轧钢电机用4200V3000A大功率晶闸管参数验证与工艺改进

申报论文（高级）题目：轧钢电机用4200V/3000A晶闸管设计优化与工艺验证单位：北京京仪椿树整流器有限责任公司姓名：尹启堂课题方向：功率半导体器件2011年02月28日摘要本文根据现有的4200V/3000A普通晶闸管的扩散参数及扩展电阻测试曲线，利用MEDICI软件对该器件的阻断特性和导通特性进行了分析。

结果表明，采用原有的设计，n基区和p基区参数的余量都很大。

为了获得较好的阻断特性与通态特性的折衷，提出了两种优化方案，并对这两种方案进行比较验证。

通过MEDICI软件模拟，方案1得到的转折电压为4959V，方案2得到的转折电压为4927V。

可见，方案1与方案2的转折电压与原有设计的相差都在150V以上，但两者都能满足4300V耐压指标的要求。

在200A/cm2电流密度下，原有设计的通态压降约为1.9V；方案1得到的通态压降约为1.72V，方案2得到的通态压降为1.7V。

模拟结果表明两种改进方案比原有设计的通态压降降低约0.2V。

通过工艺实践证明，在4200V/3000A晶闸管设计与工艺实现中，可以在保证耐压的前提下，通过减小两个基区的厚度来降低压降参数，从而实现优化器件设计的目的。

关键词：电力半导体器件，普通晶闸管，模拟，优化设计，工艺验证目录摘要 (II)绪论 (1)一、特性验证 (3)二、改进方法 (6)1、特性分析 (6)2、改进方案 (7)（1）方案1 (7)（2）方案2 (7)3 两种改进方案的比较 (9)三、工艺验证 (11)结论 (15)参考文献 (16)附录.............................................................................. . (17)绪论晶闸管自上世纪60年代问世以来，历经半个世纪的发展，电压已经由原来几十伏提高到数千甚至上万伏，电流有几十安培提高至几千安培。

作为一种成熟可靠地电子无触点开关器件，在国民经济各领域中无所不在，无论电力（直流输电）输送，无功补偿，还是电机调速，感应加热等领域都获得广泛的应用，尤其在超大功率变流应用方面，目前有着其它器件无法替代的优势获得了极为广泛的应用，例如在高压软启动、大功率直流电机调速、高压、超高压直流输电等方面发挥极为重要的作用.本文讨论的产品是一种广泛应用于轧钢用直流电机调速装置的大功率器件，该产品是基于4”硅片的高压大功KP元件，其要求高温电压特性好（4200V）、压降参数小、电流容量大（3000A）。

由于其综合特性参数要求较高，在产品设计、工艺实现方面均有很大的难度，国内的产品还有很大的差距，目前国内用户采用的主要是国外ABB、Dynex等公司的产品。

采用压接工艺，可以实现高压产品的制造，但主要的矛盾就是器件耐压水平与压降参数的协调问题，保证耐压，就增大了压降，造成器件的功耗加大，温升高而致使器件失效。

为此，我们在原有的产品基础上进行改进，通过对KP3000/4200V采用计算机软件模拟，减少了大量的人工计算，制定出优化方案。

工艺实验证明，优化方案是可行的，产品的测试结果显示比原方案有了明显的改善，器件的技术指标接近了国外同类产品。

为方便讨论，下图给出了有关参数的示例。

图0－1 晶闸管芯片结构示意图一、特性验证根据扩展电阻测试的掺杂曲线可知：p+阳极区表面浓度为5.9⨯1018cm-3，阳极区总深度为117µm；拐点处（即p+区与p区交界点）浓度为8⨯1015cm-3，对应深度为35µm；n+阴极区表面浓度为1.5⨯1020cm-3，深度为22µm；p基区次表面浓度为1.5⨯1016cm-3，深度为118µm。

