[发明专利]一种电力半导体器件阴极图形及其阴极梳条图形排布方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域的功率半导体器件及其设计方法，尤其是一种应用于电力半导体、电力电子器件、全控型晶闸管等的阴极图形及其阴极梳条图形排布方法。

背景技术

阴极图形设计是各类电子器件设计的基础环节，对全控型晶闸管而言尤其重要。全控型晶闸管的阴极图形与门极图形互补，并直接影响器件的动态参数，所以全控型晶闸管的图形设计必须慎重。一般在平衡器件各项参数后设计出大致图形，结合设计者的审美风格和企业秉承的图形特点确定最终图形。设计好的图形再以掩膜版为载体，通过光刻工艺转移到芯片表面，且划分出相应的门极和阴极。

如IGCT和GTO这类全控型电力半导体，阴极通常由许多细小的梳条排布形成，周围由整体连通的门极区所环绕，这是一种典型的结构设计，充分满足了器件的静态和动态性能需求，其门极电极设计及梳条的具体排布方式多种多样。如图1和图2所示，阴极图形设计主要包括：扇区划分、圆环划分、梳条布置、门极设置、光刻加工和图形转移等步骤。其中，扇区划分主要是将圆面沿径向等分为N个扇形区，N称为扇区数。圆环划分主要是将圆面划分成M个等宽的同心环形区域，M称为圆环数。扇区与圆环相交的区域是基本图形单元。在阴极图形设计的步骤中，最重要的一步就是梳条排布。目前现有的梳条排布方式有三类：

1、均匀矩形排布：如图3所示，梳条大小相同，方向一致，分行整齐排列。整体上将圆形芯片表面划分为若干个矩形，图形结构简单。但芯片的面积利用率不高，与圆形曲线交界位置不能充分利用，尤其不适宜使用环形门极结构，所以只在全控型晶闸管开发早期用于低端电流容量的器件。

2、均匀圆周排布：如图4所示，梳条大小相同，径向朝向，同心圆周排布。整体上图形均匀，结构简洁、分布规整，故应用较广。但梳条径向分布，各同心圆周长不等，梳条不能一一对应，且随所在圆周半径增加，径向夹角边距不断放大，梳条间隙近似梯形，各圈梳条间隙形状面积各不相同，芯片面积利用率不高。

3、分区复合排布：如图5所示，芯片阴极以圆心为轴划分16扇形分区，分区内梳条矩形排布，各个分区之间梳条仍按圆周排布。整体上图形相对规整，分区内梳条周围门极均匀一致。但各分区均有矩形与圆弧交界不规则区域浪费，降低了芯片面积的利用率，且随图形半径增加浪费更大，不适用于大直径的全控型器件。

从上可以看出，三种梳条排布方式均有各自的优缺点，因此开发一种芯片面积率用率高，便于加工成型，适用于各种尺寸和门极设置方式的半导体器件阴极图形成为当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力半导体器件阴极图形及其阴极梳条图形排布方法，该阴极图形及其阴极梳条图形排布方法提高了芯片的有效面积利用率，提高了各梳条开通/关断的均匀性，有利于平衡距离门极电极远近带来的梳条开通/关断差异，便于加工成型。

本发明具体提供了一种电力半导体器件阴极图形的具体实施方式，一种电力半导体器件阴极图形，包括：以圆心为轴划分的等分扇区和同心圆环，扇区与同心圆环相交处为图形单元，阴极的梳条为扇区圆弧排布结构，分布在扇区内并位于同一圆环内的梳条沿圆环的圆弧排布，每圈梳条的外边线为圆弧，且梳条的朝向均平行于扇区的中心线，相邻的两个扇区之间留有门极快捷通道。

作为本发明一种电力半导体器件阴极图形进一步的实施方式，扇区形成后，根据相邻两个扇区之间所留的宽度，增加或不增加一个梳条，增加梳条能够更好的保证阴极有效使用面积，同时保证梳条整体均匀性。

作为本发明一种电力半导体器件阴极图形进一步的实施方式，扇区数为4~64，圆环数为1~16。圆环的数量根据芯片设计直径和梳条设计尺寸自动匹配确定。

作为本发明一种电力半导体器件阴极图形进一步的实施方式，扇区数为16。

作为本发明一种电力半导体器件阴极图形进一步的实施方式，阴极图形应用于全控型半导体器件。

作为本发明一种电力半导体器件阴极图形进一步的实施方式，阴极图形应用于IGCT或GTO或逆导结构的复合器件。

作为本发明一种电力半导体器件阴极图形进一步的实施方式，阴极图形的中心区域或环形区域或边缘区域设置有门极。

本发明还提供一种电力半导体器件阴极梳条图形排布方法的具体实施方式，一种电力半导体器件阴极梳条图形排布方法，包括以下步骤：

（A）以圆心为轴将电力半导体器件的阴极面划分为等分扇区；

（B）根据梳条的长度在电力半导体器件的阴极面划分同心圆环；