3125A/7600V光控晶閘管的研制

高山城 GAO Shan-cheng；趙濤 ZHAO Tao；劉東 LIU Dong

（西安電力電子技術研究所，西安710061）

0 引言

光控晶閘管是用光脈沖觸發的晶閘管，一個發光二極管可以提供數十個光控晶閘管的觸發光源，因此它的觸發裝置簡單，而且光觸發系統與光控晶閘管的主電路電系統完全絕緣，有效避免了電控晶閘管電觸發系統與主電路回路相互電磁感應誤觸發問題，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，通過特殊的結構和工藝設計，使器件具有下列額外功能：

①光觸發功率小。光觸發功率僅為電觸發功率的幾十分之一。②具有dv/dt保護功能。③具有正向恢復保護功能。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，從而提高整個系統的穩定性，廣泛應用到高壓系統中。由于工作電壓比普通應用高得多，一般為幾十千伏至幾百千伏，因此提高晶閘管工作的穩定性和可靠性顯得格外重要。在高壓直流輸電系統中使用5英寸3125A/7600V光控晶閘管，可使電力傳輸更可靠、更有效、大大提高了電網的輸電能力，因此我國在“云南-廣東”特高壓輸電系統中決定使用5英寸3125A/7600V光控晶閘管。我所科研人員經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 光控晶閘管設計原理分析

1.1 高di/dt耐量設計 光控晶閘管與電控晶閘管的主要區別在于門極結構。電控晶閘管的觸發電流被注入芯片的中心門極，觸發電流向放大門極注入載流子，最終使晶閘管導通；在光控晶閘管中，當一定波長一定光強的光脈沖照射光敏區時，由于光吸收作用，在光敏區的中心區域產生非平衡載流子，通過多極放大門極作用最終使晶閘管導通。導通首先從一個很小的中心區域開始的。在這個區域與陰極之間有一個很高的電壓降。通過特殊的門極結構設計，在門極區域集成了一個內置保護電阻，以限制晶閘管開通過程中由于該壓降引起的大電流。通過掩蔽鋁擴散調節該集成電阻大小，提高器件的di/dt耐量，同時通過優化多極放大門極結構獲得大的初始導通區，這些措施明顯地改善了開通特性，使晶閘管非重復di/dt可達1300A/μs，如圖1。

圖1 光控晶閘管di/dt耐量波形

1.2 正向過壓保護設計 電控晶閘管的過壓保護通常由外部的轉折二極管或等效電路實現。在光控晶閘管中，通過在芯片的中心區集成了一個轉折二極管。為了便于分析，如圖2所示。

圖2 正負斜角PNP結構正向電壓電場分布示意圖

定義VB為一維平行平面、空間電荷區自由展寬PN結擊穿電壓；VBO為二維體內對稱PNP結構轉折電壓；VBS為二維負角表面PN結擊穿電壓；VBOD電壓為二維BOD區域弧形PN結擊穿電壓；VBF為晶閘管的正向轉折電壓。可見VBF為VBS、VBO、VBOD三者電壓最小者。VBOD是設計者通過光刻和擴散工藝形成的固定電壓；VBO為理想的PNP結轉折電壓；VBS為PNP結在表面處的終端電壓，終端結構為負角造型，負角造型降低雪崩擊穿電壓[3]，可見VBOD、VBS＜VBO。在充分考慮表面電壓的基礎上，設計了VBF＝VBOD＜VBS，使這個弧形PN結中心區域電場比晶閘管其它區域電場更強，當正向電壓增加到臨界電場強度時，在該區首先產生電荷雪倍增效應，并通過多級放大門極使晶閘管導通，由此保證，每當達到VBOD電壓時，光控晶閘管安全導通，如圖3。

圖3 BOD保護觸發時電壓電流波形

1.3 dv/dt保護設計 dv/dt引起芯片中的容性電流，當施加正向dv/dt電壓時，如容性電流足夠大，常規的電控晶閘管可能在陰極面的任何區域導通。這一由dv/dt觸發的導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構和工藝設計，使dv/dt的最敏感區在第一級放大門極，如圖2中S所示，在這個區域內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晶閘管。所以dv/dt保護功能可在多級放大門極的中心區域觸發光控晶閘管。當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導通，如圖4。

