2 結(jié)構(gòu)

2.1 聯(lián)柵是什么

2018年杭州優(yōu)捷敏半導(dǎo)體技術(shù)有限公司提出一種新型功率器件——聯(lián)柵晶閘管，英文名稱Gate Associated Thyristors，簡稱GATH。

聯(lián)柵的“柵”是交叉柵，跟發(fā)射極金屬層正交的濃基區(qū)。

聯(lián)柵把功率管分割成許許多多的細(xì)小元胞。比原來的BJT和GTO的元胞多10--100倍，元胞的周邊總長度增加10-100倍，周邊的電流密度降低了1-2個(gè)數(shù)量級，電流集邊效應(yīng)減弱了1-2個(gè)數(shù)量級。從而解決了電流型功率器件的主要問題——BJT的二次擊穿、GTO的dI/dt和dV/dt限制。

圖2-1 GATH圖像

2.2 GATH對功率器件的改進(jìn)2.2.1 GATH的結(jié)構(gòu)

GATH是一種特殊的SITH/BJT，即采用多晶硅發(fā)射極的靜電感應(yīng)晶閘管與雙極晶體管的復(fù)合功率管。其特點(diǎn)是濃柵代鋁，元包細(xì)微。圖2-2是GATH的結(jié)構(gòu)示意圖，藍(lán)色的一層是多晶硅發(fā)射極，P+濃摻雜柵區(qū)的上面沒有鋁層，柵區(qū)匯流條上面才有鋁層，如圖2-3所示。

圖2-2 GATH結(jié)構(gòu)示意圖                    圖2-3 GATH電子顯微鏡照片

（1）寬的長條是由許多長方形的元胞組成的條帶，上面連接發(fā)射極金屬層

（2）窄的長條是濃基區(qū)（柵區(qū)）匯流條，上面連接?xùn)艠O（基極）金屬層

2.2.2 GATH的工作原理

GATH的工作原理可以看作是一種IGCT。

GATH的柵區(qū)上面沒有鋁層，因此，元包能夠做得很小，只有IGCT的千分之一。

圖2-4是IGCT的圖像，圖3-5是IGCT圖像與GATH圖像尺寸對比。IGCT的一個(gè)元包就是一個(gè)臺(tái)面加周邊，其尺寸大小相當(dāng)于GATH的有源區(qū)X方向排列6個(gè)。

2.2.3. GATH改進(jìn)元胞變小解決了什么問題

（1）降低IGCT的開關(guān)功耗，驅(qū)動(dòng)簡單，成本降低

GATH的元包細(xì)小，容易開關(guān)。其關(guān)斷驅(qū)動(dòng)功耗僅為IGCT的10%，而且能夠安全關(guān)斷GATH十倍的電流。

（2）關(guān)斷電流大于IGCT

圖2-6 GATH的關(guān)斷波形照片

圖2-6是GATH 1200V 20A的關(guān)斷波形照片。從中能夠看到，電流峰值50A，功率管的殼溫200°C。該功率管的有源區(qū)面積是2mm*2mm，GATH的關(guān)斷電流密度達(dá)到1200A/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于IGCT的80A/cm2。

（3）抗雪崩能力超過IGBT

IGBT的主要失效模式是過電壓雪崩引發(fā)閂鎖。圖2-7顯示，IGBT元包內(nèi)部有PNPN四層結(jié)構(gòu)，雪崩電流超過臨界值，就必定觸發(fā)晶閘管發(fā)生閂鎖。

GATH不會(huì)雪崩引發(fā)閂鎖。圖2-8顯示，GATH的柵區(qū)P+與元包內(nèi)部連接，雪崩電流被P+統(tǒng)統(tǒng)抽走，不經(jīng)過PNPN四層結(jié)構(gòu)，不觸發(fā)晶閘管，所以，不會(huì)閂鎖。

