CN117219665A - 一种门极换流晶闸管芯片及晶闸管 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种门极换流晶闸管芯片及晶闸管，阴极金属层、位于阴极金属层两侧的门极金属层、与所述阴极金属层相对的阳极金属层、以及形成于阴极金属层与阳极金属层之间的半导体衬底；半导体衬底包括五层区结构或六层区结构，且每结构区具有不同的导电类型，将P基区分区设计形成“凹”形主结，提升阴极梳条下方的P基区的结深及浓度，降低该部分对应等效的npn晶体管的电流增益α₂₁，可实现同时降低通态损耗及关断损耗。本发明尤其适用逆阻型GCT，可降低片厚，实现较好的阻断、通态与关断之间的折中设计。

Description

一种门极换流晶闸管芯片及晶闸管

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种门极换流晶闸管芯片及晶闸管。

背景技术

IGCT（集成门极换流晶闸管）作为一种全控型功率半导体器件，因其功率容量大、通态损耗低、短路失效模式牢靠等特点，在电网领域具有广泛的应用前景。IGCT器件作为功率装置的核心器件，门极换流晶闸管又称GCT，其中GCT芯片的损耗特性与功率装置的能源传输效率息息相关。

现有沟槽型GCT芯片纵向上的主要结构包含PNPN四区，如图1所示。根据掺杂的轻重程度，又可细分为P⁺、N′、N^-、P、P⁺、N⁺六区，分别对应P⁺阳极发射区、N′缓冲层、N^-基区、P基区、P⁺短基区和N⁺发射区（也称为阴极梳条）。芯片内部存在3个PN结，从阳极往阴极分别为J1结（阳极透明结）、J2结（阻断电压主结）和J3结（门阴极结），其中阴极与门极通过沟槽形成一个台阶。从GCT芯片横向上看，阴极梳条采用扇区圆弧或者圆周均匀排布在一个晶圆中。对于不同直径的GCT管芯，阴极梳条一般按2~16分圈呈辐射状排布。

对于沟槽型GCT，如图1所示，其沟槽结构一方面可形成空隙进行门阴极隔离，其次沟槽深度可以控制GCT芯片中包含的npn等效晶体管电流增益α2、另pnp等效晶体管电流增益为α1的大小，进而优化GCT芯片的损耗特性及关断能力。其次，对于现有HPT（高功率技术，high power technology）型GCT结构，如图2所示，在波形高度一定的情况下，为提升关断能力必须提升主结结深设计以降低阴极梳条下方的npn等效晶体管电流增益α2，将导致GCT单晶规格片厚增加，造成器件关断与通态损耗提升，尤其是GCT逆阻型。另一方面，现有HPT技术仅利用横向电场快速抽取阴极梳条下方区域的空穴载流子，但是提升了该区域阴极电子发射效率，故对GCT提升关断电流能力作用有限。综上所述，现有HPT GCT损耗调控总存在开通损耗与关断损耗难折中设计矛盾，其次关断能力提升有限。因此，提出了一种波浪形GCT芯片结构方案，实现提升关断能力，并同时降低开通损耗与关断损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种门极换流晶闸管芯片及晶闸管，提升关断能力的同时，降低开通损耗与关断损耗。

本发明提供的一种门极换流晶闸管芯片，包括：阴极金属层、位于阴极金属层两侧的门极金属层、与所述阴极金属层相对的阳极金属层、以及形成于阴极金属层与阳极金属层之间的半导体衬底；

所述半导体衬底包括五层区结构或六层区结构，且每结构区具有不同的导电类型；

所述五层区结构包括：与阴极金属层接触的N⁺发射区、与门极金属层和N⁺发射区接触的P⁺短基区、与P⁺短基区接触的P基区、与P基区接触的N^-基区、以及与N^-基区接触的P⁺阳极发射区；所述P⁺阳极发射区与阳极金属层接触；

所述六层区结构包括：与阴极金属层接触的N⁺发射区、与门极金属层和N⁺发射区接触的P⁺短基区、与P⁺短基区接触的P基区、与P基区接触的N^-基区、与N^-基区接触的N′缓冲层或P型阳极发射区、以及与N′缓冲层或P型阳极发射区接触的P⁺阳极发射区；所述P⁺阳极发射区与阳极金属层接触；

