（微电子学与固体电子学专业论文）45kv+cpgct的机理研究与优化设计.pdf

学科名称：微电子学与固体电子学 研究生：孙海刚 指导教师：王彩琳教授 摘要 签名： 签名： 波状p 基区g c t ( c p g c t ) 器件是基于传统的非对称g c t ( a g c t ) 改进的一种 大功率半导体器件。采用这种波状p 基区结构，可极大地提高单个g c t 器件的功率容量， 扩大其安全工作区，使得实际应用不再需要多个g c t 器件的串并联。所以，研究c p g c t 器件的工作机理和特性对开发高压、大容量i g c t 器件意义重大。 本文首先利用i s e t c a d 软件研究了波状p 基区g c t ( c p g c t ) 器件的工作机理， 然后以4 5 k vc p g c t 为例，对c p g c t 器件在常温和高温下的动、静态特性进行了分析 与模拟，提取了优化设计的结构参数。最后对c p g c t 器件的制作工艺进行了分析与设 计。主要研究内容如下： 第一，根据c p g c t 器件的结构特点，利用i s e 软件模拟了器件在导通期间的载流子 分布和阻断状态下的二维电场分布，以及开关过程中载流子的运动轨迹。通过与传统的 a g c t 器件进行对比分析，揭示了c p g c t 器件的工作机理。 第二，利用i s e - t c a d 软件模拟了c p g c t 器件的静、动态特性，分析关键结构参 数变化对器件各项特性的影响。结果表明，由于c p g c t 器件采用了波状p 基区，使其 导通特性和开关特性优于传统的a g c t 器件，且关断过程电流的均匀性明显得到改善， 只是阻断电压稍有下降。并且，当波纹宽度一定时，随着p + 基区的减小，波纹高度增加， 通态压降减小，但关断损耗增加，阻断电压下降。 第三，分析了c p g c t 器件在高温下的各项特性，讨论了温度变化对器件特性的影 响，提取了满足4 5 k v 特性要求的优化设计的结构参数。高温特性分析表明，c p g c t 器 件导通和开通特性优于a g c t 器件。波纹高度越高，通态压降减小，阻断电压下降，器 件的开通变快，但是关断交慢，关断时的拖尾电流增大。 最后，研究了c p g c t 的制作工艺。根据4 5 k vc p g c t 的结构参数，设计了具体的 工艺流程。利用i s e t c a d 软件进行了工艺模拟，分析了前后道工艺之间的相互影响， 并对工艺模拟结果进行了验证。 本文的研究结果对大功率g c t 器件的设计和开发有一定的指导作用和参考价值。 关键词：门极换流晶闸管；波状p 基区；机理；高温特性；工艺模拟 本研究得到国家自然基金的资助( 5 1 0 7 7 1 1 0 ，5 0 8 7 7 0 6 6 ) 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：m e c h a n i s ms t u d ya n do p t i m a id e s i g no f4 5 k vc p - g c t m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i ca n ds o de i e c t r o n i c s n a m e ：h a i g a n gs u n s u p e n ，i s 0 r ：p r o f c a i l i nw a n g a b s t r a c t s i g n a t u 陀 s i g n a t u 怕 c o 肌g a t e dp - b a s eg c t ( c p g c di s a 1 1i i i l p r 0 v e dl l i g h l p o w e r l t l i c o n d u c t o rd e v i c e s b a s e do nt t l e 缸砌i t i o n a la s y l i l i l l e t r i c a lg c t ( a - g c d 1 kc p g 配ts 虮【c t l 鹏u s e dt l l e c o 咖g a t e dp b a s ec 觚g r e a t l yi m p m v et l l ep o w e rc a p a c i t yo fas i i l g l eg c td e v i c e ，e x p a n dm e d e v i c es a 凫o p e r a t i n gr e g i o n ( s o a ) ，a n dm a k e sp r a c t i c a la p p l i c a t i o l l sn ol o n g e rn e e d i n gs e r i e s a i l dp a r a l l e lo fm u l t i p l eg c td e v i c c - ，n l e r e f o r e ，t h es 砌yo fm em e c h a i l i 锄锄dc h a r a c t e r i