具有沟槽-场限环复合终端双芯GCT的关键技术研究

Aim to the requirements of high capability，low loss, high reliability and integration of power semiconductor devices with rapidly development of high frequency power electronic, the project presents a new dual-GCT structure with a new trench and FLR combined termination,in which two GCT chips with the corrugated p base region are integrated into a wafer. The dual-GCT can realize the low conduction and turn-off losses and reliable current commutation performance simultaneously; the combined termination can provide the high termination breakdown voltage and chip area availability，alleviate the current concentration and decrease the high temperature leakage current. Thus the new dual-GCT device has the better electrical characteristics and simple fabrication process. The project plan is that the current commutation mechanism, static and dynamic characteristics at high temperature and the termination breakdown voltage and its stability of the new termination are firstly studied by ISE simulator. And then the key techniques, such as, fabrication process of the new dual-GCT chip, integrated package structure and gate hard driven are explored by experiment. Based on the results of characteristics optimization and process experiments, the vertical and lateral structural parameters of 4.5kV/2kA Dual-GCT chip are extracted, a set of photolithgraphy layouts are designed, and the process implementation scheme is determined and the simple of new device is developed. Lastly, the intrgrated package structure with hard driven circuit are realized. So the project will exploit a new technique route to develop high power IGCT devices under the existing technical equipment in domestic.

针对高频电力电子技术快速发展对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，本项目提出了一种具有沟槽-场限环复合终端的双芯门极换流晶闸管新结构，是将两个具有波状基区的GCT芯片集成在一个硅片上同时实现低通态与关断损耗及可靠的换流特性；并采用了新复合终端来提高器件的终端击穿电压和有效面积利用率，缓解内部的电流集中，降低高温漏电流，使新器件既有优良的电学特性，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研究新器件内部换流机理和高温下的静、动态特性，以及新终端结构的耐压及其稳定性，探索芯片的制作工艺、集成化的封装新结构及门极硬驱动等关键技术。基于特性优化与工艺研究结果，提取4.5kV/2kA双芯GCT的纵、横向结构参数，设计光刻版图，确定工艺实施方案，试制样品，实现GCT芯片与门极硬驱动电路的集成化封装，为在国内现有技术条件下开发大功率IGCT器件开辟一个新途径。

针对国家智能电网、城市轨道交通等应用中对大容量、低损耗、高可靠性、集成化器件的迫切需求，本项目研究了一种双芯门极换流晶闸管（Dual-GCT）的关键技术。该器件是将两个具有波状基区的GCT集成在一个硅片上，以同时实现低的通态损耗和关断损耗及可靠的换流特性，并采用了具有沟槽-场限环复合结终端结构来提高器件的终端耐压和面积利用率，缓解内部电流集中，降低高温漏电流，使新器件既有优良的电学特性和可靠性，又有简单的制作工艺。.首先，利用了专用的器件与工艺仿真软件，研究了新器件内部换流机理和常、高温下的静、动态特性，以及复合结终端耐压及其稳定性。重点对双芯GCT的抗动态雪崩、抗浪涌电流的能力进行了研究，并采用多单元并联结构研究了器件关断过程中电流丝的演变及其潜在的失效机理。.第二，利用理论仿真和实验相结合的方法探索了双芯GCT的制作工艺。重点对铝离子注入实现选择性深p基区掺杂进行工艺探索，研究了波状基区、pnp隔离区及横向变掺杂（VLD）结终端区的实现方法和工艺条件。基于特性优化与工艺研究结果，提取4.5kV/2kA双芯GCT的结构参数，设计了实验的光刻版图，确定工艺实施方案，初步进行样品试制。.第三，为了实现双芯GCT与硬驱动电路板的集成化封装，提出了一种含有特殊门极套件的双芯GCT的封装结构。通过仿真分析了其内部的温度分布和热机械应力分布，以及在高低温循环和热冲击条件下的热可靠性，初步通过了热力学验证。 .第四，研究了门极硬驱动技术，建立了双芯GCT的硬驱动电路模型，并与实测波形对比进行了验证，该模型可用于其驱动器中开通、关断及维持电路的仿真与应用研究。设计了PCB驱动板，测试结果表明，可以达到硬驱动的技术要求。.该项目的研究成果可以为高电压、低损耗的大功率IGCT器件的开发和应用提供有力的理论和技术支持；所研究的铝选择性掺杂工艺和复合结终端结构等成果对大功率半导体器件的制造具有积极的促进作用；所研究的器件可靠性与失效机理等成果对IGCT的实际应用有重要的指导作用。