横向局部载流子寿命控制的工艺，降低了工艺难度和成本。
附图说明
27.图1a是现有的bgct基本剖面结构示意图；图1b是现有的bgct门极单元和阴极单元
布局示意图；
28.图2a是本发明bgct器件基本剖面结构示意图；图2b是本发明单个条形n
+
调整区的bgct门极和阴极单元布局示意图；图2c是本发明多个圆形n
+
调整区的bgct门极和阴极单元布局示意图；
29.图3是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct的正向阻断特性曲线比较；
30.图4是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct在正向工作时gct的通态特性曲线；
31.图5是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct在正向工作时gct的开通特性曲线；
32.图6是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct在正向工作时gct的关断特性曲线；
33.图7是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct在反向工作时pin二极管的正向导通特性曲线；
34.图8本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct在反向工作时pin二极管导通期间阳极空穴注入效率；
35.图9是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct在正向工作时pin二极管的反向恢复特性曲线；
36.图10a是现有bgct
‑
1(τ
n＝
10μs，τ
p
＝3μs)器件正向工作时pin反向恢复期间体内的峰值电场分布；图10b是现有bgct
‑
2(τ
n
＝5μs，τ
p
＝1.7μs)器件正向工作时pin二极管反向恢复期间体内的峰值电场分布；图10c是本发明bgct(τ
n
＝10μs，τ
p
＝3μs)器件在正向工作时pin二极管反向恢复期间内部的峰值电场；
37.图11是本发明bgct器件的n
+
调整区宽度变化对pin二极管反向恢复期间阳极电子注入效率的影响；
38.图12是本发明bgct器件的n
+
调整区宽度变化对pin二极管反向恢复特性的影响。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
40.图1a是现有的bgct基本剖面结构示意图；图1b是现有的bgct门极单元和阴极单元分布示意图。由图1a可见，在bgct中每一个pin单元两侧为(1.5个)gct单元，无论bgct正向工作时gct导通，还是反向工作时pin二极管导通，两者都会有效利用对方区域来传导电流，从而解决了常规rc
‑
gct中因gct单元和pin单元相对集中所导致的电流局部集中问题。此外，gct单元与pin单元之间采用了pnp隔离区，无论g、k间电压为正或为负，pnp隔离区中总有一个pn结反偏，所以，采用pnp隔离区的漏电流很小，隔离效果很好。由图1b可见，将pin单元也做成较粗的指条状，穿插在较细的指条状gct单元之间，且通常每3个gct单元之间，插入一个pin单元，即gct单元数与pin单元之比为3﹕1，在图1b中局部可以看出每三个gct单元(细指条)及1个pin单元(粗指条)的布局结构。
41.为了保证现有bgct具有良好的换向特性，不仅需要对bgct进行均匀寿命控制，以保证gct单元和pin单元的一致性，而且需要采用特殊的掩模，对pin单元进行横向局部载流
子寿命控制，以保证pin单元的反向恢复速度和软度，这样不仅增加工艺难度和成本，而且因载流子寿命减小会导致阻断时的漏电流增加。
42.图2a是本发明bgct器件基本剖面结构示意图；图2b是本发明单个条形n
+
调整区的bgct门极和阴极单元布局示意图；图2c是本发明多个圆形n
+
调整区的bgct门极和阴极单元布局示意图。本发明bgct器件结构与现有技术的bgct结构不同在于，去掉了pin单元的p
+
阳极区，并在p阳极区内增加一个或多个n
+
调整区(如图2a所示)，且一个n
+
调整区沿条长方向按条形分布(如图2b所示)，或者多个n
+
