本发明属于电力半导体器件技术领域，涉及一种全波功率开关器件，具体涉及6英寸3000A/8500V一种新型结构的双向晶闸管。
背景技术：
双向晶闸管是将两个晶闸管反并联集成到同一个芯片内。可见一个双向晶闸管器件相当于两个单独的晶闸管，因此在电力电子技术中双向晶闸管具有功率处理高效、节能、节材、稳定性、可靠性高等优点。
目前国内现有技术所制造的双向晶闸管，采用传统的五层三端结构，如图1所示。正面采用了压接技术，反面采用了烧结技术，造成了结构上的不对称；正面采用直接门极触发，门极触发电流小；反面采用遥控门极触发，门极触发电流大。正面利用平面电阻隔离两个反并联的晶闸管，反面由于烧结技术无法隔离两个晶闸管，造成导通时两晶闸管相互影响，换向dv/dt耐量低，造成目前所制造的双向晶闸管阻断电压和通流能力容量均低，国内最高水平为通流能力为1000A，阻断电压为2000V，di/dt和dv/dt耐量不能兼顾，换向dv/dt能力较差，而且正反向触发灵敏度存在差异，很不一致，在许多场合下不能胜任。国外双向晶闸管的制造水平，也只做到电流能力在1500A以下，耐压能力在6500V以下，可见功率容量还是不够高，在许多高压大电流的场合不能胜任，迫切需要研发新一代6英寸3000A/8500V大功率双向晶闸管。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种新型结构的双向晶闸管，解决现有技术中功率容量低、di/dt和dv/dt耐量不能兼顾、换向dv/dt耐量较差，正反向触发特性存在差异的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种新型结构的双向晶闸管，包括晶闸管ThA和晶闸管ThB，从横向看，包括晶闸管ThA的中心门极(1)、晶闸管ThA的放大门极(2)、晶闸管ThA的阴极(3)、晶闸管ThA和晶闸管ThB共用的台面(4)、晶闸管ThB的阳极(5)，晶闸管ThA的中心门极(1)位于器件中心，为“蚕豆形状”，中心门极(1)一端设有放大门极(2)，放大门极(2)由一个线段状粗支干和三个圆弧状细支干组成，器件表面一侧设有晶闸管ThA的阴极(3)，另一侧设有晶闸管ThB的阳极(5)，放大门极(2)深入阴极(3)内部，均匀分隔阴极(3)区域，晶闸管ThA的阴极(3)与晶闸管ThB的阳极(5)之间设有隔离槽(6)，晶闸管ThA的中心门极(1)与晶闸管ThB的阳极(5)之间设有隔离槽(7)，晶闸管ThA的放大门极(2)与晶闸管ThA的阴极(3)之间设有隔离间距(8)，隔离槽(6)、(7)上设有绝缘保护的氧化层(9)，器件的最外端设有台面(4)圆环，与阴极(3)相连，纵向分五层四端结构，五层分别为NeA层、P+PeB层、N-层、PeA+P层、NeB层；四端指AB+KA端、GA端、AA+KB端、GB端，形成晶闸管ThA和晶闸管ThB，集成在同一硅片内，关于中心O对称。
NeB层和NeA层为同一种杂质磷元素掺杂，浓度为1-2X1019个/cm3，深度为20±2μm，PeA层和PeB层为同一种杂质铝元素掺杂，浓度为1-2X1016个/cm3，深度为50±5μm，正反面P型杂质为铝元素掺杂，浓度为1-2X1014个/cm3,深度为90±10μm，N-层为区熔高电阻硅单晶，电阻率为500±7％Ω.cm；浓度为1-2X1013个/cm3,芯片的厚度为1200±10μm，晶向为<111>。