所述P基区具有凸出结构，所述N^-基区具有凹陷结构，所述凸出结构嵌入凹陷结构内。

可选地，所述N⁺发射区部分嵌入P⁺短基区内，嵌入深度为0-30μm。

可选地，所述N⁺发射区的掺杂浓度为1E16cm^-3-1E22cm^-3，扩散深度为5μm-40μm。

可选地，所述P⁺短基区的掺杂浓度为1E15cm^-3-5E18cm^-3，扩散深度约20μm-80μm。

可选地，所述P基区的掺杂浓度为1E13cm^-3-2E16cm^-3，扩散深度为60μm-200μm。

可选地，P型阳极发射区的掺杂浓度为1E13cm^-3-2E16cm^-3，扩散深度为60μm-200μm。

可选地，N′缓冲层的掺杂浓度为1E12cm^-3-1E17cm^-3，扩散深度通常为10μm-100μm。

可选地，所述P⁺阳极发射区的掺杂浓度为1E15cm^-3-5E18cm^-3，扩散深度为0.5μm-80μm。

一种晶闸管，包括所述的门极换流晶闸管芯片。

可选地，晶闸管包括所述门极换流晶闸管芯片和快恢复二极管芯片，所述门极换流晶闸管芯片与快恢复二极管芯片通过NPN隔离结构反并联形成晶闸管。

本发明的有益效果是，本发明提供的门极换流晶闸管芯片，将P基区分区设计形成“凹”形波纹主结，将阴极梳条下方的P基区的结深及浓度升高，降低该部分对应等效的npn晶体管的电流增益α₂₁，一方面关断过程中阴极发射电子的效率，同时下方的横向电场阻碍体内载流子聚集在阴极梳条下方的P基区，从而提升关断电流；将门极下方的P基区的结深及浓度降低，提高该部分对应等效的npn晶体管的电流增益α₂₂，增强通态时门极金属层（占芯片面积60%以上）下方npn晶体管的载流子调控效应以降低通态压降。仿真设计验证，同等电流工况下相比沟槽型GCT，可实现同时降低通态损耗及关断损耗；尤其适用逆阻型GCT，可降低片厚，实现较好的阻断、通态与关断之间的折中设计。

附图说明

图1为现有沟槽型GCT芯片的结构示意图；

图2为现有HPT型GCT芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的逆阻型GCT芯片的结构示意图一；

图4为本发明实施例提供的平面逆阻型GCT芯片的结构示意图二；

图5为本发明实施例提供的平面非对称型GCT芯片的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的非对称型GCT芯片的结构示意图一；

图7为本发明实施例提供的非对称型GCT芯片的结构示意图二；

图8为本发明实施例提供的逆导型GCT芯片的结构示意图。

图中：1、N⁺发射区；2、P⁺短基区；3、P基区；4、N^-基区；5、P型阳极发射区；6、P⁺阳极发射区；7、N′缓冲层；8、阴极金属层；9、阳极金属层；10、门极金属层；11、J1结；12、J2结；13、J3结；14、FRD-P⁺阳极发射区；15、P阳极区；16、N⁺阴极发射区；17、N^-隔离基区。

具体实施方式

如图3-8所示，本发明实施例提供了一种门极换流晶闸管芯片，包括：阴极金属层8、位于阴极金属层8两侧的门极金属层10、与所述阴极金属层8相对的阳极金属层9、以及形成于阴极金属层8与阳极金属层9之间的半导体衬底；半导体衬底包括五层区结构或六层区结构，且每一层结构区具有不同的导电类型；

五层区结构包括：与阴极金属层8接触的N⁺发射区1、与门极金属层10和N⁺发射区1接触的P⁺短基区2、与P⁺短基区2接触的P基区3、与P基区3接触的N^-基区4、以及与N^-基区4接触的P⁺阳极发射区6；P⁺阳极发射区6与阳极金属层9接触；

六层区结构包括：与阴极金属层8接触的N⁺发射区1、与门极金属层10和N⁺发射区1接触的P⁺短基区2、与P⁺短基区2接触的P基区3、与P基区3接触的N^-基区4、与N^-基区4接触的N′缓冲层7或P型阳极发射区5、以及与N′缓冲层7或P型阳极发射区5接触的P⁺阳极发射区6；P⁺阳极发射区6与阳极金属层9接触；