调整区沿条长方向按圆形分布(如图2c所示)。在图2b中局部可以看出每三个gct单元(细指条)、1个pin二极管单元(粗指条，且其中加了n
+
调整区)的布局结构。
43.本发明的具体结构是，整个器件表面所有gct单元和pin二极管单元呈指条状按同心环排列均匀地分布在芯片上表面，并且gct单元和pin二极管单元按3﹕1的比例交叉分布，假设以pin二极管单元为居中，两侧为gct单元，即1个pin二极管单元，对应3个gct单元；
44.gct单元的剖面结构是，以n
‑
区为衬底，n
‑
区向下依次设置有nfs层和p
+
透明阳极区；n
‑
区向上依次设置有p基区和p
+
基区；在p
+
基区上表面局部设置有gct的n
+
阴极区，该n
+
阴极区上表面是阴极k(铝电极)；该n
+
阴极区两侧相邻的p
+
基区上表面均设置有门极g(铝电极)；
45.pin二极管单元的剖面结构是，以n
‑
区为衬底，n
‑
区向下依次设置有nfs层和n
+
阴极区，n
+
阴极区两侧与gct单元的p
+
透明阳极区相接并且在下表面设有共同的阳极a；n
‑
区向上设置有p阳极区，在p阳极区上表面中间位置设置有n
+
调整区，p阳极区和n
+
调整区上表面设置有共同的阴极k；p阳极区与两侧相邻gct单元的p基区之间均采用pnp隔离区。
46.n
+
调整区采用圆形或条形，并且其尺寸从里到外逐渐增大；n
+
调整区的宽度为40～70μm，n
+
调整区的面积与pin二极管单元阳极区的面积比为20％～35％。
47.本发明bgct器件的工作原理是：
48.当bgct两端加上正向电压(u
ak
>0)时，j2结反偏来承担正向阻断电压。由于采用了pnp隔离区，在外加电压下，两侧的j2结空间电荷区不断展宽，对漏电流有阻断作用，因此bgct能够承受较高的阻断电压。
49.bgct的开关时采用门极“硬驱动”电路来触发。当bgct开通时，在gct的门极上加一很强的正电流脉冲信号，gct的j3结会均匀注入，使阴极侧npn晶体管先大面积导通，其电流触发阳极侧pnp晶体管导通，然后npn晶体管与pnp晶体管形成正反馈，当两者的电流放大系数之和大于1时，于是gct单元全面导通，其正向导通电流会向gct单元两侧的pin二极管单元内扩展。导通后gct阳、阴极两端的压降很低，反并联的pin二极管也因此承受很低的反向电压。所以，bgct具有很低的正向压降。
50.当bgct关断时，在gct的门极上加一很强的负电流脉冲信号，gct的j3结会很快截止，于是阳极电流全部换到门极，所以gct的关断相当于阳极pnp晶体管的关断。虽然gct采用了透明阳极，但因其两侧存在pin二极管的n
+
阴极区(相当于短路透明阳极)，所以n
‑
基区中的电子会通过pin二极管的n
+
阴极区快速流出，导致关断速度加快，拖尾电流很小，并且只与少子寿命有关。
51.当bgct两端加上反向电压(u
ak
<0)且其绝对值大于pin二极管的开启电压(|u
ak
|>u
t0
)时，pin二极管导通，导通电流会向pin二极管单元两侧的gct单元内扩展。pin二极管的
压降很低，反并联的gct也因此而承受很低的反向电压，因此，bgct具有很低的反向压降。
52.当bgct器件两端的电压u
ak
正、反向转换时，为了防止gct与pin二极管单元之间的相互影响，要求gct有很快的关断速度，pin二极管有快而软的反向恢复速度，并且不能发生动态雪崩，以保证bgct可靠的换向。
53.本发明bgct器件结构中增加了n
+
调整区，使得pin二极管导通期间的阳极空穴注入效率降低，有利于提高pin二极管的反向恢复速度；在反向恢复期间，由n
+
调整区、p基区及n
‑
基区形成的寄生n
+
pn
‑
晶体管导通，增加了反向恢复末期的载流子浓度，从而提高了pin二极管的软度，同时抑制了pn结处的峰值电场，有利于提高pin二极管的抗动态雪崩能力，从而保证bgct换向的可靠性。
54.为了兼顾本发明bgct器件的静、动态特性及可靠性，其n
+
调整区宽度应合理选择。
55.特性评价
56.为了评价本发明bgct器件的特性，根据图1a和图2a建立了结构模型，利用商用软件，对比分析了具有相同结构、两种不同载流子寿命的现有bgct和本发明具有n
+
调整区bgct的各项特性。为了便于对比说明，以下将载流子寿命取τ
n
＝10μs、τ
p
＝3μs的现有bgct定义为现有bgct
‑
1；将载流子寿命取τ
n
＝5μs、τ