中心门极(1)为“蚕豆形状”，两半圆的半径为2±0.1mm，两圆心之间的距离为1.5±0.1mm。
放大门极(2)由一个线段状粗支干和三个圆弧状细支干组成，线段状粗支干宽度为2±0.1mm,长度为50±0.1mm；圆弧状细支干宽度1±0.1mm，弧度长分别为8±0.1mm、35±0.1mm和75±0.1mm。
台面(4)宽度为3.5±0.1mm,深度为12±1μm。
隔离槽(6)将晶闸管ThA的阴极(3)与晶闸管ThB的阳极(5)隔离开，宽度为1±0.1mm，深度为12±0.1μm，隔离槽(6)上生长绝缘保护氧化层(9)，材料为SiO2,厚度1200nm±50nm。
隔离槽(7)将晶闸管ThA的中心门极(1)与晶闸管ThB的阳极(5)隔离开，宽度为2±0.1mm，深度为12±0.1μm，隔离槽(7)上生长绝缘保护氧化层(9)，材料为SiO2,厚度1200±50nm。
放大门极(2)与阴极(3)的隔离间距(8)为0.5±0.01mm。
本发明的有益效果是：本发明改变传统的五层三端结构，改用五层四端结构，两面均采用全压接技术，设计“蚕豆状”中心门极结构，根据芯片形状和结构特点，设计适当形状的放大门极，伸入阴极内部，均匀地分割阴极；设计隔离槽技术，并在其上生长绝缘保护氧化层；将两个反并联晶闸管集成在同一芯片内，它们关于器件中心对称。
与现有技术相比，两个反并联晶闸管结构完全对称，所以正反向触发灵敏度和均匀性一致、电热特性完全相同；中间的隔离槽将两个晶闸管完全分开，并在隔离槽上生长氧化层，防止两反并联晶闸管相互影响，解决了长期困挠双向晶闸管设计的换向dv/dt耐量低的难题；两个晶闸管可以单独设计，解决了双向晶闸管容量不高、dv/dt和di/dt耐量低技术难题，阻断电压由6500V提高到8500V，通流能力由1000A提高到3000A，dv/dt耐量由500V/μs提高到1000V/μs，di/dt耐量由600A/μs提高到1300A/μs，换向dv/dt耐量由500V/μs提高到1000V/μs，成功研制了6英寸3000A/8500V双向晶闸管。
附图说明
图1是传统五层三端双向晶闸管剖面图。
图2是本发明五层四端双向晶闸管管芯示意图，其中图2A是俯视图；图2B是图2A的A-A剖面图。
图3是本发明加电压而未加触发时，阻断特性体内空间电荷区扩展剖面示意图。图3A是双向晶闸管正向阻断时，空间电荷层扩展示意图。图3B是双向晶闸管反向阻断时，空间电荷层扩展示意图。
图4是本发明加门极触发时器件导通原理图。图4A是ThA晶闸管触发、导通示意图。图4B是ThB晶闸管触发、导通示意图。
图5是双向晶闸管换向示意图。
图6是晶闸管ThA的中心门极结构和放大门极结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1是现有的五层三端双向晶闸管剖面图，五层指N+层、P层、N-层、P层、N+层；三端指MT1端、G端、MT2端。正面(MT1、G端)采用了压接技术，反面(MT2)采用了烧结技术，造成了结构上的不对称；正面(G端)采用直接门极触发，门极触发电流小，反面(MT2端)采用遥控门极触发，门极触发电流大；正面利用平面电阻隔离两个反并联的晶闸管，反面由于烧结技术无法隔离两个晶闸管，造成导通时两晶闸管相互影响，换向dv/dt耐量低。