圖2-7 IGBT內(nèi)部NPNNP結(jié)構(gòu)導(dǎo)致閂鎖           圖2-8 GATH深柵P+結(jié)構(gòu)

2.3 逆導(dǎo)型GATH

GATH適合硬開關(guān)的高壓大功率逆導(dǎo)型。GATH沒有閂鎖問題，魯棒性強(qiáng)，能夠做成適用于硬開關(guān)的高壓大功率逆導(dǎo)型產(chǎn)品。

逆導(dǎo)型，為了解決電流折拐，必定造成橫向電場不均勻，從而加重了IGBT的閂鎖。因此，IGBT不適合做高壓大功率硬開關(guān)的逆導(dǎo)型。

根據(jù)ABB的規(guī)格書，RCIGCT只能夠工作在零度以上，不能夠在零度以下工作。IGCT因?yàn)樵?，開通必須兩次，才能夠充分開通，低溫環(huán)境更難充分開通。而逆導(dǎo)型RCIGCT，集成的二極管能把一部分開通驅(qū)動(dòng)電流拉走。使得開通電流更小，零度以下，即使開通兩次，也不能充分開通。所以，逆導(dǎo)型RCIGCT不能在零度以下工作。

RCGATH元包細(xì)微，驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻小，零度以下，也能夠造成開通。

2.4 聯(lián)柵的技術(shù)來源

聯(lián)柵技術(shù)來源于幾個(gè)方面：獨(dú)創(chuàng)的深柵P+替代柵鋁、傳統(tǒng)的聯(lián)柵晶體管GAT、IGCT和FS IGBT、超高速雙極型IC。

2.4.1獨(dú)創(chuàng)的深柵P+替代柵鋁

聯(lián)柵技術(shù)采用獨(dú)創(chuàng)的深柵P+替代柵鋁，即柵區(qū)上面沒有鋁，只在柵區(qū)匯流條上面布鋁，元包縮小到~10µm（碳化硅基聯(lián)柵功率管~3µm）。從而獲得了高可靠。

圖2-9聯(lián)柵結(jié)構(gòu)示意圖

聯(lián)柵結(jié)構(gòu)五個(gè)基本特征：

（1）發(fā)射極金屬層下面是摻雜多晶硅，摻雜多晶硅下面連接發(fā)射區(qū)，發(fā)射區(qū)下面是基區(qū)和柵區(qū)（濃基區(qū)）

（2）柵區(qū)與發(fā)射極金屬層正交

（3）柵區(qū)上面不連接?xùn)艠O金屬層

（4）柵區(qū)從側(cè)下面引出到柵區(qū)匯流條再連接?xùn)艠O金屬層

（5）元胞13μm

2.4.2傳統(tǒng)聯(lián)柵晶體管GAT

傳統(tǒng)GAT是一種SIT/BJT的復(fù)合型功率器件，在BJT的兩側(cè)設(shè)有深柵P+的低阻通道，有利于提高開關(guān)速度，并增強(qiáng)可靠性。

圖2-10 傳統(tǒng)GAT管結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.3 IGCT和FS IGBT

IGCT和FS IGBT的FS緩沖層和透明陽極（IGBT叫做透明

集電極），能夠降低導(dǎo)通電阻、提高關(guān)斷速度。聯(lián)柵晶閘管GATH吸收采用了這兩項(xiàng)技術(shù)。

圖2-11 GATH的透明集電極和FS層

2.4.4超高速雙極型IC

聯(lián)柵功率管采用了超高速雙極IC的多晶硅發(fā)射極技術(shù)，增大了復(fù)合，減小了關(guān)斷瞬間的電流拖尾，獲得了高速度。

圖2-12  GATH的多晶硅發(fā)射極

多晶硅發(fā)射極來源于雙極型超高速IC的技術(shù)。多晶硅發(fā)射極超高速IC只用于小功率小電流，而聯(lián)柵功率管則將多晶硅發(fā)射極應(yīng)用于大功率大電流，獲得了高開關(guān)速度和高頻率。

