3125A/7600V光控晶闸管的研制

 光控晶闸管是用光脉冲触发的晶闸管，一个发光二极管可以提供数十个光控晶闸管的触发光源，因此它的触发装置简单，而且光触发系统与光控晶闸管的主电路电系统完全绝缘，有效避免了电控晶闸管电触发系统与主电路回路相互电磁感应误触发问题，所以它的抗干挠能力比电控晶闸管强[1]。光控晶闸管除了有电控晶闸管的全部功能外，通过特殊的结构和工艺设计，使器件具有下列额外功能：
①光触发功率小。光触发功率仅为电触发功率的几十分之一。②具有dv/dt保护功能。③具有正向恢复保护功能。④具有正向过压保护功能。
由于光控晶闸管具备上述特点，因此大大简化了外部的隔离保护线路，从而提高整个系统的稳定性，广泛应用到高压系统中。由于工作电压比普通应用高得多，一般为几十千伏至几百千伏，因此提高晶闸管工作的稳定性和可靠性显得格外重要。在高压直流输电系统中使用5英寸3125A/7600V光控晶闸管，可使电力传输更可靠、更有效、大大提高了电网的输电能力，因此我国在“云南-广东”特高压输电系统中决定使用5英寸3125A/7600V光控晶闸管。我所科研人员经过多年的工艺研究和实验，成功研制了5英寸3125A/7600V特高压光控晶闸管。
1 光控晶闸管设计原理分析
1.1 高di/dt耐量设计 光控晶闸管与电控晶闸管的主要区别在于门极结构。电控晶闸管的触发电流被注入芯片的中心门极，触发电流向放大门极注入载流子，最终使晶闸管导通；在光控晶闸管中，当一定波长一定光强的光脉冲照射光敏区时，由于光吸收作用，在光敏区的中心区域产生非平衡载流子，通过多极放大门极作用最终使晶闸管导通。导通首先从一个很小的中心区域开始的。在这个区域与阴极之间有一个很高的电压降。通过特殊的门极结构设计，在门极区域集成了一个内置保护电阻，以限制晶闸管开通过程中由于该压降引起的大电流。通过掩蔽铝扩散调节该集成电阻大小，提高器件的di/dt耐量，同时通过优化多极放大门极结构获得大的初始导通区，这些措施明显地改善了开通特性，使晶闸管非重复di/dt可达1300A/μs，如图1。
1.2 正向过压保护设计 电控晶闸管的过压保护通常由外部的转折二极管或等效电路实现。在光控晶闸管中，通过在芯片的中心区集成了一个转折二极管。为了便于分析，如图2所示。
定义VB为一维平行平面、空间电荷区自由展宽PN结击穿电压；VBO为二维体内对称PNP结构转折电压；VBS为二维负角表面PN结击穿电压；VBOD电压为二维BOD区域弧形PN结击穿电压；VBF为晶闸管的正向转折电压。可见VBF为VBS、VBO、VBOD三者电压最小者。VBOD是设计者通过光刻和扩散工艺形成的固定电压；VBO为理想的PNP结转折电压；VBS为PNP结在表面处的终端电压，终端结构为负角造型，负角造型降低雪崩击穿电压[3]，可见VBOD、VBS1.3 dv/dt保护设计 dv/dt引起芯片中的容性电流，当施加正向dv/dt电压时，如容性电流足够大，常规的电控晶闸管可能在阴极面的任何区域导通。这一由dv/dt触发的导通过程有时会损坏晶闸管。
在光控晶闸管中，通过对特殊的门极结构和工艺设计，使dv/dt的最敏感区在第一级放大门极，如图2中S所示，在这个区域内是通过掩蔽铝扩散形成的，此处的电阻较大，所以dv/dt引起的电压降要比其它部分要大，所以此处最易满足开通条件，然后通过多极放大门极触发晶闸管。所以dv/dt保护功能可在多级放大门极的中心区域触发光控晶闸管。当光控晶闸管超过晶闸管允许的dv/dt时，光控晶闸管以一种安全的方式触发导通，如图4。