s t i c s o ft t l ec p g c td e v i c e sl 粥趾i m p o r t a i l c em e a i l i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fh i 曲v o l t a g e ， i l i g h - c 印a c 毋i g c t d e v i c e s m st h e s i sh a ss t u d i e dt 1 1 e0 p e r a t i o nm e c h a i l i s mo fag a t ec o r 啪u t a t e d 嘶s t o r 诚t ha c o n u g a t e dp - b a s er e g i o nb yi s es i m u l a t o r ，c a l l e dc p - g c t ，锄da sm ee x 锄p l eo f4 5 k v c p g c t ，t h es t a t i ca 1 1 d 由m a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fc p - g c ta tr o o m t e m p e r a 臼l r e a i l d h i 咖t e n l p e 阳n a r ea 1 1 a l y z e d ，锄dt h eo p t i m a ld e s i 印p 觚u n e t e r so f4 5 k vc p g c ta r eg i v e n l a s t l y ，l ef a b d c a t i o np r o c e s so fc p g c td e v i c ea r es i m l l l a t e da n dd e s i 印e d n em a i n c o n t e n t sa r ea sf o u o w s ： f i r s t l y ，b a s e do nt h cs t r u c t u r a lf e a t l l r e so fc p g c td c v i c e ，t l l ec a 盯i e rc o n c e l l t r a t i o n d i s 仃i b u t i o nd u r i n gc o n d u c t i n g ，t h et w o d i m e 璐i o n a le i e c 打i cf i e i dd i s t r i b u t i o nd u r i n gb l o c k i i l g ， a n dt h ec u 玎e n td e n s 毋觚dc 枷e r sv e c t o rd i s 锄m i o nd m 吨刚t c h i n go fc p g c td e v i c ea r e s i m u l a t e db yi s es i i l l u l a t o ra n dc o m p a r e dw i t l lt h a to ft 1 1 e 觎【d i t i o m l 弱y i i l i i l e t r i c a la - g c t ，t h e o p e r a ：t i o nm e c h 趾i s mo fm ec p g c td e v i c ei sr e v e a l e d s e c o n d l y ，t h es t a t i ca n dd y n 啪i cc h a r a c t e r i s t i c s o fc p g c ta r es i m u l a t e db yt h e i s e t c a ds i 舢l a t o r ，t h e 砌u e n c eo fk e y 姗t l 脚p a r a m e t e r so nm ec h a r a c 矧s t i c so f c p g c td e v i c e sa r ea 芏l a l y z e d 1 1 1 er e s u l t ss h o wm a t ，b e c a u s eo f 也cc o 玎u g a t e dp b a s e ，t h c c o n d u c t i n ga n d 吐1 es w i t c l l i n gc h 觚屺t e r i s t i c so fc p - g c td e v i c ea r eb e t t e rt h a i lt h a to ft h e 仃a d i t i 0 砌a g c t 锄dt h ec 嗽n t 嘶f o m 时o fc p g c td e v i c e 如崦刚t c l l i n gi si m p r o v e d o b v i o u s l y ，b u tt h eb r e a k d o w nv o l t a g er e d u c e ss l i 曲t l y a n df o rg i v