非对称高频晶闸管和缓冲层技术

1、非对称高频晶闸管和缓冲层技术潘福泉（1）（2） 关艳霞（1） 高瑞彬（2）（1）沈阳工业大学信息科学与工程学院， 沈阳 110870（2）锦州市圣合科技电子有限责任公司， 锦州 121017摘要：叙述了非对称晶闸管的提出和发展历史，简述了非对称晶闸管的基本原理，叙述了三氯氧磷扩散法制造缓冲层的方法，说明了缓冲层技术在现代功率半导体器件中的关键作用。关键词：高频晶闸管 非对称 缓冲层 现代功率半导体器件一、前言非对称晶闸管（Asymmetric Thyristor），简称为ASCR，是一种全新型功率半导体器件。非对称晶闸管的基本结构是：在普通型晶闸管P1N1P2N2结构中，加入一个中等掺杂浓度（

2、约为10151016cm-3），作为N区，又称缓冲层，形成P1 NN1P2N2结构。1979年，GE公司J.Y.Fichot Chang.M and Adler.M采用低浓度三氯氧磷(POCL3)扩散法率先制成缓冲层N区，进而制成500A/2500V/30S的ASCR【1】【2】【3】。从此，非对称晶闸管技术获得飞速大发展：81年美国西屋用离子注入技术制成800A/2500V/60微秒的ASCR；美国IR公司推出2500V的ASCR各种ASCR产品；我国株洲电力机车研究所于85年率先完成600A/2500V的ASCR产品【2】。ASCR中N区的制作方法主要有三种【4】：1）外延生长法，2）磷或

3、砷的离子注入法，3）三氯氧磷(POCL3)扩散法。近几十年，在扩散方法上又有改进，如有采用：4）陶瓷磷源片扩散法；5）P2O5磷+ SiO2乳胶源扩散法。总之扩散方法最简便实惠，尽管外延法取得了一定成功，但国外多数厂家大都采用扩散法或扩散+离子注入法【3】。无论低浓度陶瓷磷源片、低浓度二氧化硅乳胶源、还是低浓度三氯氧磷扩散都取得成功，这为非对称高频晶闸管大量应用奠定了成功的基础。二、非对称晶闸管的提出在感应加热、不停电电源、焊接、直流传动、交流电动机控制等应用的各种逆变器和斩波器电路中，晶闸管（或快速晶闸管、高频晶闸管）都必须反并联一个续流二极管，以通过负载中的无功电流和减少电容的充电时间。在

4、这些应用领域，不要求晶闸管具有很高的反向阻断能力，但要求很高的电流密度和较短的换向关断时间，即低功耗和高应用频率。牺牲一些线路应用中不必要的反向电压，将基区大大减薄，添加一个N区，构成双基区结构。这就是功耗降低、电流密度提高、速度加快、开关柔软、结温提高、漏电减小的新型电力电子半导体器件非对称晶闸管ASCR。在运用非对称晶闸管时，应根据电流负载能力和开关性能，选择一个快速软恢复FRD二极管与之并联，该二极管对抑制关断过程结束时出现的过电压起关键作用。以往，在上述应用领域曾用过逆导晶闸管，由于在一个芯片上，同步做好相互匹配的快速晶闸管和软快恢复整流二极管的难度，故现在已被放弃使用。美、欧等先进公

5、司大都改用非对称晶闸管，从而造成了当今非对称晶闸管的研发生产热【4】。三、非对称晶闸管的工作原理 图1是非对称晶闸管的结构简图以及符号图。它和普通晶闸管的差别就在于多了一个N区，即多了一个缓冲层【4】。图2是非对称晶闸管和普通晶闸管电场分布示意图【3】，由图2可以看出，普通晶闸管电场是三角形分布，而非对称晶闸管电场是梯形分布，这是普通晶闸管和非对称晶闸管的根本区别。由图可以看到，空间电荷区大大减少了，功耗当然大大降低了，应用频率大大提高了。这是非对称晶闸管的优点所在。图3是非对称晶闸管浓度分布示意图【2】。从图3可以明了：P1N的结电压是很小的。普通晶闸管的反向电压与其正向电压基本相同，而非对

6、称晶闸管的反向电压只有十几到二十几伏。其反向承担电压的功能由反并联的二极管承担。四、缓冲层技术 前面提到三种低浓度扩散方法都是可行的方法。其中陶瓷磷源片法最简单，二氧化硅乳胶磷源法次之，三氯氧磷扩散法稍微复杂些，但应用历史最悠久。以下以三氯氧磷(POCL3)扩散法为例，介绍几种已发表的制造非对称晶闸管缓冲层的基本工艺：1）、N型硅片镓铝扩散形成P型层单面磨低浓度磷扩散形成N-硼扩散形成P+阳极氧化、光刻、扩散N+阴极层以下为常规工艺。三氯氧磷(POCL3)做扩散杂质源，在较低浓度下预沉积，最佳条件为900，携带气体流量为7000毫升/分。如需降低少子寿命，可扩铂、扩金或电子辐照【4】。2）、采

