申请/专利权人：兰州大学;江苏明芯微电子股份有限公司

申请日：2019-07-10

公开（公告）日：2024-04-05

公开（公告）号：CN110265510B

主分类号：H01L31/111

分类号：H01L31/111;H01L31/0288;H01L31/0224

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.05#授权;2019.10.22#实质审查的生效;2019.09.20#公开

摘要：本发明涉及一种深结雪崩倍增光控晶闸管及其触发控制系统，其中深结雪崩倍增光控晶闸管包括光控晶闸管芯片，所述光控晶闸管芯片包括晶闸管和光触发信号的LED装置，其中所述晶闸管阴极结构包括非欧姆接触型的光生载流子半导体区域和欧姆接触的电流收集区域，所述光控晶闸管芯片还包括设置于结J2处的雪崩倍增区域，通过改变结J2处的浓度差将雪崩倍增机制引入到光控晶闸管内，可自由控制晶闸管的导通与关断，不仅发明了一种新型的导通方式，而且开创了光控晶闸管的全新工作原理及使用方式。

主权项：1.一种深结雪崩倍增光控晶闸管，其特征在于：包括光控晶闸管芯片，所述光控晶闸管芯片包括晶闸管和光触发信号的LED装置，其中所述晶闸管阴极结构包括非欧姆接触型的光生载流子半导体区域和欧姆接触的电流收集区域，所述光控晶闸管芯片还包括设置于结J2处的雪崩倍增区域；所述光控晶闸管芯片从上往下依次为阴极n+区、阴极p区、衬底n-区，以及阳极p+区，在所述阴极n+区之上和所述阳极p+区之下分别设置阴极金属层和阳极金属层，所述阴极n+区还设置有阴极短路点，在所述光控晶闸管芯片上开设台面槽，所述台面槽的凹槽面依次邻接所述阴极p区和衬底n-区，在所述阳极p+区之上、且邻接所述衬底n-区以及台面槽的附近区域还设置有对通扩散p+区；所述雪崩倍增区域的p区浓度为5´1015~5´1016cm-3，n-区浓度为5´1013~2´1014cm-3。