e nc o r m g a t i o nw i d m ，l e c o r m g a t i o nh e i 曲ti n c r e a s e s 丽mt l l ed e c r e a s eo ft h et 1 1 i c k n e s so fp + b a s er e g i o n ， t l l eo n s t a t e v o l t a g ed r o pr e d u c e s ，b u tt h et u m o 行1 0 s si n c r c a s e sa n dm eb l o c k i n gv o l t a g ef 酊l s i i i 西安理工大学硕士学位论文 m r d l y ，m ec h a m c t e r i s t i c s a t k g h t e m p e r a l u r e o fc p - g c ta s i m u l a t e d b yt 1 1 e i s e t c a ds i i i l u l a t o r ，m ei i l f l u e n c eo ft e m p e r a ：t u r ev a r i a t i o no nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc p g c t d e v i c e sa r ca m l y z e d ，锄dt l 圮o p t i i l l a ld e s i 印p 钺m e t e r so f4 5 k vc p - g c ta r e ：西v e l l t l l e r e s u 恼s h o wt 1 1 a tc 0 i l d u c t i i 培砒l dt h et u r l l o nc t e r i s t i c so fc p g c td e v i c ea r eb e t t e rt h 乏m t l l a to ft h e 仃a d i t i o n a la - g c td e v i c c 舭c 0 删g a t i o nh e i 出妣r e a s e s 、) i ，i t hm ed c c r e a s co ft h e t h j c k n e s so fp 十b 嬲er e g i o n ，t h e0 n s t a t ev o l t a g ed r o pr e d u c e s ，t 1 1 eb r e a l 【d o w nv o n a g er e d u c e s s l i g l l t l y t h et u m o f ft i m e s 锄dt a i lc m t e n ti n c r e 嬲e s t l l et 啪- o nt h e s r e d l l c e l 剁y ，恤f a b r i c a t i o np r o c e s so fc p g c td e v i c ei ss t u d i e d b a s e do nm eo p t i i l l a ld e s i g n p 娥m e t e ro f4 5 k vc p g c t ，t l l et e c h i l i c a lp r o c e s sn o w i sd e s i 印e d ，锄dt h ef a l 证c a t i o np r o c e s s o fc p g c ta r es i i i l u l a t e d b yt h ei s e t c a ds i m u l a t o r ，m em 1 i t l 枷i n n u e n c e so fp o s t s t e p 锄d f 如n t - s t e pp r o c e s sa r ea l l a l y z e d ，a r l dt l l es i m u l a t e dr e s u l t so ff i a b r i c a t i o np m c e s sa r ec o 砌i m e d t h er e s e a r c hr e s u h sl l a v ear e f e r e n c ev m u ea i l dg u i d i i l gs e n s ef o rt h ed e v e l o p m e n ta i l d s t u d yo fh i 曲e 伍c i e n c yg c t d e v i c e s k 叼例o r d s ： g a t ec o n u n u t a t e d n ) r r i s t o r ( g c l ) ， c o r r u g a t e dp - b 嬲e ，m e c h a l l i s m ，h i 咖 t e m p e r a ：t u r ec h a r a c t e r i s t i c ， p m c e s ss i m u l a t i o n p 啊e c t i o ns u p p o m db ym e n a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t o n ( n o 5l0 7 7l lo ，5 0 8 7 7 0 6 6 ) 1 绪论 1 绪论 现代电力电子技术的发展不仅关乎传统工业( 交通，铁道，电化学，家用电器等) ， 而且对高新技术产业( 机器人，航空，航天等) 的发展也是不可估量的。