3125A/7600V光控晶閘管的研制

 光控晶閘管是用光脈沖觸發(fā)的晶閘管，一個發(fā)光二極管可以提供數(shù)十個光控晶閘管的觸發(fā)光源，因此它的觸發(fā)裝置簡單，而且光觸發(fā)系統(tǒng)與光控晶閘管的主電路電系統(tǒng)完全絕緣，有效避免了電控晶閘管電觸發(fā)系統(tǒng)與主電路回路相互電磁感應(yīng)誤觸發(fā)問題，所以它的抗干撓能力比電控晶閘管強[1]。光控晶閘管除了有電控晶閘管的全部功能外，通過特殊的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，使器件具有下列額外功能：
①光觸發(fā)功率小。光觸發(fā)功率僅為電觸發(fā)功率的幾十分之一。②具有dv/dt保護功能。③具有正向恢復(fù)保護功能。④具有正向過壓保護功能。
由于光控晶閘管具備上述特點，因此大大簡化了外部的隔離保護線路，從而提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用到高壓系統(tǒng)中。由于工作電壓比普通應(yīng)用高得多，一般為幾十千伏至幾百千伏，因此提高晶閘管工作的穩(wěn)定性和可靠性顯得格外重要。在高壓直流輸電系統(tǒng)中使用5英寸3125A/7600V光控晶閘管，可使電力傳輸更可靠、更有效、大大提高了電網(wǎng)的輸電能力，因此我國在“云南-廣東”特高壓輸電系統(tǒng)中決定使用5英寸3125A/7600V光控晶閘管。我所科研人員經(jīng)過多年的工藝研究和實驗，成功研制了5英寸3125A/7600V特高壓光控晶閘管。
1 光控晶閘管設(shè)計原理分析
1.1 高di/dt耐量設(shè)計 光控晶閘管與電控晶閘管的主要區(qū)別在于門極結(jié)構(gòu)。電控晶閘管的觸發(fā)電流被注入芯片的中心門極，觸發(fā)電流向放大門極注入載流子，最終使晶閘管導(dǎo)通；在光控晶閘管中，當(dāng)一定波長一定光強的光脈沖照射光敏區(qū)時，由于光吸收作用，在光敏區(qū)的中心區(qū)域產(chǎn)生非平衡載流子，通過多極放大門極作用最終使晶閘管導(dǎo)通。導(dǎo)通首先從一個很小的中心區(qū)域開始的。在這個區(qū)域與陰極之間有一個很高的電壓降。通過特殊的門極結(jié)構(gòu)設(shè)計，在門極區(qū)域集成了一個內(nèi)置保護電阻，以限制晶閘管開通過程中由于該壓降引起的大電流。通過掩蔽鋁擴散調(diào)節(jié)該集成電阻大小，提高器件的di/dt耐量，同時通過優(yōu)化多極放大門極結(jié)構(gòu)獲得大的初始導(dǎo)通區(qū)，這些措施明顯地改善了開通特性，使晶閘管非重復(fù)di/dt可達1300A/μs，如圖1。
1.2 正向過壓保護設(shè)計 電控晶閘管的過壓保護通常由外部的轉(zhuǎn)折二極管或等效電路實現(xiàn)。在光控晶閘管中，通過在芯片的中心區(qū)集成了一個轉(zhuǎn)折二極管。為了便于分析，如圖2所示。
定義VB為一維平行平面、空間電荷區(qū)自由展寬PN結(jié)擊穿電壓；VBO為二維體內(nèi)對稱PNP結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折電壓；VBS為二維負角表面PN結(jié)擊穿電壓；VBOD電壓為二維BOD區(qū)域弧形PN結(jié)擊穿電壓；VBF為晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓?？梢奦BF為VBS、VBO、VBOD三者電壓最小者。VBOD是設(shè)計者通過光刻和擴散工藝形成的固定電壓；VBO為理想的PNP結(jié)轉(zhuǎn)折電壓；VBS為PNP結(jié)在表面處的終端電壓，終端結(jié)構(gòu)為負角造型，負角造型降低雪崩擊穿電壓[3]，可見VBOD、VBS1.3 dv/dt保護設(shè)計 dv/dt引起芯片中的容性電流，當(dāng)施加正向dv/dt電壓時，如容性電流足夠大，常規(guī)的電控晶閘管可能在陰極面的任何區(qū)域?qū)ā＿@一由dv/dt觸發(fā)的導(dǎo)通過程有時會損壞晶閘管。
在光控晶閘管中，通過對特殊的門極結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，使dv/dt的最敏感區(qū)在第一級放大門極，如圖2中S所示，在這個區(qū)域內(nèi)是通過掩蔽鋁擴散形成的，此處的電阻較大，所以dv/dt引起的電壓降要比其它部分要大，所以此處最易滿足開通條件，然后通過多極放大門極觸發(fā)晶閘管。所以dv/dt保護功能可在多級放大門極的中心區(qū)域觸發(fā)光控晶閘管。當(dāng)光控晶閘管超過晶閘管允許的dv/dt時，光控晶閘管以一種安全的方式觸發(fā)導(dǎo)通，如圖4。