P基区3具有凸出结构，N^-基区4具有凹陷结构，凸出结构嵌入凹陷结构内，形成的J2结12的剖面呈“凹”形。

与现有技术相比，本发明提供的门极换流晶闸管芯片，将P基区3分区设计形成“凹”形波纹主结，将阴极梳条下方的P基区3的结深及浓度升高，降低该部分对应等效的npn晶体管的电流增益α₂₁，一方面关断过程中阴极发射电子的效率，同时下方的横向电场阻碍体内载流子聚集在阴极梳条下方的P基区3，从而提升关断电流；将门极下方的P基区3的结深及浓度降低，提高该部分对应等效的npn晶体管的电流增益α₂₂，增强通态时门极金属层10（占芯片面积60%以上）下方npn晶体管的载流子调控效应以降低通态压降。仿真设计验证，同等电流工况下相比沟槽型GCT，可实现同时降低通态损耗及关断损耗；尤其适用逆阻型GCT，可降低片厚，实现较好的阻断、通态与关断之间的折中设计。

相比同等级的标准型GCT，本发明提出的波浪形GCT，仿真其关断能力提升20%以上。在同样通态损耗设计结构，其损耗降低了10%以上。因此，可较好提升关断能力的同时，方便折中设计器件的关断与通态损耗。

实施例一

将本发明应用在逆阻型门极换流晶闸管上，如图3和图4所示；

逆阻型GCT芯片结构从上之下依次为N⁺发射区1、P⁺短基区2、P基区3、N^-基区4、P型阳极发射区5和P⁺阳极发射区6；逆阻型GCT芯片P⁺短基区2与N⁺发射区1位于同侧，P⁺短基区2与N⁺发射区1位于同侧，两者的高度差（挖槽深度）为0-30μm。当高度差为0时，为平面逆阻型GCT芯片。本逆阻GCT芯片分四个工作状态：阻断、触发（开通）、通态及关断，工作过程如下所述：

阻断状态：当阳-阴极间（P⁺阳极发射区6-N⁺发射区1）施加正向电压V_DC，器件处于正向阻断状态，阻断电压主要由反偏的J2结（P基区3-N^-基区形成的PN结）承受。当阳-阴极间(P⁺阳极发射区6-N⁺发射区1)施加反向电压-V_DC，器件处于反向阻断状态，阻断电压主要由反偏的J1结11(N^-基区-P型阳极发射区5形成的PN结)承受。但GCT阻断时，必须对器件门-阴极J3结13（N⁺发射区1与P⁺短基区2形成的PN结）施加-20V以内的反偏电压（或短接），以避免因J3结13的正偏注入效应而使器件耐压显著降低。

触发（开通）过程：触发前，器件处于阻断状态，即J2结12、J3结13处于反偏阻断状态。对芯片的门-阴极（J3结13）施加正偏电压并且门极正向脉冲电流幅值（I_GT）和上升率（di/dt）足够大时，此时J3结13将均匀注入电子经扩散最终从阳极端抽走，PNP管J1结11均匀注入空穴经扩散最终从阴极端抽走。当两只等效晶体管的电流放大系数之和大于1（即α_PNP+α_NPN>1）时，GCT实现开通并保持擎住，宏观上表现为GCT由高阻状态转变为低阻状态。

通态状态：GCT开通后即进入导通状态，器件表现为晶闸管特性。由于“擎住”效应，此时即使撤去门极电流，GCT仍能维持正向导通。同时，由于N基区与P基区双极性载流子产生的电导调制效应，使GCT具有通态压降低、通流能力强的优点。

关断过程：对导通中GCT的门-阴极施加-20V偏压使J3结13截止，在J2结12电压上升之前，阴极电流全部切换至门极（即硬关断），GCT进入基极开路的PNP管工作模式。此时，N-基区的过剩电子载流子扩散穿越阳极J1抽走，P基区的过剩空穴载流子则经门极抽取排走，使GCT的阳极电流在极短时间内可靠关断，同时J2结12恢复阻断能力。宏观上表现为GCT开关由低阻状态转变为高阻状态。