其应用范围十分 广泛，涉及了国民经济的各个领域【。电力电子器件作为电力电子技术的核心，主要用来 进行电能控制和转换，其发展对电力电子技术的发展起着至关重要的作用1 2 j 。 电力电子器件的发展经历了以下几个阶段：( 1 ) 半控型器件，2 0 世纪5 0 年代美国通用公 司发明的硅晶闸管，到7 0 年代的相继出现的晶闸管派生器件如快速晶闸管，逆导晶闸管， 双向晶闸管，非对称晶闸管等；( 2 ) 全控型的，7 0 年代后期出现的可关断晶闸管( g t o ) ，电力晶 体管( g 咖j d ，以及功率m o s f e t ，静电感应晶体管( s i t ) ；( 3 ) 复合型器件，8 0 年代出现的包 括i g b t ( 绝缘栅双极晶体管) 静电感应晶闸管( s i t h ) ，9 0 年代后期，又出现了一些新型器 件m o s 控制型晶闸管( m o s 。c o l l t r o l l e dt i l 妒s t o r ) 【3 】，以及驱动电路和器件结合的集成门极 换流晶闸管i g c t ( i n t e g r a t e dg a t ec o m m l l 切t e d1 吣r i s t o r ) 州，电子注入增强型栅极晶体管 i e g t ( 1 1 1 j e c t i o ne n c h a l l c e dg a t et r a n s i s t o r ) 【5 】 发射极开关晶闸管e t o ( e m i 讹rt u 【m - o 圩 t h 河s t o r ) i 卵】和最新出现的集成电力电子模块i p e m ( m t e g m t e dp o w e re l e c 昀i l i cm o d u l e s ) ， 以及在电力电子模块基础上发展起来的电力电子积木p e b b ( p o w e re l e c 仃i cb u i l d i n g b l o c k ) ，它将各种器件，电路和控制系统集成在一起。目前，电力电子器件正向高压、大功 率、高频、高速、耐高温、抗辐射、高可靠性等方向全面发展，其典型代表就是新型宽禁 带半导体材料s i c ，还有氮化镓( g a n ) 和砷化镓( g a a s ) 等材料制成的复合器件，克服了传统 s i 器件的不足，代表了未来器件的发展方向瞄j 。 1 1i g c t 的应用前景和国内外发展现状 i g c t 是一种主要用于大型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件，它利 用g 1 d 硬驱动的优点，把门极硬驱动电路与g c t 器件集成在一起形成一个组件。非常 适合于h v d c 、大功率电机调速变频器、风力发电变流器、静止同步补偿器( s t a t c o m ) 等，还有在电力机车牵引、冶金、大功率扎机、传动、能量控制、工业驱动等领域也有着 广泛的应用例。 门极换流晶闸管g c t 是一种新型电力半导体器件，它在传统g t o 结构里引入了n 缓冲层( b u 成rl a y e r ) 、透明阳极( t r a n s p a r e n t 加l o d e ) 和反并联续流二极管。g c t 通过n 缓 冲层将硅片的厚度降低了1 3 左右，大幅度地降低了器件的通态损耗。透明阳极结构大大 提高了电子的抽出速度，同时限制了阳极空穴的注入效率。可以说，g c t 结合了晶体管 和晶闸管两种器件的优点，具有晶闸管的低通态损耗和晶体管的快速关断能力f l 们。 在国外，瑞士的a b b 公司于1 9 9 7 年9 月在欧洲电力电子国际会议( e p e 9 7 ) 率先报道 了i g c t 【l l 】。a b b 公司采用2 8 8 只i g c t 串联开发了1 0 0 m v a 的大功率变流器，并于1 9 9 6 年成功地应用于德国铁路系统中。a b b 的i g c t 目前有三类分别为：非对称型、逆导型 和逆阻型。成熟产品电压系列有非对称型的4 b u 4 5 l 【v 和5 5 幽“5 k v 以及4 2 k a 6 5 k v ， 西安理工大学硕士学位论文 还有逆导型的1 8 k 刖5 5 k v 等几款【1 2 1 3 1 。此外，日本三菱公司也进行i g c t 器件的研究。 在国内，2 0 0 8 年株洲南车时代电气公司报道了4 k a 4 5 l ( v 的非对称i g c t 器件1 1 4 1 。 此外，国内还有一些其他的科研单位和公司在积极的进行i g c t 的特性和工艺研究。由于 g c t 器件结构的特殊性和国内有限的工艺条件，i g c t 器件的产业化发展还需要进一步 的探索和研究。 