具有波状基区和复合隔离区的RC-GCT新结构及其关键技术研究

针对电力电子技术快速发展对新型电力半导体器件提出的大容量、低损耗、高可靠性及集成化等要求，提出一种逆导型门极换流晶闸管(RC-GCT)新结构，其p基区是在阴极区的掩蔽下通过铝扩散形成的波状结构，非对称GCT与集成二极管之间采用pnp-沟槽复合隔离区，并在集成二极管的阴极侧增加了短路区，从而使新器件既有优良的电学特性和可靠的换向特性，又有简单的制作工艺。本课题拟利用器件与工艺模拟软件ISE研究新器件内部的换流机理和高温下的静、动态特性及安全工作区；研究复合隔离区、波状基区和短路区等关键结构参数对新器件各项特性和换相可靠性的影响，以及杂质铝在扩散层掩蔽下的扩散行为及其与硼、磷之间的相互影响等关键技术。基于特性优化与工艺研究结果，提取4.5kV/2kA新器件的纵、横向结构参数，设计RC-GCT的光刻版图，确定工艺实施方案，并试制样品。为在国内现有的工艺条件下制作IGCT器件开辟一个新的技术途径。

本项目提出一种具有波状基区和复合隔离区的逆导型门极换流晶闸管(RC-GCT)新结构，其波状p基区是在阴极区的掩蔽下通过铝扩散形成的，非对称 GCT 与集成二极管之间隔离区是由pnp结构和其上的沟槽组合而成，并在集成二极管的阴极侧引入了p+调制区，从而使新器件既有优良的电学特性和可靠的换向特性，又有简单的制作工艺。本课题首先利用器件与工艺模拟商用软件MEDICI和ISE研究了波状基区GCT、集成二极管的工作机理以及RC-GCT新器件内部的换流机理，分析了波状基区、复合隔离区及p+调制区对新器件各项特性及可靠性的影响。并建立了高温特性分析模型，研究了高温下波状基区GCT、集成二极管以及RC-GCT新器件的静、动态特性，提取了4.5kV/1kA RC-GCT新器件的优化设计的结构参数。第二，利用热分析软件ANSYS研究了GCT器件的散热特性，获得了GCT芯片门-阴极金属化电极经热循环后的形变与多层金属化阳极的热机械应力分布，以及压接式GCT封装结构的热机械应力与温度分布。第三，研究了RC-GCT新器件的终端结结构，提出了三种新的结终端结构，即场限环与斜角复合台面终端、阶梯掺杂延伸型复合平面终端及台阶状沟槽-场限环复合台面终端，可使终端击穿电压达到体内击穿电压的90%以上，并有较小的终端面积和较高的高温稳定性。最后，研究了RC-GCT新器件的制作工艺，通过实验探索了杂质铝在n+扩散层掩蔽下的选择性扩散与深槽刻蚀等关键工艺。并基于特性优化与工艺实验结果，设计了光刻版图用于工艺实验，确定最终工艺实施方案，并进行了流片验证。研究结果为在国内现有的工艺水平下制作大功率IGCT器件提供了一个简单可行的技术途径，可以为其他大容量、低损耗、高可靠性及集成化的电力半导体器件的设计、制作提供参考。