[发明专利]碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列与其制备方法

说明书

本发明提出了一种单个器件尺寸相对较小的碳化硅门极可关断晶闸管器件阵列与其制备方法，该器件阵列是按照相应光刻版图进行光刻形成的至少包括两个碳化硅门极可关断晶闸管的阵列结构；GTO器件单元的门极位于器件单元的台面中央，并与位于器件单元的台面两侧的阳极构成叉指结构，阴极位于器件单元的衬底背面；封装时，按布局设计将所有器件单元的门极均向下引出到封装结构，将所有阳极向与门极相反方向引出；本发明采用的器件阵列方案，具有如下优势：可显著提升整个封装芯片的有效工作面积；可避免局部材料缺陷降低整个封装芯片的性能；可降低器件加工的工艺难度、提升工艺稳定性及均匀性，显著提高制备器件的良率。

技术领域

本发明涉及一种碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列与其制备方法，属于半导体电力电子器件技术领域。

背景技术

碳化硅（SiC）材料作为一种新型的宽禁带半导体材料，具有一系列的优良材料特性。这些特性包括禁带宽度大、临界击穿场强高、电子饱和漂移速度高、抗辐照及可在较高温度条件下正常工作等；除此之外目前碳化硅材料的外延生长技术相较于其他常见宽禁带半导体也更为成熟。这些因素共同决定了SiC材料是制备各类型先进功率器件的优选材料。

由于SiC的临界击穿场强是Si的几乎十倍，当制备电压等级相同的功率器件时，采用SiC材料的器件其漂移层厚度将只需Si基器件的十分之一，这一方面可以降低器件的重量体积，另一方面也将显著改善器件的正向导通电阻特性，从而降低器件的开态功耗。另外采用SiC材料制备的器件可在更高的温度下正常工作并且由于其材料热导率相较于Si也更高，因而它对散热系统的要求要低得多，从而进一步有利于降低整机系统的体积与重量。基于SiC材料的功率器件相较于硅基器件的其他优势还包括更好的抗辐照能力及更优的严酷环境适应性。

正是由于SiC材料相对于Si材料的诸多优势，再加上近年来SiC材料外延技术的稳步发展进步（四英寸4H-SiC外延片已有稳定的商业供应，六英寸外延片也已出现），因而多种类型基于SiC材料的功率器件不断涌现。文献已有报道的SiC功率器件包括：整流器件的PIN、SBD以及JBS；开关器件的MOSFET、JFET、BJT、IGBT以及GTO等。目前基于SiC材料的功率器件研发无论是在学术还是产业领域都是关注的热点。其中碳化硅的晶闸管（Thyristor）器件在超大功率的开关应用场景中以其耐压高、正向导通压降小、通态功耗低而相较于其他类型功率开关器件具有较大优势，目前对碳化硅晶闸管的研究大多集中在门极可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）器件上。SiC GTO器件典型的一些应用领域包括高压直流输电（HVDC）、脉冲功率及超大电流电解等。

关于SiC GTO器件，目前已有的文献通常都是对单个GTO器件的性能及其应用进行报道。总体上，目前SiC GTO器件的发展思路是将单个GTO器件的芯片面积越做越大以满足对更大电流承载能力的需求，如图1所示。然而在当前的SiC材料外延条件下，制备大尺寸的SiC GTO器件存在着重大的挑战。由于SiC外延材料的位错密度大致在10³~10⁴cm^-2这一水平，在大尺寸GTO器件（例如近年来报道的面积1cm²及以上的SiC GTO器件）上诸如基平面位错（BPD）、螺位错（TSD）及刃位错（TED）这些SiC材料中常见缺陷类型的一种或多种是必然存在的，甚至像微管这类严重影响器件性能的缺陷也是有可能存在的。这些材料缺陷对GTO器件的耐压能力有重大的负面影响。由于材料缺陷的客观存在，无论大尺寸器件的终端结构设计如何优化，其内部缺陷辅助隧穿漏电造成的器件过早击穿都是不可避免的，这将显著降低器件的阻断电压等级。但是为了满足实际应用上对GTO器件大电流承载能力的要求，SiC GTO器件又必须不断的尝试将器件面积做大。正是这样的矛盾的存在，导致GTO器件在设计过程中总是需要在器件性能与器件面积之间不断的进行折中，超大尺寸（1cm²及以上）器件的开发困难重重，这些都显著的影响了SiC GTO器件自身的进一步发展及未来潜在的可应用领域。

发明内容