N⁺发射区1的掺杂浓度为1E16cm^-3-1E22cm^-3，扩散深度为5μm-40μm；

P⁺短基区2的掺杂浓度为1E15cm^-3-5E18cm^-3，扩散深度约20μm-80μm；其中，如图4所示，逆阻型GCT芯片结构中的P⁺短基区2分为位于N⁺发射区1正下方的P₁ ⁺短基区和位于P₁ ⁺短基区两侧的P₂ ⁺短基区；引入P₁ ⁺短基区的设计，由N⁺发射区1、P₁ ⁺短基区及N^-基区形成的等效NPN晶体管（其等效电流增益α_NPN1）主导芯片开通功能，从而解决了开通特性与通态损耗自由调控问题；引入P₂ ⁺短基区的设计，由N⁺发射区1、P₂ ⁺短基区及N^-基区形成的等效NPN晶体管（其等效电流增益α_NPN2）为主导芯片关断功能，解决了GCT关断能力与关断损耗自由调控问题。

P基区3的掺杂浓度为1E13cm^-3-2E16cm^-3，扩散深度为60μm-200μm，具体取决于阻断电压与通态损耗间的折中设计；

P基区3的J2结12形状为矩形、梯形、尖锥状或多台阶状等形状，其形状设计决定横向电场强度、电场分布及NPN晶体管电流增益α_NPN2大小，具体取决于关断能力与通态损耗特性折中设计。IGCT关断时，一方面利用J2结的横向电场快速抽取阴极梳条下方区域的空穴载流子；另一方面，利用J2结形状设计控制由N⁺发射区1、P₂ ⁺短基区及N^-基区形成的等效NPN晶体管电流增益α_NPN2降低阴极电子发射效率，从而综合降低阴极梳条下方载流子浓度，避免关断重触发失效，从而提升芯片的关断能力并控制器件的关断损耗。

N^-基区4的掺杂浓度和宽度，取决于阻断电压设计；

P型阳极发射区5的掺杂浓度为1E13cm^-3-2E16cm^-3，扩散深度为60μm-200μm，具体取决于阻断电压与通态损耗间的折中设计；

P⁺阳极发射区6的掺杂浓度为1E15cm^-3-5E18cm^-3，扩散深度为0.5μm-80μm，扩散深度取决于器件通态损耗的折中设计；

所述P⁺短基区2通常通过一种或多种区叠而成的门极金属层10引出；

所述N⁺发射区1通常通过一种或多种区叠而成的门极金属层10引出；

所述P⁺阳极发射区6通常通过一种或多种区叠而成的门极金属层10引出。

实施例二

将本发明应用在非对称型门极换流晶闸管上，如图5-图7所示；

其中，非对称型GCT芯片（以下称GCT芯片）结构从上至下依次为N+发射区1、P+短基区2、P基区3、N^-基区4（或含N′缓冲层7）和P⁺阳极发射区6；本非对称型GCT芯片分四个工作状态：阻断、触发（开通）、通态及关断，工作过程如下所述：

阻断状态：当阳-阴极间(P⁺阳极发射区6-N⁺发射区1)施加正向电压V_DC，器件处于正向阻断状态，阻断电压主要由反偏的J2结（P基区3-N^-基区形成的PN结）承受。但GCT阻断时，必须对器件门-阴极J3结（N⁺发射区1与P⁺短基区2形成的PN结）施加-20V以内的反偏电压（或短接），以避免因J3结的正偏注入效应而使器件耐压显著降低。

触发（开通）过程：触发前，器件处于阻断状态，即J2结12、J3结13处于反偏阻断状态。对芯片的门-阴极（J3结13）施加正偏电压并且门极正向脉冲电流幅值（I_GT）和上升率（di/dt）足够大时，此时J3结13将均匀注入电子经扩散最终从阳极端抽走，PNP管J1结11均匀注入空穴经扩散最终从阴极端抽走。当两只等效晶体管的电流放大系数之和大于1（即α_PNP+α_NPN>1）时，GCT实现开通并保持擎住，宏观上表现为GCT由高阻状态转变为低阻状态。

通态状态：GCT开通后即进入导通状态，器件表现为晶闸管特性。由于“擎住”效应，此时即使撤去门极电流，GCT仍能维持正向导通。同时，由于N基区与P基区双极性载流子产生的电导调制效应，使GCT具有通态压降低、通流能力强的优点。