1.4 正向恢復(fù)保護設(shè)計 晶閘管在通過正向電流后需要一定的時間恢復(fù)阻斷能力。在恢復(fù)時間內(nèi)，如果高的dv/dt或正向電壓施加到晶閘管上，晶閘管將觸發(fā)導(dǎo)通，對于電控晶閘管，必須通過增加外觸發(fā)電路保護晶閘管，而光控晶閘管，通過特殊的門極結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計，①可使門極區(qū)的載流子壽命長于其它區(qū)域，②陽極加有P型發(fā)射極，可保證如果在恢復(fù)時間內(nèi)施加正向電壓時，使光控晶閘管整個門極結(jié)構(gòu)能安全導(dǎo)通，如圖5。
2 關(guān)鍵工藝技術(shù)研究
2.1 擴散工藝 對于光控晶閘管同電控晶閘管一樣，主要摻雜物是鋁、硼、磷。對于它們的擴散，均采用雙步擴散法。第一步，先在較低的溫度下，使襯底表面均勻沉積上一層雜質(zhì)原子，目的是控制摻入的雜質(zhì)的總量；第二步是把表面已沉積了雜質(zhì)的襯底片高溫下擴散，控制擴散深度和表面濃度[4]，對于鋁擴散工藝實現(xiàn)縱向上變雜質(zhì)緩變分布技術(shù)，主要有下面的功能：
①將短基區(qū)分為兩個功能區(qū)：集成功能區(qū)和阻斷區(qū)。深擴散部分為阻斷區(qū)，分布平緩，濃度較低，用于承受阻斷電壓；淺擴散部分為集成功能區(qū)，雜質(zhì)濃度較高，滿足集成功能部分，但要求高低濃度結(jié)合處能平滑過渡。②阻斷區(qū)必須適合設(shè)計要求的阻斷電壓值，長基區(qū)雜質(zhì)濃度和臺面設(shè)計。③集成功能區(qū)與光敏區(qū)，BOD區(qū)、放大門極和短路點設(shè)計相配[5]。
2.2 挖槽工藝 在光控晶閘管中集成了許多功能，其功能的實現(xiàn)主要依靠挖槽工藝實現(xiàn)門極結(jié)構(gòu)的改變而具備許多功能。光控晶閘管共需挖槽兩次，而且第二次挖槽在第一次挖槽基礎(chǔ)上繼續(xù)挖槽，因此，挖槽質(zhì)量的好壞對器件功能實現(xiàn)具有重要意義，采用合適的光刻膠，合適的腐蝕液性質(zhì)，通過高倍光學(xué)顯微鏡和а臺階儀等先進儀器檢測，使每片硅片槽深均勻，槽底平坦，邊界清晰，整齊，成為可能。如圖6為我們設(shè)計的光敏區(qū)的剖面圖。
2.3 提高少子壽命及其均勻性 少子壽命是高壓大功率器件設(shè)計造制中一個極其重要的參數(shù)，它表征硅中電子和空穴復(fù)合的平均時間。少子壽命的高低及其分布的均勻性，直接關(guān)系到器件特性和工藝的優(yōu)良性。我們已知晶閘管的通態(tài)壓降與關(guān)斷特性是一對矛盾的共同體，如果少子壽命低，勢必造成器件通態(tài)壓降大、通態(tài)損耗增加、開通特性差等器件特性的劣化，不利于晶閘管的動態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，反映出工藝造制水平低；如果少子壽命分布不均勻，對器件通態(tài)壓降、恢復(fù)電荷起決定作用的將是少子壽命二維分布上壽命最低點，尤其對于大面積芯片，造成器件各處的通態(tài)壓降不均勻，恢復(fù)電荷和開通、關(guān)斷時間分散性差，將會導(dǎo)致該器件在開通、關(guān)斷及浪涌瞬態(tài)電流分布不均，開關(guān)時間加長、動態(tài)能耗集中而燒壞晶閘管。因此，提高少子壽命及其分布的均勻性，是器件生產(chǎn)廠家必須解決的關(guān)鍵問題。我所經(jīng)過多年的工藝研究和工藝實驗已掌握了提高少子壽命及其均勻性的方法[6]。
①采用科學(xué)的清冼方法。②引入氯離子吸收原理，提高少子壽命及其分布的均勻性。③通過少子壽命在線控制，使每一步高溫過程的壽命值達到壽命要求的最低值及均勻性要求的最小值。
3 研制結(jié)果及產(chǎn)品性能
基于上述設(shè)計原理，通過對特殊門極結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝研究和控制，成功研制了具有多種集成功能的5英寸3125A/7600V光控晶閘管，該產(chǎn)品曾拿到國外與國外公司同一類產(chǎn)品作對比測試，測試結(jié)果如表1所示。
表1：取PERI和Infineon各5只樣品，在同一測試條件，同一測試設(shè)備檢測電特性參數(shù)。
由上表可知，兩家廠家的產(chǎn)品全部合格，PERI的產(chǎn)品壓降比Infineon?。籚BOD保護電壓比Infineon高；關(guān)斷時間比Infineon長；恢復(fù)電荷比Infineon大，原因是PERI產(chǎn)品的電子輻照比Infineon稍輕?？梢娫摦a(chǎn)品的性能達到國外同等技術(shù)水平。
據(jù)查，國內(nèi)目前無光控晶閘管系列產(chǎn)品，而本產(chǎn)品又是5英寸，直徑大，功率高（3125A×7600V），又具備多種集成功能，可見在國內(nèi)絕對處于技術(shù)領(lǐng)先水平，并填補國內(nèi)空白，目前已成功代替進口產(chǎn)品。并已應(yīng)用于我國“云-廣±800KV/5000MW”特高壓直流輸電（UHVDC）工程中，且已可靠穩(wěn)定運行兩年之久，可見該產(chǎn)品的成熟性、穩(wěn)定性、可靠性和先進性。