图2是本发明五层四端双向晶闸管，图2A中所示是俯视图，图2B中所示是图2A的A-A剖面图。一种新型结构的双向晶闸管，包括晶闸管ThA和晶闸管ThB，从横向看，包括晶闸管ThA的中心门极1、晶闸管ThA的放大门极2、晶闸管ThA的阴极3、晶闸管ThA和晶闸管ThB共用的台面4、晶闸管ThB的阳极5，晶闸管ThA的中心门极1位于器件中心，为“蚕豆形状”，中心门极1一端设有放大门极2，放大门极2由一个线段状粗支干和三个圆弧状细支干组成，器件表面一侧设有晶闸管ThA的阴极3，另一侧设有晶闸管ThB的阳极5，放大门极2深入阴极3内部，均匀分隔阴极3区域，晶闸管ThA的阴极3与晶闸管ThB的阳极5之间设有隔离槽6，晶闸管ThA的中心门极1与晶闸管ThB的阳极5之间设有隔离槽7，晶闸管ThA的放大门极2与晶闸管ThA的阴极3之间设有隔离间距8，隔离槽6、7上设有绝缘保护的氧化层9，器件的最外端设有台面4圆环，与阴极3相连，纵向分五层四端结构，五层分别为NeA层、P+PeB层、N-层、PeA+P层、NeB层；四端指AB+KA端、GA端、AA+KB端、GB端，形成晶闸管ThA和晶闸管ThB，集成在同一硅片内，关于中心O对称。所述的新型结构的双向晶闸管设计，如图2B中所示，从纵向上看，包括N-型长基区，在N-型长基区的上下两端设置有P型短基区，在P型短基区的上下表面设置了Pe型高浓度短基区，上表面隔离槽6左端Pe型高浓度短基区表面与铝电极相连，形成晶闸管ThB的阳极AB，上表面隔离槽6右端Pe型高浓度短基区表面与铝电极相连形成晶闸管ThA的中心门极GA，在右端Pe型高浓度短基区表面设置了两处Ne型发射区，Pe型高浓度短基区表面处和Ne型发射区表面处与铝电极分别相联，形成了晶闸管ThA的放大门极AG和阴极KA。下表面与上表面结构设计一样，分别是晶闸管ThB的放大门极BG和阴极KB、、中心门极GB和晶闸管ThA的阳极AA，四个角区域为台面造形区。整个器件关于中心O对称，左端是晶闸管ThB，右端是晶闸管ThA。
NeB层和NeA层为同一种杂质磷元素掺杂，浓度为1-2X1019个/cm3，深度为20±2μm，PeA层和PeB层为同一种杂质铝元素掺杂，浓度为1-2X1016个/cm3，深度为50±5μm，正反面P型杂质为铝元素掺杂，浓度为1-2X1014个/cm3,深度为90±10μm，N-层为区熔高电阻硅单晶，电阻率为500±7％Ω.cm；浓度为1-2X1013个/cm3,芯片的厚度为1200±10μm，晶向为<111>。
中心门极1为“蚕豆形状”，两半圆的半径为2±0.1mm，两圆心之间的距离为1.5±0.1mm。
放大门极2由一个线段状粗支干和三个圆弧状细支干组成，线段状粗支干宽度为2±0.1mm,长度为50±0.1mm；圆弧状细支干宽度1±0.1mm，弧度长分别为8±0.1mm、35±0.1mm和75±0.1mm。
台面4宽度为3.5±0.1mm,深度为12±1μm。
隔离槽6将晶闸管ThA的阴极3与晶闸管ThB的阳极5隔离开，宽度为1±0.1mm，深度为12±0.1μm，隔离槽6上生长绝缘保护氧化层9，材料为SiO2,厚度1200nm±50nm。
隔离槽7将晶闸管ThA的中心门极1与晶闸管ThB的阳极5隔离开，宽度为2±0.1mm，深度为12±0.1μm，隔离槽7上生长绝缘保护氧化层9，材料为SiO2,厚度1200±50nm。
放大门极2与阴极3的隔离间距8为0.5±0.01mm。