衬底电阻率在210～230Ω·cm之间，对应的掺杂浓度在2⨯1013cm-3～2.2⨯1013cm-3之间。

并假设少数载流子寿命均为20μs。

利用MEDICI 软件[1]对晶闸管的特性进行模拟,来验证上述结构参数的合理性。

模拟时输入的总的杂质分布如图1-1所示。

图1－1 根据扩展电阻测试曲线设定的杂质分布由于芯片总厚度W T为1010µm，其中n+阴极区厚度W n2为22µm；p基区厚度W p2为96µm。

p+阳极区厚度W p1为117µm，所以，n基区的宽度W n1为775µm。

在图1-1所示的杂质分布下，模拟得到的阻断特性模拟曲线如图1-2所示。

从图1-2中可以看出，在原有的设计参数下，对应的晶闸管转折电压为5126V。

按功率器件的标准计算[2]，对应的断态重复峰值电压一定在4500V以上。

图1－2 阻断特性模拟曲线图1-3给出了在转折电压5126V下晶闸管内部的电场分布（虚线）及其对应的掺杂分布（实线）曲线。

由图可见，当电压达到最大值5126V时，J2结的空间电荷区在n基区的展宽位于距阴极表面大约675µm处，在p基区的展宽位于距阴极表面大约75µm处。

所以，当J2结的深度x j2=118µm时，n基区一侧的耗尽层展宽W dn≈557µm，p基区一侧的耗尽层展宽W dp≈43µm。

由此可计算出，n基区的中性区宽度W ne≈ 218µm，p基区的中性区宽度W pe≈53µm。

图1－3 在转折电压5126V下的电场分布及其对应的掺杂分布图1-4给出了晶闸管在不同正向电压下内部的电场分布。

从图1-4中可以看出，随着电压的增加，在n基区和p基区的耗尽层展宽逐渐增加。

当电压为4345V（图2-2中用〇符号表示的线）时，J2结的空间电荷区在n基区的耗尽层展宽W dn≈507µm，在p基区的耗尽层展宽W dp≈43µm。

所以，当晶闸管在4345V电压下工作时，n基区的中性区宽度W ne≈268µm，p基区的中性区宽度W pe≈53µm。

显然，该晶闸管在4345V 电压下工作时的n基区余量（W ne=268µm）与在5126V电压下工作时的n基区余量（W ne=218µm）大得多。

这会引起较大的通态压降。

图1－4 晶闸管不同电压下内部的电场分布据上述分析可知，采用原有设计的掺杂分布，n基区和p基区的余量都很大。

所以，为了减小通态压降，可以适当减小n基区和p基区的厚度。

二、 改进方法1、特性分析如果其他参数都不变，只改变n 基区的厚度（从600到775µm ），模拟得到的阻断特性和导通特性曲线如图2-1所示。

图2-1 (a)中Z 字符号的曲线对应于原有的设计参数。

从图2-1 (a)中可以看出，当n 基区厚度W n1从600µm ～775µm 之间变化，对应的硅片总厚度W T 在 805µm ～980µm 变化时，晶闸管的转折电压在4697V ～5126V 范围内变化。

图2-1 (b)中用□符号的虚线对应于原有的设计参数由图2-1 (b)可知，当n 基区厚度W n1在600µm ～775µm 之间变化，对应的芯片总厚度W T 在805µm ～980µm 变化时，在200A/cm 2阳极电流密度下，通态压降（不包括接触压降）在1. 6V ～1.9 V 范围内变化。

图2-1 不同n 基区宽度对应的阻断特性和导通特性曲线可见，当n 基区的厚度取600µ m 时，通态压降最小，转折电压也可达到4697V 。

虽然也能满足4300V 耐压的要求，但此时n 基区的耗尽层展宽较大，相应的 n 基区的余量减小，使得晶闸管在阻断工作时的可靠性下降。

所以，考虑到原始单晶材料的电阻率及其均匀(a)阻断特性 (b) 导通特性性，n基区的厚度可适当取大些，以保证晶闸管击穿的可靠性。

但不能过大，否则会导致通态压降增加。

此外，影响通态压降的关键因素还有p基区的宽度及其次表面浓度，以及少子寿命。

模拟时的寿命均取20µs，p基区的次表面浓度通过工艺控制在5⨯1016cm-3以下，同时，若门极触发特性要求较松，p 基区的厚度可适当减小。

2、优化方案（1）方案1如果不改变原有的工艺参数，以及原始硅片的电阻率ρ（210～230Ω·cm），只要将n基区的厚度减薄100µm，即原始硅片厚度可减薄100µm，其他区域的浓度和厚度都不变，可以得到满足要求的耐压。

从图2-1(a)中可以看出，当n基区厚度W n1=675µm（对应硅片总厚度W T=910µm），其他参数都不变时，晶闸管的转折电压为4959V (用⨯符号表示的曲线)。

与原有的设计（硅片总厚度为W T=1010µm）相比，转折电压U B下降了167V。

但从图2-1(b)中可以看出，在200A/cm2电流密度下，对应的压降也从原来的1. 9V下降到1.72V(用⨯符号表示的曲线), 下降了0.18 V。

（2）方案2如果原始硅片的电阻率ρ（210～230Ω·cm）保持不变，n+阴极发射区的浓度及其厚度、p+阳极区的表面浓度都不变。

将n基区的厚度W n1减薄100µm，p基区的厚度W p2减薄10µm，也可以得到满足要求的耐压。

按方案2设计的总杂质分布，模拟得到的阻断特性模拟曲线如图2-2所示。

从图2-2中可以看出，对应的晶闸管转折电压为4927V。

在转折电压4927V下晶闸管内部的电场分布（虚线）及其对应的掺杂分布（实线）如图2-3所示。

从图2-3中可以看出，当电压达到最大值4927V时，J2结空间电荷区在n基区的展宽位于距阴极表面大约653µm处，在p基区的展宽位于距阴极表面大约60µm处。

所以，当J2结深度为108µm时，n基区一侧的耗尽层展宽W dn≈545µm，p 基区一侧的耗尽层展宽W dp≈48µm。

由此计算出，n基区的中性区宽度W ne≈130µm，p基区的中性区宽度W pe≈38µm。

图2-2 按方案2设计模拟的阻断特性模拟曲线图2-3 在4927V下的电场分布及其对应的掺杂分布在不同电压下的晶闸管内部的电场分布如图2-4所示。

从图2-4中可以看出，当电压为4308V（图中用〇符号表示的线）时，J2结空间电荷区在n基区的耗尽层展宽W dn≈492µm，在p基区的耗尽层展宽W dp≈48µm。

所以，n基区的中性区宽度W ne≈183µm，p基区的中性区宽度W pe≈38µm。

显然，当晶闸管在4300V的电压下工作时，其n基区的余量仍大于W dn的1/3[3,4]，所以，该设计参数完全能满足4300V晶闸管的耐压及其可靠性的要求。