关断过程：对导通中GCT的门-阴极施加-20V偏压使J3结13截止，在J2结12电压上升之前，阴极电流全部切换至门极（即硬关断），GCT进入基极开路的PNP管工作模式。此时，N-基区的过剩电子载流子扩散穿越透明阳极J1结11（N′缓冲层7与P⁺阳极发射区6形成的PN结）抽走，P基区的过剩空穴载流子则经门极抽取排走，使GCT的阳极电流在极短时间内可靠关断，同时J2结12恢复阻断能力。宏观上表现为GCT开关由低阻状态转变为高阻状态。

GCT芯片的P+短基区2与N+发射区1位于同侧，两者高度差（挖槽深度）为0-30μm，当高度差为0时，为平面型非对称GCT芯片；

N⁺发射区1的掺杂浓度为1E16cm^-3-1E22cm^-3，扩散深度为5μm-40μm；

P⁺短基区2的掺杂浓度为1E15cm^-3-5E18cm^-3，扩散深度约20μm-80μm；

P基区3的掺杂浓度为1E13cm^-3-2E16cm^-3，扩散深度为60μm-200μm，具体取决于阻断电压与通态损耗间的折中设计；

P基区3的J2结12形状为矩形、梯形、尖锥状或多台阶状等形状，其形状设计决定横向电场强度、电场分布及NPN晶体管电流增益α_NPN2大小，具体取决于关断能力与通态损耗特性折中设计；IGCT关断时，一方面利用J2结的横向电场快速抽取阴极梳条下方区域的空穴载流子；另一方面，利用J2结形状设计控制由N⁺发射区1、P₂ ⁺短基区及N^-基区形成的等效NPN晶体管电流增益α_NPN2降低阴极电子发射效率，从而综合降低阴极梳条下方载流子浓度，避免关断重触发失效，从而提升芯片的关断能力并控制器件的关断损耗。

N^-基区4的掺杂浓度和宽度，取决于阻断电压设计；

N′缓冲层7，其掺杂浓度为1E12cm^-3-1E17cm^-3，其扩散深度为10μm-100μm，其设计取决于器件电压等级。

P⁺阳极发射区6，其掺杂浓度为1E15cm^-3-5E18cm^-3，扩散深度为0.5μm-20μm，扩散深度取决于关断损耗与通态损耗特性折中设计。

所述P⁺短基区2通常通过一种或多种层叠而成的门极金属层10引出。

所述N⁺发射层通常通过一种或多种层叠而成的门极金属层10引出。

所述P⁺阳极发射区6通常通过一种或多种层叠而成的门极金属层10引出。

实施例三

将本发明应用在逆导型门极换流晶闸管上，GCT结构与FRD结构通过NPN隔离结构反并联形成如图8所示的结构，FRD为快恢复二极管；本逆导型GCT芯片分五个工作状态：阻断、触发（开通）、通态、关断及反向恢复状态，工作过程如下所述：

阻断状态：当阳-阴极间（P⁺阳极发射区6/N⁺阴极发射区16-N⁺发射区1/P⁺阳极发射区14）施加正向电压V_DC，器件处于正向阻断状态，阻断电压主要由反偏的J2结12（）P基区3-N^-基区4、P阳极区15-N^-基区4形成的PN结）承受。但GCT阻断时，必须对器件门-阴极J3结13（N⁺发射区1与P⁺短基区2形成的PN结）施加-20V以内的反偏电压（或短接），以避免因J3结13的正偏注入效应而使器件耐压显著降低。

触发（开通）过程：触发前，器件处于阻断状态，即J2结12、J3结13处于反偏阻断状态。对芯片的门-阴极（J3结13）施加正偏电压并且门极正向脉冲电流幅值（I_GT）和上升率（di/dt）足够大时，此时J3结13将均匀注入电子经扩散最终从阳极端抽走，PNP管J1结11均匀注入空穴经扩散最终从阴极端抽走。当两只等效晶体管的电流放大系数之和大于1（即α_PNP+α_NPN>1）时，GCT实现开通并保持擎住，宏观上表现为GCT由高阻状态转变为低阻状态。

通态状态：GCT开通后即进入导通状态，器件表现为晶闸管特性。由于“擎住”效应，此时即使撤去门极电流，GCT仍能维持正向导通。同时，由于N基区与P基区双极性载流子产生的电导调制效应，使GCT具有通态压降低、通流能力强的优点。

