一种具有高工作电压阈值的栅控晶闸管

本发明属于半导体，具体涉及一种具有高工作电压阈值的栅控晶闸管(mos-controlled thyristor简称：mct)。

背景技术：

0、技术背景

1、功率半导体作为一种开关器件，主要应用于电力电子领域和脉冲功率领域两方面。在脉冲功率领域要求开关器件具有极高的峰值电流，虽然常规的igbt在高压电力电子领域中展现出优越的性能，但是其电流饱和特性使得其在脉冲功率领域发挥受限。

2、栅控晶闸管是一种采用栅极控制的高电压、高电流半导体器件，其主要应用与脉冲功率领域，其具有易于驱动的电压控制、工作电压和电流等级达到几kv和几ka等优点。然而高电压、大电流的工作场景也为对器件的高可靠性和高安全性提出了更高的要求。常规的mct器件结构在脉冲功率系统应用中，并未对工作电压有特殊的保护设计，这就导致mct器件在处于低于设计的工作电压值时，产生的脉冲功率电流低，无法满足应用要求，且再次放电前电容需要重新充电，影响功率系统工作效率。同时，若脉冲功率系统未处于工作状态，器件栅极受到误触发，其产生的电流可能直接导致系统损坏，极大的影响了功率脉冲系统的稳定性和可靠性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的，是针对上述问题，提出一种高压触发栅控晶闸管(highvoltage triggered mct简称hvt-mct)，其特殊的器件结构可以保证器件仅在高于工作电压时触发，并正常产生高脉冲电流；在低于工作电压时，器件不受到栅极控制，具有防误触发功能。可以用于改进常规mct存在的低于工作电压状态下仍可触发的安全可靠性问题，保证了器件在脉冲功率系统中应用的稳定性。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种具有高工作电压阈值的栅控晶闸管如图1所示，包括从下至上依次层叠设置的金属化阳极12、p-阳极11、n-漂移区10、氧化层3、多晶硅2和金属化栅极1，所述氧化层3、多晶硅2和金属化栅极1构成平面栅结构，在平面栅结构内部具有金属化阴极4，金属化阴极4将氧化层3和多晶硅2隔离为左右两个部分，并且金属化阴极4与氧化层3、多晶硅2和金属化栅极1之间通过介质层隔离开；在n-漂移区10的上层，嵌入设置有p-阱9，p-阱9的上层嵌入设置有p-基区7，并且p-阱9和p-基区7之间通过n-隔离层8隔离，p-阱9、n-隔离层8和p-基区7两端的上表面均与氧化层3的底部连接；在p-基区7的上表面中部具有n+型半导体6，n+型半导体6的上表面与金属化阴极4的底部接触，在n+型半导体6的两侧具有p+型半导体5，p+型半导体5和n+型半导体6完全覆盖p-基区7的上表面，p+型半导体5的上表面分别与金属化阴极4和氧化层3的底部接触。

4、所述n-隔离层8在平面栅施加电压时，通过氧化层3下方的n型沟道与n-漂移区10相连，使得二者同电位，耐压偏置pn结从p-阱/n-漂移区结转变为了p-基区/n-隔离层结；当阳极施加低电压时，p-基区/n-隔离层结承受耐压，同时由于n+型半导体5没有与n型沟道相连，则没有电子注入到n-漂移区10内，从而器件不开启，使得器件在处于低于工作电压下的脉冲功率系统中时，不会发生误触发。

5、当阳极施加高电压时，p-基区/n-隔离层结无法承受耐压并发生雪崩，雪崩产生的电子空穴对会产生电子、空穴电流，从而使得晶闸管闩锁，器件开启并具有正常的脉冲功率功能。

6、本发明总的技术方案，主要有两点，一是处于低电压状态时，由于阴极区域的n+型半导体6与平面栅分离，在栅极施加电压时，p-阱9中氧化层3下方形成的n型沟道并未与n+型半导体6连通，使得没有电子从阴极直接注入到n-漂移区中，从而不会激发p-阳极11注入空穴，器件不开启；二是在器件处于高电压时，在栅极施加电压，p-阱9中氧化层3下方形成的n型沟道使得n-隔离层8通过沟道与n-漂移区10连通，导致n-隔离层/p-基区结反偏击穿并引起雪崩，从而器件开启。

7、本发明的有益效果为，通过提出新结构栅控晶闸管(hvt-mct)，在不影响器件正常工作性能的情况下，仅在高于工作电压时实现脉冲功率功能，低电压时不误触发，极大的提高了脉冲功率系统的安全性和稳定性。

技术特征：

1.一种具有高工作电压阈值的栅控晶闸管，其特征在于，包括从下至上依次层叠设置的金属化阳极(12)、p-阳极(11)、n-漂移区(10)、氧化层(3)、多晶硅(2)和金属化栅极(1)，所述氧化层(3)、多晶硅(2)和金属化栅极(1)构成平面栅结构，在平面栅结构内部具有金属化阴极(4)，金属化阴极(4)将氧化层(3)和多晶硅(2)隔离为左右两个部分，并且金属化阴极(4)与氧化层(3)、多晶硅(2)和金属化栅极(1)之间通过介质层隔离开；在n-漂移区(10)的上层，嵌入设置有p-阱9，p-阱9的上层嵌入设置有p-基区(7)，并且p-阱9和p-基区(7)之间通过n-隔离层(8)隔离，p-阱9、n-隔离层(8)和p-基区(7)两端的上表面均与氧化层(3)的底部连接；在p-基区(7)的上表面中部具有n+型半导体(6)，n+型半导体(6)的上表面与金属化阴极(4)的底部接触，在n+型半导体(6)的两侧具有p+型半导体(5)，p+型半导体(5)和n+型半导体(6)完全覆盖p-基区(7)的上表面，p+型半导体(5)的上表面分别与金属化阴极(4)和氧化层(3)的底部接触；

2.根据权利要求1所述的一种具有高工作电压阈值的栅控晶闸管，其特征在于，当阳极施加高电压时，p-基区/n-隔离层结无法承受耐压并发生雪崩，雪崩产生的电子空穴对会产生电子、空穴电流，从而使得晶闸管闩锁，器件开启并具有正常的脉冲功率功能。

技术总结本发明属于半导体技术领域，具体涉及到一种具有高工作电压阈值的栅控晶闸管。本发明的结构有两点特效，一是低电压状态时，由于阴极区域的N+型半导体与平面栅分离，在栅极施加电压时，P‑阱中氧化层下方形成的N型沟道并未与N+型半导体联通，使得没有电子从阴极直接注入到N‑漂移区中，从而不会激发P‑阳极注入空穴，器件不开启；二是在器件处于高电压时，在栅极施加电压，P‑阱中氧化层下方形成的N型沟道使得N‑隔离层通过沟道与N‑漂移区连通，使得N‑隔离层/P‑基区结反偏击穿并引起雪崩，从而器件开启。本发明在阳极电压低于设计的工作电压时，器件不会开启，当阳极电压大于工作电压时，器件脉冲功率放电功能正常，大大提升了脉冲功率系统的安全性。技术研发人员：陈万军,孙新淇,杨禹霄,孙瑞泽,刘超,郑崇芝,张波受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29