聯(lián)柵晶閘管GATH在與IGBT相同的電流密度下，關(guān)斷速度更快，拖尾更小。如附圖2-13、2-14所示。1200V  GATH可工作在20KHz。

圖2-13 GATH（X方向 1uS/格）      圖2-14 IGBT（X方向 1uS/格）

在多晶硅發(fā)射極與硅襯底之間的界面上存在大量的高密度的復(fù)合中心，加速了載流子的復(fù)合，使聯(lián)柵功率管電流拖尾減小，關(guān)斷加快，從而獲得高頻。

2.5 聯(lián)柵功率管工藝2.5.1聯(lián)柵功率管工藝平臺(tái)

圖2-15聯(lián)柵功率管工藝平臺(tái)

2.5.2 聯(lián)柵功率管工藝流程

圖2-16 聯(lián)柵功率管工藝流程圖

2.5.3 4500V RCGATH器件的開發(fā)2.5.3.1目標(biāo) 

孵化項(xiàng)目在6吋線工藝基礎(chǔ)上，開發(fā)逆導(dǎo)型（集成二極管）RCGATH 4500V/150A芯片;封裝4500V/1800A焊接模塊，4500V RCGATH模塊測試試驗(yàn)。

2.5.3.2內(nèi)容 

1、高抗沖與低損耗良好折衷特性RCGATH芯片技術(shù)、低反向恢復(fù)峰值電流與低正向壓降良好折衷特性的集成續(xù)流二極管芯片技術(shù)；自動(dòng)均流的高芯片參數(shù)收斂性芯片技術(shù)研究；

2、4500V/1800A焊接型RCGATH器件

3、4500V/1800A焊接型RCGATH模塊測試試驗(yàn)

2.5.3.3研發(fā)內(nèi)容 

課題1：高抗沖與低損耗良好折衷特性RCGATH芯片技術(shù)、低反向恢復(fù)峰值電流與低正向壓降良好折衷特性的集成續(xù)流二極管芯片技術(shù)；自動(dòng)均流的高芯片參數(shù)收斂性芯片技術(shù)研究

主要研究內(nèi)容：

（1）高抗沖與低損耗良好折衷性能的RCCATH芯片技術(shù)研究

1. 1. 至少2種“帶寬/柵區(qū)匯流條”版圖設(shè)計(jì)。
   2. 至少2種“發(fā)射區(qū)寬度/柵區(qū)寬度”版圖設(shè)計(jì)。

芯片產(chǎn)出單管封裝后進(jìn)行抗沖的極限考核與電流輸出特性的考察。抗沖的極限考核包括過電壓極限考核、短路極限考核與控制極限考核。過電壓極限考核即過電壓幅度與沖擊次數(shù)極限考核；短路極限考核即短路電流的大小與持續(xù)時(shí)間長短的極限考核；控制極限考核即能夠關(guān)斷的最大電流考核。

柵區(qū)匯流條越寬，帶寬越窄，則抗沖擊能力越強(qiáng)，而電流能力則越弱，即飽和壓降越高。反之亦然。要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線來確定二者的良好折衷，從而確定“帶寬/柵區(qū)匯流條”的版圖設(shè)計(jì)基本規(guī)則。

柵區(qū)越寬，發(fā)射區(qū)越窄，則抗沖擊能力越強(qiáng)，而電流能力越弱，即飽和壓降越高。反之亦然。要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線來確定二者的良好折衷，從而確定“發(fā)射區(qū)寬度/柵區(qū)寬度”的版圖設(shè)計(jì)基本規(guī)則。