随着器件耐压的提高，不再需要开关器件的串并联，极大地扩展了单个i g c t 器件的 功率容量，增大了器件工作的安全工作区，对开发高压、大容量i g c t 器件意义重大。目 前，a b b 公司提供了一款2 w 1 0 k vi g c t ，充分说明了利用硅材料也能实现高耐压【1 5 d 们。 又于2 0 1 1 年采用h p t ( h i 咖p o w e rt e c i l i l o l o g y ) 技术研发了3 2 l 洲1 0 k v 逆导型g c t 【r 丌， 成为目前市场上可用的耐压和电流容量最大的i g c t 器件。但是对于实际应用来说，额定 电流容量还有待提高，还需要进一步的探索和研究。目前，a b b 公司对i g c t 的研究重 点是，通过器件结构的不断更新，提高器件性能与可靠性。 1 2c p - g c t 结构的提出 2 0 0 8 年a b b 公司提出了一种具有波纹状p 基区( c o m l g a t e dp - b a s e ) 的新结构i g c t ， 称作“h i 曲- p o w e rt e c l l i l o l o g y ，( h p t ) 技术，这种结构的g c t 器件的p 基区分为高浓度p + 区 和低浓度p 区。高浓度p + 区由硼扩散工艺形成，低浓度p 区是在阴极n + 区的掩蔽下由铝 扩散形成。由于这种特殊的工艺方法，使得j 2 结的结面不再是一个平行平面结，而呈波纹 状，于是形成了一个波状p 基区。图1 1 为常规非对称g c t 结构与波纹状p 基区a g c t 结构比较。采用这种h p t 技术，形成了一个波状p 基区，可以提高h p t - g c t 的反向偏 置安全工作区( i m s o a ) l l 引。 lp + l p 1 弋 c 缸 d d b p + p - 八 f r _ _ ，。_ ，、 ( a ) 传统g c t 单元( b ) 职t g c t 单元 图1 1 传统的g c t 单元和采用h p t 的g c t 单元 f i g u r el - 11 1 1 e 咖c n 鹏o f ac o n v e n t i o n a lg c tc e l i 锄dm em y rg c tc e n 目前，已推出的h p t - i g c t 器件有4 5 k v 5 5 k a 和6 5 k v 3 k a ，还有1 0 k v 2 k a 和 1 0 k v 3 2 k a 的h p t - i g c t 【1 9 1 。采用h p t 技术研发成功1 0 l i g c t 器件，在大功率半导体 器件的发展史上具有里程碑的意义。h p t 技术的应用，使得l o l ( v 的i g c t 器件具有6k v 器件的额定关断电流能力，并且硅片沿径向的关断过程更加均匀。 图1 2 为一种加强型p 基区( f 0 i t i f i e dp - b a s e ) g c t 结构【2 睨1 1o 与传统非对称g c t 器 2 l 绪论 件的结构相比，其阴极下方的j 2 结结深和传统非对称g c t 器件一样，但门极下方的p 基 区的厚度增加，使j 2 结的结面向下延伸。这种加强型p 基区是在标准的p 基区工艺基础 上，利用在阴极n 2 区的掩蔽下进行大面积趾扩散而成。所以，j 2 结的结面也不是一个平 行平面结，而是一个波纹状的结面。 图l - 2 加强型p 基区g c t 结构 f i g u r e l - 2 t h eb 笛i c 殉1 l 曲l 佗so f f o r t i f i e dp - b 勰eg c t 根据以上分析可知，波状p 基区的波纹形状受阴极条宽的限制。当阴极条宽较窄时， 可形成如图1 1 ( b ) 所示的波纹；当阴极条宽较宽时，可形成如图1 2 所示的波纹。跟踪国外 g c t 器件的研究情况，结合国内的实际工艺水平，并考虑到国内光刻工艺精度的影响，本 文确立以阴极条较宽( 如图2 1 ( b ) 所示) 的波状g c t ( c p g c t ) 器件作为研究对象。 1 3 本文主要工作 本文在分析c p g c t 结构特点和各项特性的基础上，以4 5 k vc p g c t 为例，利用 i s e t c a d 模拟软件【2 2 1 ，确立了c p g c t 器件和传统a - g c t 器件的结构模型，通过对比 分析，研究了c p g c t 器件的工作机理。然后，对常温和高温下c p g c t 器件动、静态 特性进行模拟，提取了优化设计的结构参数。最后，设计了c p g c t 器件的具体工艺流 程，进行了工艺模拟，确定了最终的工艺实施方案。各章具体内容安排如下： 第一章，绪论。主要介绍了i g c t 器件目前的应用前景和国内外发展概况，以及c p g c t 器件结构提出的背景，并简述了论文的主要研究内容。 第二章，c p g c t 器件的结构特点介绍和机理研究。分析了c p g c t 器件的结构特点， 通过模拟器件在导通期间的载流子分布和阻断状态下的电场分布，及开通、关断过程中的 载流子运动轨迹，并与传统非对称型a - g c t 器件进行对比，揭示了c p g c t 器件的工作 机理。 