7、用低温、大流量N2以确保POCL3低浓度扩散的均匀性，采用硼吸收提高基区少子寿命。tq控制采取铂扩散和电子辐照两种方式，均能满足要求。但电子辐照器件的特性更好并有利于提高成品率。3）、采用POCL3低浓度扩散，目的是寻求（缓冲层）设计值：如宽度30m，表面浓度5.21016cm-3，平均浓度=11016cm-3的制作方法【5】。最初的工艺实验采用1）降低磷预沉积温度，2）提高运载气体流动速度，3）缩短磷预沉积时间。其中：用缩短磷预沉积时间效果不大，不再采用。故此，仅在常规的沉源条件下，进行磷预沉积，然后对沉磷后的硅片做适当处理，仅以预沉积时扩散入硅片的磷源作杂质源进行再扩散（就是说，要把预沉积

8、的磷硅玻璃彻底去除干净），由此获得缓冲层宽度20m，表面浓度91016cm-3。可见，只要合理地调整预沉积条件及再扩散时间，就能实现缓冲层浓度、宽度的精确控制。如预沉积：源温：26，沉源温度：900，沉源时间：5min，O2流量5000ml/min，N2流量500 ml/min。再扩散温度：1250，时间：8h。结果：结深20m，表面浓度4mv/mA。【5】4）、N型硅片（n =450-cm,H=850m）镓铝扩散形成P型层单面磨去背面高温氧化以降低正面p区表面浓度背面低浓度磷扩散形成N-区（缓冲层的次表面浓度和宽度为81016cm-3和20m）氧化、正面光刻、扩散N2阴极区背面B2O3涂层硼

9、扩散形成P1阳极【6】。五、结语非对称结构晶闸管的开发，意义重大深远。第一、使晶闸管的应用频率大大提高了【7】，从10KHz提高到50KHz的可以转换几百安培电流的各种整机应用【3】；第二、使高压晶闸管向着低功耗方向大大前进了【2】【6】；第三、非对称结构晶闸管第一次使高电压、高电流密度、高频应用、低损耗功率得到同步协调提升，因此非对称结构晶闸管特别适宜高电压、大电流【4】；第四、使功率半导体器件向着低功耗、超高频、超高温、软恢复方向的应用大大前进了。不言而喻，高频、高压、高温、大电流、低功耗、软开关是各种派生晶闸管永远的前进方向。第五、晶闸管非对称结构的成功采用，极大地推动了各种现代新型电力

10、电子半导体器件的发展，并成为其重要的理论基础和工艺基础。如改进GTO的新器件门极换流晶闸管GCT【8】，GCT再前进一步的集成门极换流晶闸管IGCT；又如绝缘栅双极晶体管IGBT【9】；再如双基区结构的软快恢复二极管FRD【10】【11】和场控晶闸管【12】等，都是采用非对称结构实现的。非对称技术或叫缓冲层技术或叫双基区结构技术已成为所有新型现代电力半导体器件的基本技术之一。参考文献：【1】 Fichot.J.Y，Chang.M and Adler.M：High current high voltage asymmerrical SCRs. IEEE/ECCR 1979 7579【2】 张明

11、童宗鉴：非对称晶闸管的设计与制造C 1993年 第五届（成都）全国电力电子学会年会 75【3】 P.D.TAYLOR：晶闸管的设计与制造M 庞银锁译 顾廉楚校 中国铁道出版社 1992 135139【4】 张秀澹；非对称晶闸管（ASCR）R电力电子技术1986（2） 48【5】 肖浦英 高玉民 万啸云：非对称晶闸管的设计考虑及N+层的制作C 1993年 第五届（成都）全国电力电子学会年会 105【6】尹启堂 王彩琳：6.5KV非对称晶闸管的优化设计与工艺研究 J电力电子 2010（1） 4245【7】卞抗：50mm/2000V快速非对称晶闸管J电力电子1992(1) 50【8】王彩琳，孙永生，张建仙：5kV非对称GCT的特性分析与设计 J电力电子技术 2008（12） 4648【9】高玉民：非对称型IGBT击穿电压的数值分析 J 电力电子技术1994(1) 6468【10】张海涛 张斌：快恢复二极管