如图2B中所示，五层指NeA层、P+PeB层、N-层、PeA+P层、NeB层；四端指AB+KA端、GA端、AA+KB端、GB端。两只反并联晶闸管ThA与ThB关于中心O对称，所以晶闸管ThA与晶闸管ThB电特性参数基本相同，为防止两只反并联晶闸管换向时相互影响，在两只晶闸管中间设置隔离槽6、7，并在其上生长绝缘氧化层9。可见，此结构设计的双向晶闸管完全可以先按照单只晶闸管设计，提高dv/dt和di/dt耐量，然后再组合在一起；不仅可以设计高阻断电压、大通态能力、高dv/dt和di/dt耐量、设置隔离槽技术，防止两反并联晶闸管相互影响，提高换向dv/dt耐量，而且正反向触发灵敏度和均匀性一致、电热特性完全相同。
图3是本发明加电压未加触发时，阻断特性体内空间电荷区扩展剖面示意图。图3A中所示是加正向电压未加门极触发GA时，体内空间电荷区扩展剖面示意图，空穴向N-区扩展，电子向P区扩展；图3B中所示是加反向电压未加门极触发GB时，体内空间电荷区扩展剖面示意图，空穴向N-区扩展，电子向P区扩展。由于器件结构关于纵向中心线对称，所以空间电荷区扩展也相同，可见正反向阻断电压特性也相同，测试表明正反向阻断电压达到8500V以上。
图4是本发明加门极触发时器件导通原理图。图4A中所示是给晶闸管ThA门阴极间加触发信号VAG，由于门极隔离槽7作用，电流不会流向晶闸管ThB的阳极AB上，只能流向晶闸管ThA的放大门极AGA，从晶闸管ThA的阳极AA取能后，相当于把门极电流放大，强触发晶闸管ThA的阴极KA，引发晶闸管ThA大面积导通，测试表明通流能力能达到3000A以上；图4B中所示是给晶闸管ThB门阴极间加触发信号VBG，同样的原理，引发晶闸管ThB的导通。由于结构关于中心O对称，所以门极触发特性、导通特性完全相同。
图5是本发明晶闸管ThB由导通转换为关断，快速上升的电压，引发形成的电流Cdv/dt对晶闸管ThA误触发导通示意图，由于可以分别在单只上精确设计，测试表明单只晶闸管dv/dt耐量能力达到1000V/μs以上，由于设置了隔离槽6、7技术，并在其上生长绝缘氧化层9，晶闸管ThB的形成的阳极电流不能通过隔离槽6、7流向晶闸管ThA的门极，不会引起晶闸管ThA的误触发。所以提高了换向时dv/dt耐量，测试表明换向时dv/dt耐量能力达到1000V/μs以上。
图6是本发明的门极结构，以晶闸管ThA的门极结构为例进行讲解，为使晶闸管ThA与晶闸管ThB中心门极垂直正对，将中心门极GA设计成“蚕豆形状”，中心门极处围为宽隔离槽7。为提高di/dt耐量，根据芯片形状和结构，设计成一根粗主支干连接三个半圆形细支干的放大门极AG，提高了单只晶闸管的di/dt耐量能力，测试表明单只晶闸管的耐量能力达到1300A/μs以上。
本发明的原理及优点是：两个反并联晶闸管共用一个N-型长基区，P型短基区完全对称，设置在N-型长基区的两侧，电压阻断时，空间电荷区在N-和P扩展完全相等，如图3所示，所以阻断电压完全对称；导通时，由于两晶闸管中心门极、放大门极、阴极设置关于中心O对称，由于设置隔离槽技术，所以触发特性完全相同，两晶闸管互不影响，如图4所示；换向时，由于设置隔离槽技术，并在隔离槽生长绝缘氧化层，一个晶闸管的阻断电压上升率，不会影响另一个晶闸管的换向dv/dt耐量，如图5所示。彻底解决了长期困挠双向晶闸管设计的换向dv/dt耐量低的技术难题。所以此结构设计的双向晶闸管完全可以先按照单只晶闸管设计，提高dv/dt和di/dt耐量，然后再组合在一起；不仅可以设计高阻断电压、大通态能力、高dv/dt耐量和高di/dt耐量、设置隔离槽技术，防止两反并联晶闸管相互影响，提高换向dv/dt耐量，而且正反向触发灵敏度和均匀性一致、电热特性完全相同。