p
＝1.5μs的现有bgct定义为现有bgct
‑
2；本发明bgct器件的载流子寿命取τ
n
＝10μs、τ
p
＝3μs，具体分析如下：
57.1)正向阻断特性
58.当门
‑
阴极电压u
gk
＝0，阳
‑
阴极间电压u
ak
>0时，bgct器件处于正向阻断状态，由反偏的j2结来承担正向阻断电压。图3是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct器件的正向阻断特性曲线比较。由图3可见，载流子寿命相同时，本发明bgct器件和现有bgct
‑
1的阻断电压比较接近；当载流子寿命降低后，现有bgct
‑
2的阻断电压有所下降，同时漏电流急剧升高。
59.2)正向导通特性
60.当阳
‑
阴极电压u
ak
>0，且门
‑
阴极外加电压大于门极触发电压(即u
gk
>u
gt
)时，bgct器件处于正向导通状态，由gct传导电流。图4是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct器件在正向工作时gct的通态特性曲线。由图4可见，载流子寿命相同时，本发明bgct器件和现有bgct
‑
1的导通特性完全相同；当载流子寿命降低后，现有bgct
‑
2的通态特性明显变差，在相同阳极电流密度下，通态压降大幅增加。
61.3)正向工作时gct的开通特性
62.当阳
‑
阴极电压u
ak
>0，门极施加很强的正电流脉冲时，bgct器件处于开通状态，正向阳极电流在感阻性负载的限制下开始线性上升，然后趋于稳定，阳极电压逐渐下降。图5是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct器件在正向工作时gct的开通特性曲线比较。图5可见，载流子寿命相同时，本发明bgct器件和现有bgct
‑
1的开通特性完全相同；当载流子寿命降低后，现有bgct
‑
2的开通态特性稍有延迟。
63.4)正向工作时gct的关断特性
64.当阳
‑
阴极电压u
ak
>0，门极施加很强的负电流脉冲时，bgct器件开始关断，阳极电流开始下降，阳极电压开始上升。图6是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct器件在正向工作时gct的关断特性曲线比较。图6可见，载流子寿命相同时，本发明bgct器件和现有bgct
‑
1的关断特性完全相同；当载流子寿命降低后，现有bgct
‑
2的关断提前，阳
极电流快速下降。
65.上述bgct的正向特性说明，只要本发明bgct器件和现有bgct的寿命相同，其特性就相同。
66.5)反向工作时pin二极管的正向导通特性
67.图7是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct器件在反向工作时pin二极管的正向导通特性曲线。图7中，本发明bgct器件的反向导通特性介于两种现有bgct反向导通特性之间，即在相同的阳极电流密度下，现有bgct
‑
1的压降最低，本发明bgct器件次之，现有bgct
‑
2最高。这是因为pin二极管导通期间，阳极空穴注入效率不同所致，如图8所示。本发明bgct器件因增加了n
+
调整区，导致pin二极管导通期间阳极空穴注入效率降低，使得其中的非平衡载流子浓度降低，故压降有所增加。
68.6)正向工作时pin二极管的反向恢复特性
69.图9是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct器件在正向工作时pin二极管的反向恢复特性曲线。图9可见，本发明bgct器件中pin二极管的反向恢复特性明显优于两种现有bgct中pin二极管的反向恢复特性，不仅峰值电流降低，而且软度增加。
70.图10是本发明bgct器件与具有不同载流子寿命的两种现有bgct器件在正向工作时pin二极管反向恢复期间体内的峰值电场分布比较。由图10a可见，现有bgct
‑
1在pin二极管反向恢复期间，pn
‑
结和nn
+
结处的峰值电场强度分别为为1.89
×
105v/cm和2.5
×
105v/cm；由图10b可见，现有bgct
‑
2正向工作时pin二极管反向恢复期间，pn
‑
结和nn
+
结处的峰值电场强度分别为1.9
×
105v/cm和2.9
×