关断过程：对导通中GCT的门-阴极施加-20V偏压使J3结13截止，在J2结12电压上升之前，阴极电流全部切换至门极（即硬关断），GCT进入基极开路的PNP管工作模式，FRD已处于阻断状态。此时，N-基区的过剩电子载流子扩散穿越透明阳极J1结11（N′缓冲层7与P⁺阳极发射区6形成的PN结）抽走，P基区的过剩空穴载流子则经门极抽取排走，使GCT的阳极电流在极短时间内可靠关断，同时J2结12恢复阻断能力。宏观上表现为GCT开关由低阻状态转变为高阻状态。

反向恢复状态：GCT芯片FRD结构反向完全导通后，由于“电导调制”现象N-基区4中充满了大量的自由载流子。当FRD结构阳-阴极间（P⁺阳极发射区6/N⁺阴极发射区16-N⁺发射区1/P⁺阳极发射区14）施加正向电压V_DC，此时需要迅速抽取N-基区内的载流子形成足够宽的耗尽层承担耐压，空穴被电场拉到FRD结构中的“阳极”(P⁺阳极发射区14/N⁺发射区1）、电子被电场反向扫出至FRD结构中“阴极”（N⁺阴极发射区16/P⁺阳极发射区6），从而形成反向电流并很快达到I_RR。此后通过复合中心耗尽体内中心的载流子，IRR缓慢恢复至0。宏观上表现为GCT中开关由低阻状态转变为高阻状态。

其中，GCT芯片结构从上至下依次为N⁺发射区1、P⁺短基区2、P基区3、N^-基区4（或含N′缓冲层7）和P⁺阳极发射区6；所述的FRD芯片结构从上至下依次为FRD-P⁺阳极发射区14、P阳极区15、N^-基区4（或含N′缓冲层7）、N⁺阴极发射区16；其中GCT芯片与FRD芯片之间通过N^-隔离基区17，通过由GCT芯片的P⁺短基区2/P基区3、N-基区及FRD- P⁺阳极发射区/P阳极区15横向形成NPN晶体管结构进行隔离，如图8虚框所示。

其中，GCT芯片的P⁺短基区2与N⁺发射区1位于同侧，两者高度差（挖槽深度）为0-30μm，当高度差为0时，为平面型非对称GCT芯片；

GCT芯片的N⁺发射区1掺杂浓度为1E16cm^-3-1E22cm^-3，扩散深度为5μm-40μm；

GCT芯片中FRD结构中的N⁺阴极发射区16的掺杂浓度为1E16cm^-3-1E22cm^-3，扩散深度为5μm-60μm；

GCT芯片的P⁺短基区2的掺杂浓度为1E15cm^-3-5E18cm^-3，扩散深度约20μm-80μm；

GCT芯片中FRD结构中P⁺阳极发射区14的掺杂浓度为1E15cm^-3-5E18cm^-3，扩散深度约20μm-80μm；

GCT芯片的P基区3及FRD芯片的P阳极区15的掺杂浓度为1E13cm^-3-2E16cm^-3，扩散深度为60μm-200μm，具体取决于阻断电压与通态损耗间的折中设计；

GCT芯片中FRD结构中P阳极区15的掺杂浓度为1E13cm^-3-2E16cm^-3，扩散深度为60μm-200μm，具体取决于阻断电压与反向软恢复特性间的折中设计；

GCT芯片的P基区3的J2结12形状为矩形、梯形、尖锥状或多台阶状等形状，具体取决于关断能力与通态损耗特性折中设计；其形状设计决定横向电场强度、电场分布及NPN晶体管电流增益α_NPN2大小，具体取决于关断能力与通态损耗特性折中设计；IGCT关断时，一方面利用J2结的横向电场快速抽取阴极梳条下方区域的空穴载流子；另一方面，利用J2结形状设计控制由N⁺发射区1、P₂ ⁺短基区及N^-基区形成的等效NPN晶体管电流增益α_NPN2降低阴极电子发射效率，从而综合降低阴极梳条下方载流子浓度，避免关断重触发失效，从而提升芯片的关断能力并控制器件的关断损耗。