（2）低反向恢復(fù)峰值電流與低正向壓降良好折衷的集成續(xù)流二極管芯片技術(shù)研究

A.設(shè)計(jì)2-4種不同陽極圖形（不同密度、不同P+/P比例）的版圖。

B.設(shè)計(jì)2種不同陰極圖形（不同密度、不同尺寸）的版圖。

通過芯片產(chǎn)出，封裝單管，測量反向恢復(fù)特性曲線和正向輸出特性曲線，確定同時(shí)兼顧低反向恢復(fù)峰值電流、反向恢復(fù)軟度好而且正向壓降低的版圖參數(shù)。

（3）自動(dòng)均流程度和規(guī)律調(diào)查，芯片電參數(shù)收斂性0.1V

A.電流輸出特性曲線與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系

B.電流輸出特性曲線與管溫的關(guān)系

C.電流輸出特性曲線與摻雜（兩種擴(kuò)磷條件，兩種擴(kuò)硼條件的關(guān)系）

通過A、B、C，摸清模塊內(nèi)多管芯并聯(lián)的電流自動(dòng)均流和多模塊并聯(lián)的電流自動(dòng)均勻的程度和規(guī)律。做到在工作點(diǎn)附近，芯片的電參數(shù)收斂系數(shù)0.1V。

設(shè)計(jì)并制作焊接型4500V/150A RCGATH芯片，為4500V/1800A焊接型RCGATH模塊做準(zhǔn)備。

預(yù)期目標(biāo)：

實(shí)現(xiàn)高抗沖低損耗良好折衷，低反向恢復(fù)峰值電流與低正向壓降良好折衷，基本上能夠自動(dòng)均流的高參數(shù)收斂性的RCGATH芯片。

考核指標(biāo)：

（1）RCGATH芯片封裝單管后檢測，達(dá)到在雙倍額定電流下持續(xù)10mS（IGBT持續(xù)1mS）， 短路時(shí)間100μS（IGBT 10μS）。

（2）VSDsat收斂性0.1V,芯片良率e 80%。

（3）發(fā)表三大檢索或核心期刊論文2篇，申請發(fā)明專利 2項(xiàng)。

課題2：4500V/1800A焊接型RCGATH器件

考核指標(biāo)：

（1）4500V/1800A焊接型RCGATH器件設(shè)計(jì)方案1套；

（2）4500V/1800A RCGATH模塊電流3600A持續(xù)開通時(shí)間10mS后；能夠關(guān)斷（IGBT持續(xù)時(shí)間1mS）；短路耐受時(shí)間100μS（IGBT 10μS）。PC 功率循環(huán)能力e 1 萬次（結(jié)溫差80K），溫度循環(huán)能力e 100 次(-40℃~125℃ )，溫度沖擊能力e 100 次(-40℃~125℃ )。

課題3：4500V/1800A焊接型RCGATH模塊測試試驗(yàn)

主要研究內(nèi)容：

（1）研究4500V/1800A焊接型RCGATH靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、安全工作區(qū)測試方案，搭建大電流測試平臺(tái)；

（2）研究適用4500V/1800A焊接器件的關(guān)鍵可靠性測試方法，完成器件級可靠性試驗(yàn)評估；

預(yù)期目標(biāo)：

具備 4500V/1800A焊接器件的靜、動(dòng)態(tài)特性及可靠性測試能力，支撐課題 1、2 相關(guān)優(yōu)化；提出4500V/1800A焊接器件的關(guān)鍵可靠性測試方式并評估產(chǎn)品可靠性。

2.5.4 6500V GATH設(shè)計(jì)2.5.4.1研制目標(biāo)

表2-1 4500V GATH主要技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目產(chǎn)品是6500V，600A的IGBT模塊，可靠性指標(biāo)執(zhí)行《半導(dǎo)體分立器件模塊通用規(guī)范》（報(bào)批稿）JM1級編制及考核控制要求，此項(xiàng)目主要從模塊套件和焊料選取方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，可靠性指標(biāo)可以達(dá)到軍用分立器件詳細(xì)規(guī)范編制及考核控制要求。

2.5.4.2 電參數(shù)