全文数据：一种深结雪崩倍增光控晶闸管及其触发控制系统技术领域本发明涉及半导体领域，具体涉及一种深结雪崩倍增光控晶闸管及其触发控制系统。背景技术现有的光控晶闸管由于光照强度以及在特定光的波长下的穿透深度限制，不能使光控晶闸管在光照触发装置的功率很小的情况下导通，所以现在都是通过光照先导通一个小的光控晶闸管，使这个小的晶闸管导通后产生的电流作用到大的晶闸管的门极上，进而使大的可控硅导通。而现在的电触发晶闸管原理是当触发电压或电流加载上后，载流子开始扩散倍增，这种触发方式载流子扩散速度慢，并且这种光控晶闸管首先经过光触发首先使小晶闸管导通，第二步经过电触发才使大晶闸管导通，故而导通速度慢，而且需要将两个晶闸管与光照触发装置封装在一起，导致其封装难度增加。发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种结构简单，使用方便，适于推广应用的深结雪崩倍增光控晶闸管及其触发控制系统。本发明的一种深结雪崩倍增光控晶闸管，包括光控晶闸管芯片，所述光控晶闸管芯片包括阴极结构和阳极结构，其中所述阴极结构包括非欧姆接触型的光生载流子半导体区域和欧姆接触的电流收集区域，所述光控晶闸管芯片还包括设置于结J2处的雪崩倍增区域。本发明将雪崩倍增机制引入到光控晶闸管内，可自由控制晶闸管的导通与关断，不仅发明了一种新型的导通方式，而且开创了光控晶闸管的全新工作原理及使用方式。本发明预先通过改变结J2处的浓度差以及结J2两边区域的厚度设定好雪崩倍增机制，使用时根据实际要求，通过光生载流子的方法使雪崩倍增提前发生，从而使光控晶闸管导通。具体过程为当对阴极区域的光照区域施加相对较弱的光信号使其在硅表面产生光生载流子，光生载流子在器件内部进行径向运动，光生载流子作用结J2上，当光照产生的微弱载流子会破坏结J2处的平衡，而一点点的破坏会使雪崩倍增提前发生，使结J2由原来的反向偏置状态变为正向偏置状态，整个器件则会导通。本发明的光控晶闸管具备高电压、大电流、快速导通、且其借助的辅助系统体积小。进一步，本发明的光控晶闸管，所述雪崩倍增区域的p区浓度为5×1015～5×1016cm-3，n-区浓度为5×1013～2×1014cm-3。进一步，本发明的光控晶闸管，所述光控晶闸管芯片的阴极结构为对称的叉指状结构，所述叉指状结构可以为方形的框状结构，包括设置在框状结构上的金属电极和光栅窗口，所述金属电极至少为一个，所述光栅窗口同样至少为一个，所述金属电极和所述光栅窗口可以间隔交替排布于框状结构内。所述叉指状结构还可以为圆形结构等轴对称结构，可以为三角形等中心对称结构，可以为非规则的非对称结构。所述框状结构边缘的电极可以作为阴极金属电极的打线处。进一步，本发明的光控晶闸管，所述光控晶闸管芯片从上往下依次为阴极n+区、阴极p区、衬底n-区，以及阳极p+区，在所述阴极n+区之上和所述阳极p+区之下分别设置阴极金属层和阳极金属层，所述阴极n+区还设置有阴极短路点，在所述光控晶闸管芯片上开设台面槽，所述台面槽的凹槽面依次邻接所述阴极p区和衬底n-区，在所述阳极p+区之上、且邻接所述衬底n-区以及台面槽的区域还设置有对通扩散p+区。进一步，本发明的光控晶闸管，所述对通扩散p+区对称设置。一种深结雪崩倍增光控晶闸管触发控制系统，包括前面任一所述的深结雪崩倍增光控晶闸管，还包括用于产生光触发信号的LED装置，所述LED装置采用脉冲信号触发，当所述光控晶闸管需要正向导通的时候，一个脉冲使LED装置发出光，直接照射所述光控晶闸管阴极所在表面使其导通，其中，控制电路可采用FPGA实现。本发明的深结雪崩倍增光控晶闸管所需的LED装置，构造简单，由于LED装置的光功率很小，由晶闸管的工作原理可知，当晶闸管导通后LED装置可以设置为自动熄灭，它所产生的热量再次经过封装后金属的传输，故器件的热量问题就可以得到解决。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明的一种深结雪崩倍增光控晶闸管，通过改变结J2处的浓度差以及结J2两边区域的厚度将雪崩倍增机制引入到光控晶闸管内，可自由控制晶闸管的导通与关断，不仅发明了一种新型的导通方式，而且开创了光控晶闸管的全新工作原理及使用方式。本发明的光控晶闸管不仅具备高电压、大电流，而且能够快速导通，此外，本发明的光控晶闸管触发控制系统具有结构紧凑、散热良好等优点。附图说明图1为本发明的光控晶闸管的结构示意图。图2为光控晶闸管的内部结构示意图。图3位不同浓度下有光照有雪崩器件仿真对比图。图4为不同器件的仿真结果对比图。其中，1.阴极p区，2.阴极金属层，3.阴极短路点，4.阴极n+区，5.台面槽，6.对通扩散p+区，7.衬底n-区，8.阳极p+区，9.阳极金属层，10.雪崩倍增区域。具体实施方式下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。实施例1，如图1-图2所示，本发明的一种深结雪崩倍增光控晶闸管，包括光控晶闸管芯片，所述光控晶闸管芯片包括阴极结构和阳极结构，其中所述阴极结构包括非欧姆接触型的光生载流子半导体区域和欧姆接触的电流收集区域，短路区域环绕在非短路区域的周围，如此设计的好处是减少了在阴极面再用耗费面积去设计控制极，阴极既承担了电流收集作用，也承担了控制极对器件的导通作用。所述光控晶闸管芯片还包括设置结J2处的雪崩倍增区域。在本实施例1中，在本实施例中，作为典型但非限制性的例子，本发明所述的光控晶闸管芯片的阴极结构为对称的方形的框状结构，包括设置在框状结构上的金属电极和光栅窗口，所述金属电极至少为一个，所述光栅窗口同样至少为一个，所述金属电极和所述光栅窗口可以间隔交替排布于框状结构内。所述框状结构边缘的电极可以作为阴极金属电极的打线处。所述光控晶闸管芯片从上往下依次为阴极n+区4、阴极p区1、衬底n-区7，以及阳极p+区8，在所述阴极p区之上和所述阳极p+区8之下分别设置阴极金属层2和阳极金属层9，所述阴极n+区4还设置有阴极短路点3，在所述光控晶闸管芯片上开设台面槽5，所述台面槽5的凹槽面依次邻接所述阴极p区1和衬底n-区7，在所述阳极p+区8之上、且邻接所述衬底n-区7以及台面槽5的附近区域还设置有对通扩散p+区6，所述对通扩散p+区设置在所述光控晶闸管芯片边缘，为对称结构。所述对通扩散p+区6沿所述光控晶闸管芯片高度方向的剖面形状为葫芦形，有助于提高器件的耐压性能。所述台面槽5用于提高耐压，形状为椭圆形，直径约为87um。在本实施例1中，所述雪崩倍增区域的p区浓度为1×1017cm-3，n-区浓度为5×1013cm-3。实施例2：本实施例与实施例1的不同之处仅在于所述雪崩倍增区域的p+区浓度为5×1015cm-3，n-区浓度不变为5×1014cm-3。实施例3：本实施例与实施例1的不同之处仅在于所述雪崩倍增区域的p+区浓度为5×1015cm-3，n-区浓度为5×1013cm-3。如图3所示，实例中1～3中的器件在微弱的光照条件下，雪崩倍增两侧区域在不同浓度下的仿真示意图，从图中可以看出器件的导通电压相对于晶闸管的高耐压大于600V,器件的导通电压已经有了一个大幅度的提升，但是在上文给出的范围内的实例3中的器件导通电压优于不在范围内的两个器件的导通电压100V左右。而在设计器件的时候，根据器件的实际需求，在可选范围内可以改变器件的雪崩倍增两侧区域的浓度，达到器件的耐压与导通电压的最佳参数。实施例4：一种深结雪崩倍增光控晶闸管触发控制系统，包括实施例1中所述的光控晶闸管，还包括用于产生光触发信号的LED装置，所述LED装置采用脉冲信号触发，当所述光控晶闸管需要正向导通的时候，一个脉冲使LED装置发出光，直接照射所述光控晶闸管阴极所在表面使其导通，其中，控制电路可采用FPGA实现。如图4所示，为实施例4中的深结雪崩倍增器件与其他器件的仿真结果对比图，由图中可以看出，有雪崩倍增和无雪崩倍增的耐压性能，以及微弱的光照情况下，有雪崩倍增和无雪崩倍增的器件耐压性能。由图可知，在无光照的情况下，有雪崩倍增的相对于无雪崩倍增的来说，器件的耐压性能相对于有一定的减少，在有光照的情况下，有雪崩倍增相对于无雪崩倍增来说，器件的耐压性能减少情况更为明显，这证明虽然加入了雪崩倍增机制，但仍旧会使器件的耐压性能有一定的减少，但是器件在有光照时的耐压会大幅减少，证明了器件在日常生活中的偏压情况下，有雪崩倍增机制存在结J2处，即使结J2距离表面的深度大于特定波长下光的穿透深度，一旦有微弱的光照产生的微弱载流子。