105v/cm；由图10c可见，本发明bgct器件正向工作时pin二极管反向恢复期间，pn
‑
结和nn
+
结处的峰值电场强度分别为1.56
×
105v/cm和3.3
×
105v/cm。相比较而言，本发明bgct器件在pin二极管的反向恢复初期，pn
‑
结空间电荷区扩展较快，pn
‑
结处的峰值电场强度较低，因此恢复速度较快，且不容易发生动态雪崩；在pin二极管的反向恢复中期，nn
+
结处的峰值电场强度较强，有利于电子的抽取；在pin二极管的反向恢复末期，高的阳
‑
阴极反向电压使得由n
+
调整区、p基区及n
‑
基区形成的寄生n
+
pn
‑
晶体管导通，有利于在n
‑
基区形成较多的电子，以维持拖尾电流，从而获得软的反向恢复特性。
71.图11是本发明bgct器件的n
+
调整区宽度变化对pin二极管反向恢复期间阴极电子注入效率的影响。由图11可见，随n
+
调整区宽度增加，反向恢复期间电子注入效率就越大，注入量就越多。但是，当n
+
调整区宽度增加导80μm时，由n
+
调整区、p阳极区、n
‑
基区形成的寄生n
+
pn
‑
导通后，注入的电子电流增加，驱动由p
+
透明阳极区、nfs层、n基区和p基区形成的寄生p
+
nn
‑
p晶体管也导通，于是bgct会发生闩锁，使得pin二极管无法实现正常的恢复，如图12所示，导致bgct换向失效。
72.上述特性分析表明，与现有的bgct相比，本发明bgct器件无需对pin二极管进行特殊的寿命控制(τ
n
＝10μs、τ
p
＝3μs)，就可表现出优良的特性和可靠性。因此，用本发明bgct器件来代替现有bgct可望更好地满足于逆变器等大功率变流器的实际应用。
73.本发明bgct器件的制备方法，按照以下步骤实施：
74.步骤1、选用原始的高阻区熔中照硅单晶作为n
‑
区；
75.步骤2、硅片清洗后腐蚀减薄，在n
‑
区的下表面，采用磷离子注入，形成nfs层的掺杂；
76.步骤3、采用干氧
‑
湿氧
‑
干氧交替氧化形成掩蔽膜，同时将nfs层的掺杂进行推进；
77.步骤4、在上述晶片表面，通过光刻形成铝离子注入窗口；然后在光刻胶的掩蔽下进行铝离子注入；
78.步骤5、去掉晶片表面的光刻胶，在gct部分重新光刻形成硼离子注入窗口；然后在光刻胶的掩蔽下进行硼离子注入；
79.步骤6、去掉表面的光刻胶和氧化层，重新生长二氧化硅
‑
氮化硅
‑
二氧化硅三层掩蔽膜，然后高温推进，同时形成gct的p基区和p
+
基区，以及pin二极管p阳极区的掺杂；并在gct的p基区与pin二极管的p阳极区之间自然形成pnp隔离区；
80.步骤7、去掉晶片上表面的二氧化硅
‑
氮化硅
‑
二氧化硅三层掩蔽膜，重新生长二氧化硅掩蔽膜，通过光刻形成磷扩散的掺杂窗口；
81.步骤8、在上步得到的晶片上表面，采用pocl3源进行选择性的磷两步扩散，在gct的p
+
基区上表面形成n
+
阴极区，同时在pin二极管的p阳极区表面形成n+调整区；
82.步骤9、在上步得到的晶片上表面生长氧化层，光刻形成门极区和pnp隔离区上表面的腐蚀窗口，然后利用腐蚀工艺进行门极区和隔离区挖槽，形成门
‑
阴极台面结构；
83.步骤10、去掉晶片表面的氧化层，重新生长氧化层，下表面光刻，形成pin二极管n
+
阴极区的磷注入窗口，然后进行磷离子注入，退火兼推进，形成pin二极管的n
+
阴极区；
84.步骤11、去掉下表面的氧化层，然后进行硼离子注入，退火兼推进，形成gct的p
+
透明阳极区；
85.步骤12、采用干氧
‑
湿氧
‑
干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，通过光刻，去掉下表面的二氧化硅层，上表面形成gct门
‑
阴极界和pnp隔离区的保护二氧化硅图形；
86.步骤13、对整个晶片上、下表面分别蒸铝，然后通过反刻铝，去掉门极处的铝层；然后重新蒸铝，并进行二次反刻铝，增加了门
‑
阴极台面高度，合金化后形成门极、阴极的金属化电极；
87.步骤14、对上步得到的晶片下表面，依次溅射钛、镍、银三层金属化电极，合金化后形成阳极多层金属化电极；
88.步骤15、在上步得到的晶片上表面甩聚酰亚胺膜，光刻形成门
‑
阴极区和隔离区的保护图形，并进行亚胺化处理；然后进行磨角保护、表面钝化；
89.步骤16、在上步得到的晶片整个上表面进行电子辐照，实现bgct中载流子寿命的均匀控制，然后退火，特性测试，即成。