圖4 dv/dt保護觸發時電壓波形

1.4 正向恢復保護設計 晶閘管在通過正向電流后需要一定的時間恢復阻斷能力。在恢復時間內，如果高的dv/dt或正向電壓施加到晶閘管上，晶閘管將觸發導通，對于電控晶閘管，必須通過增加外觸發電路保護晶閘管，而光控晶閘管，通過特殊的門極結構設計和工藝設計，①可使門極區的載流子壽命長于其它區域，②陽極加有P型發射極，可保證如果在恢復時間內施加正向電壓時，使光控晶閘管整個門極結構能安全導通，如圖5。

圖5 正向恢復保護觸發時的電壓波形

2 關鍵工藝技術研究

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原子，目的是控制摻入的雜質的總量；第二步是把表面已沉積了雜質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縱向上變雜質緩變分布技術，主要有下面的功能：

①將短基區分為兩個功能區：集成功能區和阻斷區。深擴散部分為阻斷區，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，雜質濃度較高，滿足集成功能部分，但要求高低濃度結合處能平滑過渡。②阻斷區必須適合設計要求的阻斷電壓值，長基區雜質濃度和臺面設計。③集成功能區與光敏區，BOD區、放大門極和短路點設計相配[5]。

2.2 挖槽工藝 在光控晶閘管中集成了許多功能，其功能的實現主要依靠挖槽工藝實現門極結構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上繼續挖槽，因此，挖槽質量的好壞對器件功能實現具有重要意義，采用合適的光刻膠，合適的腐蝕液性質，通過高倍光學顯微鏡和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為我們設計的光敏區的剖面圖。

圖6 光敏區結構剖面圖

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計造制中一個極其重要的參數，它表征硅中電子和空穴復合的平均時間。少子壽命的高低及其分布的均勻性，直接關系到器件特性和工藝的優良性。我們已知晶閘管的通態壓降與關斷特性是一對矛盾的共同體，如果少子壽命低，勢必造成器件通態壓降大、通態損耗增加、開通特性差等器件特性的劣化，不利于晶閘管的動態參數和靜態參數的調整和優化，反映出工藝造制水平低；如果少子壽命分布不均勻，對器件通態壓降、恢復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壓降不均勻，恢復電荷和開通、關斷時間分散性差，將會導致該器件在開通、關斷及浪涌瞬態電流分布不均，開關時間加長、動態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，是器件生產廠家必須解決的關鍵問題。我所經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 研制結果及產品性能

基于上述設計原理，通過對特殊門極結構優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，該產品曾拿到國外與國外公司同一類產品作對比測試，測試結果如表1所示。

表1：取PERI和Infineon各5只樣品，在同一測試條件，同一測試設備檢測電特性參數。

由上表可知，兩家廠家的產品全部合格，PERI的產品壓降比Infineon小；VBOD保護電壓比Infineon高；關斷時間比Infineon長；恢復電荷比Infineon大，原因是PERI產品的電子輻照比Infineon稍輕。可見該產品的性能達到國外同等技術水平。

據查，國內目前無光控晶閘管系列產品，而本產品又是5英寸，直徑大，功率高（3125A×7600V），又具備多種集成功能，可見在國內絕對處于技術領先水平，并填補國內空白，目前已成功代替進口產品。并已應用于我國“云-廣±800KV/5000MW”特高壓直流輸電（UHVDC）工程中，且已可靠穩定運行兩年之久，可見該產品的成熟性、穩定性、可靠性和先進性。

[1]Light Triggered Thyristor Usage.

[2]聶代祚.新型電力電子器件.

[3]王正鳴.負斜角晶閘管正向耐壓體特性設計[J].電力電子技術，1996（1）：62.

[4]黃漢堯等.半導體器件工藝原理[M].北京：國防工業出版社，1980.

[5]王正鳴.5英寸直流輸電用晶閘管技術總結.

[6]李建華.直流輸電用超大功率晶閘管少子壽命在線控制[J].電力電子技術，2005（1）：106.