权利要求：1.一种深结雪崩倍增光控晶闸管，其特征在于：包括光控晶闸管芯片，所述光控晶闸管芯片包括晶闸管和光触发信号的LED装置，其中所述晶闸管阴极结构包括非欧姆接触型的光生载流子半导体区域和欧姆接触的电流收集区域，所述光控晶闸管芯片还包括设置于结J2处的雪崩倍增区域。2.根据权利要求1所述的光控晶闸管，其特征在于，所述雪崩倍增区域的p区浓度为5×1015～5×1016cm-3，n-区浓度为5×1013～2×1014cm-3。3.根据权利要求1所述的光控晶闸管，其特征在于，所述光控晶闸管芯片的阴极结构为对称的叉指状结构。4.根据权利要求1所述的光控晶闸管，其特征在于，所述光控晶闸管芯片从上往下依次为阴极n+区、阴极p区、衬底n-区，以及阳极p+区，在所述阴极n+区之上和所述阳极p+区之下分别设置阴极金属层和阳极金属层，所述阴极n+区还设置有阴极短路点，在所述光控晶闸管芯片上开设台面槽，所述台面槽的凹槽面依次邻接所述阴极p区和衬底n-区，在所述阳极p+区之上、且邻接所述衬底n-区以及台面槽的附近区域还设置有对通扩散p+区。5.根据权利要求4所述的深结雪崩倍增光控晶闸管，其特征在于，所述对通扩散p+区对称设置。6.一种深结雪崩倍增光控晶闸管触发控制系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一所述的深结雪崩倍增光控晶闸管，还包括用于产生光触发信号的LED装置。

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