GCT芯片和FRD芯片的N^-基区4的掺杂浓度和宽度，具体取决于阻断电压与反向恢复特性间的折中设计；

N^-隔离基区17的掺杂浓度同GCT芯片和FRD芯片的N^-基区4，其表面隔离宽度L通常为5μm-60μm，具体取决于隔离电特性设计。

GCT芯片和FRD芯片的N′缓冲层7，其掺杂浓度为1E12cm^-3-1E17cm^-3，其扩散深度为10μm-100μm，其设计取决于器件电压等级。

GCT芯片的P⁺阳极发射区6，其掺杂浓度为1E15cm^-3-5E18cm^-3，扩散深度为0.5μm-20μm，扩散深度取决于关断损耗与通态损耗特性折中设计；

所述P⁺短基区2通常通过一种或多种层叠而成的门极金属层10引出。

所述N⁺发射区1通常通过一种或多种层叠而成的门极金属层10引出。

所述P⁺阳极发射区6通常通过一种或多种层叠而成的门极金属层10引出。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的保护范围限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入本申请的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种门极换流晶闸管芯片，其特征在于，包括：阴极金属层（8）、位于阴极金属层（8）两侧的门极金属层（10）、与所述阴极金属层（8）相对的阳极金属层（9）、以及形成于阴极金属层（8）与阳极金属层（9）之间的半导体衬底；

所述半导体衬底包括五层区结构或六层区结构，且每结构区具有不同的导电类型；

所述五层区结构包括：与阴极金属层（8）接触的N⁺发射区（1）、与门极金属层（10）和N⁺发射区（1）接触的P⁺短基区（2）、与P⁺短基区（2）接触的P基区（3）、与P基区（3）接触的N^-基区（4）、以及与N^-基区（4）接触的P⁺阳极发射区（6）；所述P⁺阳极发射区（6）与阳极金属层（9）接触；

所述六层区结构包括：与阴极金属层（8）接触的N⁺发射区（1）、与门极金属层（10）和N⁺发射区（1）接触的P⁺短基区（2）、与P⁺短基区（2）接触的P基区（3）、与P基区（3）接触的N^-基区（4）、与N^-基区（4）接触的N′缓冲层（7）或P型阳极发射区（5）、以及与N′缓冲层（7）或P型阳极发射区（5）接触的P⁺阳极发射区（6）；所述P⁺阳极发射区（6）与阳极金属层（9）接触；

所述P基区（3）具有凸出结构，所述N^-基区（4）具有凹陷结构，所述凸出结构嵌入凹陷结构内。

2.根据权利要求1所述的门极换流晶闸管芯片，其特征在于，所述N⁺发射区（1）部分嵌入P⁺短基区（2）内，嵌入深度为0-30μm。

3.根据权利要求1所述的门极换流晶闸管芯片，其特征在于，所述N⁺发射区（1）的掺杂浓度为1E16cm^-3-1E22cm^-3，扩散深度为5μm-40μm。

4.根据权利要求1所述的门极换流晶闸管芯片，其特征在于，所述P⁺短基区（2）的掺杂浓度为1E15cm^-3-5E18cm^-3，扩散深度约20μm-80μm。

5.根据权利要求1所述的门极换流晶闸管芯片，其特征在于，所述P基区（3）的掺杂浓度为1E13cm^-3-2E16cm^-3，其扩散深度为60μm-200μm。

6.根据权利要求1所述的门极换流晶闸管芯片，其特征在于，P型阳极发射区（5）的掺杂浓度为1E13cm^-3-2E16cm^-3，扩散深度为60μm-200μm。

7.根据权利要求1所述的门极换流晶闸管芯片，其特征在于，N′缓冲层（7）的掺杂浓度为1E12cm^-3-1E17cm^-3，扩散深度通常为10μm-100μm。

8.根据权利要求1所述的门极换流晶闸管芯片，其特征在于，所述P⁺阳极发射区（6）的掺杂浓度为1E15cm^-3-5E18cm^-3，扩散深度为0.5μm-80μm。

9.一种晶闸管，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的门极换流晶闸管芯片。

10.根据权利要求9所述的晶闸管，其特征在于，包括所述门极换流晶闸管芯片和快恢复二极管芯片，所述门极换流晶闸管芯片与快恢复二极管芯片通过NPN隔离结构反并联形成晶闸管。