程 琳，羅佳敏，龔存昊，張有潤，唐 毅，門富媛，都小利

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心，合肥 230022；2.電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731）

1 引言

門極可關(guān)斷晶閘管（Gate Turn-Off Thyristor，GTO）具有雙向載流子注入和電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，能在高阻斷電壓下具有大電流處理能力。SiC GTO非常適合應(yīng)用在極高峰值電流下以快速電流變化率（di/dt）開關(guān)的場合，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)上萬次可靠運(yùn)行，與壓控型功率開關(guān)器件相比，SiC GTO沒有柵氧，可以在惡劣的高溫條件下使用[1-4]。超高壓SiC GTO功率開關(guān)器件（大于10 kV）應(yīng)用在高壓柔性和直流輸電、電機(jī)驅(qū)動和電力牽引等民用領(lǐng)域，對于提升電力輸送、推動和牽引等系統(tǒng)性能是非常重要的，是推動電力電子技術(shù)革新的關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。此外，在高功率脈沖開關(guān)、電磁炮等未來的先進(jìn)軍事裝備上，SiC GTO也具有重要的應(yīng)用價值，能滿足下一代裝備對大功率開關(guān)器件在功率密度、工作效率和裝置體積等方面提出的更高要求[6]。因此，發(fā)展超高壓SiC GTO器件對推動電力電子技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要，具有重要的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

1997年，首個4H-SiC GTO器件被報道，但是由于沒有結(jié)終端設(shè)計(jì)，其阻斷電壓僅為700 V[7]。此后得益于4H-SiC單晶襯底的制備和制造工藝的日益成熟，SiC GTO器件得到了快速發(fā)展。2015年Cree公司研制并報道了芯片面積為2 cm2的SiC GTO，正向阻斷電壓達(dá)到22.1 kV，100 A/cm2電流密度下的導(dǎo)通壓降為6.5 V，導(dǎo)通電阻為7.7 mΩ·cm2[8]。2016年SCHROCK等對SiC GTO器件進(jìn)行了重復(fù)性脈沖放電特性測試失效分析，15 kV/52 A@100 A/cm2的SiC GTO器件經(jīng)過了上萬次脈沖放電測試，承受的脈沖峰值電流為3.85 kA/cm2，脈沖寬度為100μs，脈沖頻率為0.5 Hz[9]。2017年Cree公司在其研制的15 kV SiC GTO器件中，以1450℃進(jìn)行高溫?zé)嵫趸瑢?40μm厚的P型外延層中的載流子壽命均值從0.9μs提升至6.25μs[10]。2019年中國工程物理研究院ZHOU等仿真發(fā)現(xiàn)SiC GTO器件比PiN器件對于外延材料的載流子壽命具有更高的敏感性，能夠承受的脈沖放電功率可達(dá)到PiN器件的10倍，他們制造并報道了阻斷電壓為7500 V、器件面積為0.49 cm2、平均載流子壽命為0.25μs的SiC GTO器件，并實(shí)現(xiàn)了其在脈沖功率中的應(yīng)用[11]。

面對大功率開關(guān)器件在超高壓直流輸電和脈沖功率技術(shù)等領(lǐng)域中的迫切需求，國內(nèi)對于超高壓4H-SiC GTO器件還有很大的探索空間。本文提出了一種SiC GTO結(jié)構(gòu)，并研究了該器件的正向?qū)ㄌ匦?、正向阻斷特性、動態(tài)開關(guān)特性和脈沖放電特性等器件特性。

2 SiC GTO器件結(jié)構(gòu)

2.1 SiC GTO器件基本結(jié)構(gòu)

GTO器件是PNPN四層結(jié)構(gòu)的雙極型功率開關(guān)器件，具有陽極、陰極和門極三個端口，通過施加門極觸發(fā)脈沖就能使整個器件迅速開通或關(guān)斷。