第三章，c p g c t 器件的特性模拟和优化设计。利用i s e t c a d 软件模拟了c p g c t 器件常温下的动静态特性，研究了器件内部的结构参数变化对器件动静态特性的影响，并 与普通a - g c t 器件进行比较。此外，还分析了不同波纹高度时c p g c t 器件的导通特性， 阻断特性和开关特性。研究了c p - g c t 器件的高温特性，分析了温度变化对c p g c t 器 3 西安理工大学硕士学位论文 件特性参数的影响，并对特性参数进行了优化，提取了满足4 5 k vc p g c t 高温特性要 求的结构参数。 第四章，根据特性分析与优化设计所提取的4 5 k vc p g c t 结构参数，设计了c p g c t 具体的工艺流程。利用i s e t c a d 软件进行单步以及整体的工艺模拟，对模拟结果进行 了间接验证。 第五章，对全文进行总结，给出关键结论。 4 2c p g c t 的工作机理研究 2c p - t 的工作机理研究 本章简述了波状基区非对称型g c t ( c p g c t ) 器件的结构特点，通过分析器件导通 期间的载流子分布和阻断状态下的电场分布，以及开关过程中的载流子运动轨迹，并与传 统a g c t 器件进行比较，揭示了c p g c t 器件的工作机理。 2 1 结构特点 传统非对称a g c t 与波纹状p 基区c p g c t 的基本结构如图2 1 所示。由图2 一l ( a ) 可见，在传统a g c t 结构中，p 基区是利用硼铝( b 剁) 双质扩散同时形成。由图2 - 1 ( b ) 可见，在c p g c t 结构中，p 基区分为高浓度p + 区和低浓度p - 区。高浓度p + 区是由硼扩 散工艺形成，低浓度p 。区是在阴极n + 区的掩蔽下由铝扩散形成的。由于这种特殊的工艺 方法使得j 2 结的结面不再是一个平行平面结，而是呈波纹状，形成了一个波状p 基区。 波纹宽度受阴极条宽和b 舢扩散结深的限制，而高度则跟b 一砧扩散的结深有关幽】。 ( a ) a g c t 剖面( b ) c p - g c t 剖面 图2 。l 波状p 基区g c t 与传统a - g c t 的结构比较 f i g u r e2 一lc o m p 撕s o no f m e b 鹪i cs t r u c 饥鹏so f a - g c t ( a ) 锄dc p - g c t ( b ) 2 2 工作机理研究 2 2 1 阻断机理 当g c t 的阳阴极电压u 舻o ，门极电流i g 低于门极触发电流i g t 时，器件处于正向 阻断状态，j l 和j 3 结均为正向偏置。随着外加电压u a k 的增加，j 2 结上承受的反向偏压 增加。当u a l ( 超过其转折电压时，器件将会发生转折导通。 图2 2 给出了c p g c t 与a g c t 阻断状态下的二维电场分布剖面和一维电场分布曲 线。由图2 2 ( a ) 可知，传统a g c t 沿整个j 2 结面的电场分布十分均匀，电场强度峰值位 于p n 结的界面。由图2 2 ( b ) 可知，波状基区c p g c t 的j 2 结存在弯曲，靠近门极下方电 场明显强于阴极中心处，并且电场强度峰值位于门极附近的结弯曲处。这说明阻断状态下 c p g c t 器件体内的峰值电场明显比a g c t 的高。图2 。2 ( c ) 为沿阴极中心的纵向剖面分 布。由图可知，传统a g c t 在距表面以下9 0 岬处的j 2 结面上的电场峰值最高，其值约 为1 5 2 1 0 5v 尼m ；图2 2 ( d ) 分别为沿阴极中心( x = o ) 和门极处( x = 1 0 0 ) 的纵向剖面分布。由 5 西安理工大学硕士学位论文 图可知，c p g c t 器件靠近门极下方电场峰值明显强于阴极中心下方，靠近门极下方电场 峰值约为1 6 8 1 0 5 v c m ，阴极中心下方的电场峰值约为1 3 1 0 5 v 锄 朝o 薹t 蝴 正 墨 2 面柏o e i e c l c f l e i d 历1 5 e + 0 5 1 2 e + 0 5 缫：嚣： 簟篙： e i e c l f i c f e i d 嬲1 7 艮0 5 1 3 e + 0 5 ( a ) a - g c t 的二维电场分布 c c t 的二维电场分布 一 o 。、- 、 。、 、 、l 。1 ， ol 啪l 、 i - ( c ) a g c t 的电场分布曲线( d ) c p g c t 的电场分布曲线 图2 - 2c p g c t 与a g c t 阻断状态下的二维电场剖面与电场分布曲线 f i g u r e2 2t w od i m e n s i o n a le l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fc p g c t 觚da - g c td u r i n gb 1 0 c l ( i n g 2 2 2 导通机理 当g c t 的阳阴极电压u 舻0 ，门极电流i g 大于门极触发电流i g t 时，g c t 器件处于 通态【2 4 1 ，j l ，j 2 ，j 3 结都处于正偏，器件处于稳定的导通状态，具有很低的通态压降。 