1.4 正向恢复保护设计 晶闸管在通过正向电流后需要一定的时间恢复阻断能力。在恢复时间内，如果高的dv/dt或正向电压施加到晶闸管上，晶闸管将触发导通，对于电控晶闸管，必须通过增加外触发电路保护晶闸管，而光控晶闸管，通过特殊的门极结构设计和工艺设计，①可使门极区的载流子寿命长于其它区域，②阳极加有P型发射极，可保证如果在恢复时间内施加正向电压时，使光控晶闸管整个门极结构能安全导通，如图5。
2 关键工艺技术研究
2.1 扩散工艺 对于光控晶闸管同电控晶闸管一样，主要掺杂物是铝、硼、磷。对于它们的扩散，均采用双步扩散法。第一步，先在较低的温度下，使衬底表面均匀沉积上一层杂质原子，目的是控制掺入的杂质的总量；第二步是把表面已沉积了杂质的衬底片高温下扩散，控制扩散深度和表面浓度[4]，对于铝扩散工艺实现纵向上变杂质缓变分布技术，主要有下面的功能：
①将短基区分为两个功能区：集成功能区和阻断区。深扩散部分为阻断区，分布平缓，浓度较低，用于承受阻断电压；浅扩散部分为集成功能区，杂质浓度较高，满足集成功能部分，但要求高低浓度结合处能平滑过渡。②阻断区必须适合设计要求的阻断电压值，长基区杂质浓度和台面设计。③集成功能区与光敏区，BOD区、放大门极和短路点设计相配[5]。
2.2 挖槽工艺 在光控晶闸管中集成了许多功能，其功能的实现主要依靠挖槽工艺实现门极结构的改变而具备许多功能。光控晶闸管共需挖槽两次，而且第二次挖槽在第一次挖槽基础上继续挖槽，因此，挖槽质量的好坏对器件功能实现具有重要意义，采用合适的光刻胶，合适的腐蚀液性质，通过高倍光学显微镜和а台阶仪等先进仪器检测，使每片硅片槽深均匀，槽底平坦，边界清晰，整齐，成为可能。如图6为我们设计的光敏区的剖面图。
2.3 提高少子寿命及其均匀性 少子寿命是高压大功率器件设计造制中一个极其重要的参数，它表征硅中电子和空穴复合的平均时间。少子寿命的高低及其分布的均匀性，直接关系到器件特性和工艺的优良性。我们已知晶闸管的通态压降与关断特性是一对矛盾的共同体，如果少子寿命低，势必造成器件通态压降大、通态损耗增加、开通特性差等器件特性的劣化，不利于晶闸管的动态参数和静态参数的调整和优化，反映出工艺造制水平低；如果少子寿命分布不均匀，对器件通态压降、恢复电荷起决定作用的将是少子寿命二维分布上寿命最低点，尤其对于大面积芯片，造成器件各处的通态压降不均匀，恢复电荷和开通、关断时间分散性差，将会导致该器件在开通、关断及浪涌瞬态电流分布不均，开关时间加长、动态能耗集中而烧坏晶闸管。因此，提高少子寿命及其分布的均匀性，是器件生产厂家必须解决的关键问题。我所经过多年的工艺研究和工艺实验已掌握了提高少子寿命及其均匀性的方法[6]。
①采用科学的清冼方法。②引入氯离子吸收原理，提高少子寿命及其分布的均匀性。③通过少子寿命在线控制，使每一步高温过程的寿命值达到寿命要求的最低值及均匀性要求的最小值。
3 研制结果及产品性能
基于上述设计原理，通过对特殊门极结构优化及工艺研究和控制，成功研制了具有多种集成功能的5英寸3125A/7600V光控晶闸管，该产品曾拿到国外与国外公司同一类产品作对比测试，测试结果如表1所示。
表1：取PERI和Infineon各5只样品，在同一测试条件，同一测试设备检测电特性参数。
由上表可知，两家厂家的产品全部合格，PERI的产品压降比Infineon小；VBOD保护电压比Infineon高；关断时间比Infineon长；恢复电荷比Infineon大，原因是PERI产品的电子辐照比Infineon稍轻。可见该产品的性能达到国外同等技术水平。
据查，国内目前无光控晶闸管系列产品，而本产品又是5英寸，直径大，功率高（3125A×7600V），又具备多种集成功能，可见在国内绝对处于技术领先水平，并填补国内空白，目前已成功代替进口产品。并已应用于我国“云-广±800KV/5000MW”特高压直流输电（UHVDC）工程中，且已可靠稳定运行两年之久，可见该产品的成熟性、稳定性、可靠性和先进性。