表2-2 6500V GATH與IGBT電參數(shù)對比表

2.5.4.3產(chǎn)品研制方案2.5.4.3.1產(chǎn)品設(shè)計(jì)

    參數(shù)設(shè)計(jì)

    GATH芯片產(chǎn)品已經(jīng)很成熟：有源區(qū)的設(shè)計(jì)已經(jīng)定型；適用于各種耐壓規(guī)范和電流規(guī)范；終端結(jié)構(gòu)也很成熟。

     6500V 600A 產(chǎn)品只需要變更襯底電阻率厚度、終端寬度即可。參考公開資料，選取電阻率在550-700歐姆厘米。終端寬度取3000微米。終端形式為POLY-AL 雙場板+場限環(huán)。只需要撒網(wǎng)調(diào)整環(huán)間距、場板寬度。

表2-3 6500V GATH設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.5.4.3.2 技術(shù)分析與把握        2.5.4.3.2.1關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點(diǎn)分析

研制產(chǎn)品在6英寸線的最大管芯尺寸為14mm*15mm。必須在一個(gè)管芯內(nèi)電流達(dá)到50A且耐壓達(dá)到6500V，電流越大越好。

研制產(chǎn)品的難點(diǎn)在于6500V耐壓和最大電流的折中。終端越寬，襯底越厚，耐壓越高，但是，最大電流越小。反之，終端越窄，襯底越薄，最大電流越大，耐壓越低。

6500V GATH做逆導(dǎo)型GATH。IGBT由于閂鎖天花板，高壓大電流芯片很難集成續(xù)流二極管。GATH無閂鎖，集成FRD可靠性更高，成本更低。

2.5.4.3.2.2技術(shù)難點(diǎn)及解決途徑

1 、擊穿電壓  6500V（由襯底電阻率和終端決定）

       1） 襯底選擇

襯底電阻率參考 6500V  IGBT/IGCT 電阻率 370---700歐姆厘米   達(dá)到7000V

GATH襯底電阻率   500-600歐姆厘米/襯底高阻層厚度   580微米---680微米/最終取   650微米

        2）終端確定

        A.采用雙場板+場限環(huán)  寬度    3000微米

        B.備用  多區(qū) JTE  終端

JTE 終端2000微米能夠達(dá)到6500V。JTE 對表面電荷十分敏感，穩(wěn)定量產(chǎn)，取決于工藝線的控制水平。

2、FS層

GATH的FS層是在減薄之后通過注H形成

   6500V  600A 的襯底厚，可以先做背面FS層先做背面工藝比較穩(wěn)妥可靠。

    3、逆導(dǎo)型

逆導(dǎo)型，集成二極管，沒有連線，更加可靠。

   由于閂鎖，IGBT的高壓大功率產(chǎn)品不能做逆導(dǎo)型。逆導(dǎo)型，必定帶來橫向電場的不均勻，更容易發(fā)生閂鎖。因此，IGBT的逆導(dǎo)型，僅僅能夠用于低壓小功率的軟開關(guān)。

GATH無閂鎖問題，其抗毀損能力是IGBT的10倍。所以，能夠應(yīng)用與高壓大功率硬開關(guān)。

    總結(jié)：

終端為POLY-AL雙層場板+場限環(huán)，寬度為3000微米，對環(huán)的間距、場板寬窄做處理。通過撒網(wǎng)試驗(yàn)，取最佳的耐壓與最大電流折中。

    同時(shí)，做JTE終端試驗(yàn)。JTE終端，能夠以最小的寬度達(dá)到最高的耐壓。但是，對表面很敏感，即對工藝的要求很高。JTE能夠用2000微米寬度做6500V

    我們的終端水平是很高的。國外1700V產(chǎn)品，用場板+場限環(huán)，需要850微米。                    

    我們只用650微米，做到2000V以上。

    我們用450微米寬度的JTE，達(dá)到2200V的耐壓。