图2 3 给出了c p g c t 和a g c t 导通时沿阴极条中心位置纵向剖分的电子和空穴分 布以及掺杂分布。从图2 3 中可见，除了p 基区的掺杂分布有所不同外，c p g c t 和a g c t 其他区域均相同。在导通状态下，除了c p g c t 阴极正下方处的p 基区处的载流子浓度 稍高外，n - 基区的载流子浓度明显低于传统a g c t 的n 基区载流子浓度。这说明传统 a o c t 的维持导通需要阴极区注入更多的电子，阳极注入更多的空穴。并且，在阴极一 侧，c p g c t 的p 基区载流子浓度梯度分布更陡，有利于开通时载流子的输运；此处的 浓度较低，有助于关断时载流子的抽取。在阳极一侧，尽管n 缓冲区的掺杂浓度相同，但 c p g c t 在该处的载流子浓度远低于传统a g c t 在该处的载流子浓度，说明c p g c t 在 关断时要抽取的非平衡载流子更少，关断更容易。 6 脚 蝴 晰 。 ， 苣卫葛v-。c o i 譬函 2c p g c t 的工作机理研究 染二 ；： ： r 7r _ j | 垴c r 一一二：毒 j i ：孵l - “ c p g c l “。 硝 ；| i d o p i c n t 哺h o n 卜f 匡 _ d n o i t y - c p - g c l 0 d e r 、s j l y a g c _ r 1 卜| 巨 h d e n b 睫v c p g c t - n d e n 暑博y - a gc t l d o o i n a c o n c a n t r a 船o c # g c l ； i ：警 = 霸嗡p i ，i q v c 皂r 叠秘 l r a i i o ? 蠕j 翮 图2 3c p - g c t 和a g c t 导通时沿阴极条中心位置纵向剖分的载流子分布和掺杂分布比较 f i g u 陀2 - 3c a r r i e r s 锄dd o p i n gd i s t r i b 埘o i l sa l o n gc a t h o d ec e n t e ro fc p - g c t 锄d a - g c t d 嘣n gc o n d u c t i n g 图2 4 给出了c p g c t 和a g c t 导通时沿门极位置处纵向剖分的电子和空穴分布及 其掺杂分布。由图可知，除了p 基区的掺杂分布稍有不同外，c p g c t 和a - g c t 其他区 域均相同。导通过程中，c p g c t 门极处的空穴和电子浓度远比a g c t 对应处的高，而n 基区的浓度则比较低。这说明c p g c t 的导通更加均匀。 贫 妻 量 富 薹 i 、 i ! j 。姓 arb c t ；主 ，越 、c p ：卞 ； 砉 l d o p l n 口o o r - n “i 旺l o n i d e n s t y - c p g c t 一 d e n s i t y a g c t ：一 r 、t ，d ，! ，、r 日u 日s y 。o r u o 。 ，d 一r ：0 ：二：二：= ：i 三二= ：= ：二一。一g c l ”：一一 z 二二：= = 二二二= ：二二：i 二：= 二二：3 c t d p 目徊m ) 图2 4c p g c t 和a g c t 导通时沿门极位置处纵向剖分的载流子的分布及掺杂分布 f i g u 2 - 4c a 耐e r sa l l dd o p i n gd i s t r i b 确。璐a l o n gv e m c a lg a t eo fc p - g c t 锄da - g c td u r i n gc o n d u c t i n g 图2 5 为c p g c t 和a g c t 通态时，沿阴极下方p 基区中间横向剖分的载流子分布 比较。对比发现，阴极正下方处c p g c t 的p 基区中空穴和电子浓度均低于a g c t 。门 极处，c p g c t 的空穴和电子浓度则均高于a g c t 。对c p g c t 而言，导通期间门极处 的空穴浓度( 最高约为7 8 1 0 1 7 c m 。3 ) 和电子浓度( 最高约为3 5 1 0 c i n 3 ) 高于门阴极结处对 应处的空穴浓度( 最低约为7 1 0 1 7 c m 。) 和电子浓度( 最低约为3 1 0 1 7 c m 刁) ，这说明c p g c t 中的横向载流子浓度存在指向门极的梯度，有更多的空穴和电子被注入到门极两侧处， c p g c t 的导通电流更加均匀。对a g c t 而言，导通期间门极位置处的空穴浓度( 最高约 7 钠 弧 帆 帆 叭 嫩 缔 t 1 i t 1 l i 第；霹1)量喜岳。 魄 卟 帆 帆 啪 铲 西安理工大学硕士学位论文 为6 7 1 0 1 7 c m 。) 和电子浓度( 最高约为3 2 1 0 1 7 c m 。) 低于门阴极结处对应处的空穴浓度( 最 高约为7 1 0 1 7 c m 。) 和电子浓度( 最高约为4 1 0 1 7 c m 3 ) ，这说明a g c t 中的横向载流子浓 度存在指向阴极的梯度，更多的空穴和电子被注入到中心阴极处，a g c t 的导通电流比 较集中。可见，与a g c t 相比较，c p g c t 器件导通期间的载流子浓度发生了再分布， 其横向载流子的浓度梯度加大，且浓度梯度方向发生改变。 ， 一o v ：t ； h o目商函囊g c t ，o dl n 肆西c p g c t 誊、 i：。izf | i 帕? ? 鼍力t 笏r 0；z 彬 “淖i u 40 ， 酞：； - 。刀： 、 、 ：! 一 j” ? ? ：。：。 j ，j 夕l l l = 。：i 一，0 j ? ? 。_f _ _ ? _ t m 羹i j ， 、 ：j ：，参7 。! ；= “ ；，。! j i j t 一 1 、o 。if 二二， l t 、l d e p t he u r n ) 图2 5c p g c t 和a g c t 导通时沿阴极下方p 基区中间横向剖分的载流子分布比较 f i g u r e2 - 5c a r r i e r sa n dd o p i n gd i s t r i b u t i o n sa l o n gl a t e r a lp b a s eo fc p g c ta n da g c td u r i n gc o n d u c t i n g 图2 6 为a g c t 和c p g c t 处于通态时内部总电流密度分布剖面图。由图2 6 可见， c p g c t 的门极和阴极正下方两基区中的电流密度明显高于a g c t 的相应处的电流密度， 并且，c p g c t 的导通时其中的电流分布更加均匀，其内部的电流密度要高于a g c t 器 件。这是因为由于波状p 基区的存在，c p g c t 有效的p 基区厚度比传统a g c t 的p 基 区要薄，维持n p n 晶体管导通只需要很少的载流子，再加上j 2 结弯曲处的电场分布对注 入的空穴的促进作用，使得其门极下方的载流子浓度大，阴极正下方的载流子浓度小。 ( a ) a g c t( b ) c p g c t 图2 6a g c t 和c p g c t 处于通态时内部总电流密度分布比较 f i g u r e2 6c o m p a r s o no ft o t a lc u r i e n td e n s i t yd i s t r i b u t i o no fc p - g c ta n da g c td u r i n gc o n d u c t i n g 2c p g c t 的工作机理研究 2 2 3 开通机理 当器件外加正向电压u a k ，门极加正触发脉冲时，j 3 结正偏，p 2 基区的电位很快上升， 波状p 基区的特殊结构，使得阴极正下方有效p 基区厚度减薄，维持电中性只需要少量的电 子，更多的电子被注入到门极，一部分与p 基区的空穴复合，又由于反偏的j 2 结弯曲导致 电场集中效应，大部分进入p 基区的电子很快被反偏的j 2 结扫入n 基区，使n 基区的电位降 低，促使阳极p i 区注入更多的空穴到1 1 基区，并被反偏j 2 结收集到p 基区，从而使n p n 晶体 管与p n p 晶体管之间形成正反馈，器件快速开通。 图2 7 为c p g c t 在开通期间不同时刻的电流密度及其矢量分布图。由图可知，随着时 间延长，c p g c t 中的总电流密度在增加，如图( a ) ，开通初期其n 基区的电流密度低，开 通末期高如图( b ) 。并且，从图的局部放大图可以看出，c p g c t 在门一阴极边界的电流 密度和j 2 结弯曲处相对较高。门阴极边界的电流密度较高是因为门极的触发作用，导致 靠近门极处的阴极n 2 区注入的电子浓度较高。j 2 结弯曲处电流密度高是由于波状p 基区的 存在，使得结弯曲处的电流密度产生一个指向阴极中心的矢量( 图中箭头所示处) ，该矢 量可以加速由阴极注入的载流子向两侧的扩展，使其中载流子浓度分布梯度改变，于是阴 极n 2 区注入更多的电子到门极，所以器件开通更加均匀；又由于j 2 结弯曲处电场较强，注 入到门极处的电子除了一部分与空穴复合外，更多的电子很快被j 2 结弯曲处的强电场扫入 n 基区，使n 基区电位降低，促进了阳极区注入了更多的空穴，空穴到达j 2 结附近又很快 被该处的强电场扫入p 基区，所以j 2 结弯曲处电流密度分布较高。 ( a ) 开通初期( b ) 开通末期及其局部放大图 图2 7c p g c t 开通期间不同时刻内部总电流密度及其矢量分布 f i g u r e2 7c u r r e n td e n s i t ya n di t sv e c t o rd i s t r i b u t i o n so f c p g c ta td i f r e r e ms t a g ed u r i n gt u m o n 图2 8 为传统a g c t 在开通期间不同时刻的电流密度及其矢量分布图。由图可见，随 着时