根據(jù)漂移區(qū)的摻雜類型不同，GTO器件可分為P型和N型兩種。Si GTO器件常為N型，即在P型高阻襯底上形成自上而下的NPNP結(jié)構(gòu)，陽極在下，陰極在上，N型Si GTO器件如圖1（a）所示。而SiC GTO器件多為P型，在N型厚襯底上形成自上而下的PNPN結(jié)構(gòu)，陽極在上，陰極在下，SiC GTO器件如圖1（b）所示。

圖1 器件元胞示意圖

2.2 10 kV 4H-SiC GTO器件結(jié)構(gòu)

器件元胞結(jié)構(gòu)如圖2所示，P+陽極區(qū)、N-短基區(qū)、P-長基區(qū)和N+襯底區(qū)形成PNPN四層三結(jié)結(jié)構(gòu)，此外還有兩層厚度很薄的緩沖區(qū)。綜合考慮正向阻斷特性、正向?qū)ㄌ匦砸约懊}沖開啟延遲時間等，借助Silvaco TCAD仿真，根據(jù)原理優(yōu)化器件元胞參數(shù)，優(yōu)化過程如下。

圖2 4H-SiC GTO器件的元胞結(jié)構(gòu)示意圖

P-長基區(qū)的突出特點(diǎn)是厚度大且摻雜濃度低，是SiC GTO器件中的主要耐壓區(qū)域，在滿足阻斷電壓條件下調(diào)整摻雜濃度降低正向?qū)▔航?，確定了P-長基區(qū)厚度為90μm，摻雜濃度為2×1014cm-3。N-短基區(qū)的突出特點(diǎn)是薄，是SiC GTO器件正向?qū)ㄌ匦缘闹匾绊懸蛩?，N-區(qū)的參數(shù)設(shè)計(jì)需要在正向?qū)ㄌ匦院驼蜃钄嗵匦灾g折中考慮，在保證阻斷電壓的條件下調(diào)整摻雜濃度，確定N-短基區(qū)厚度為1.5μm，摻雜濃度為2×1017cm-3。P+陽極區(qū)的突出特點(diǎn)是摻雜濃度高，是器件正向?qū)ㄌ匦缘闹匾獩Q定因素，同時P+陽極區(qū)與N-短基區(qū)形成了P+N-結(jié)正偏，P+陽極區(qū)的參數(shù)對器件正向阻斷特性沒有影響。仿真分析正向?qū)▔航蹬cP+陽極區(qū)厚度和摻雜濃度的關(guān)系，選取P+陽極區(qū)厚度為2.5μm，摻雜濃度為4×1019cm-3，P型緩沖層的摻雜濃度較高，高于漂移區(qū)2～3個數(shù)量級，其參數(shù)設(shè)計(jì)需要考慮器件的正向阻斷特性和正向?qū)ㄌ匦?，在保證器件正向耐壓條件下需盡可能減少因降低下層等效NPN BJT發(fā)射極注入效率而對正向?qū)芰Φ南魅酢７抡娣治霾煌瑩诫s濃度下正向阻斷電壓和導(dǎo)通壓降，選取厚度為2.0μm，摻雜濃度為2×1017cm-3，N型緩沖層的突出特點(diǎn)是摻雜略低于N+襯底層，并緊鄰襯底，如不做特殊要求，N型緩沖層的參數(shù)一般由生產(chǎn)廠家工藝條件決定，選取N型緩沖層的厚度為1.0μm，摻雜濃度為1×1018cm-3。

3 SiC GTO器件靜態(tài)特性研究

3.1 正向阻斷特性

首先分析元胞的正向阻斷能力。將器件的門極和陽極接零電位，陰極加負(fù)電位掃描。隨著陰極電壓不斷增加，陰極電流隨之增加，設(shè)置當(dāng)陰極電流即漏電流達(dá)到-1×10-9A時仿真停止，得到圖3所示的正向阻斷特性曲線。室溫下，當(dāng)陰極電流為-0.1 nA時，元胞正向阻斷電壓為14.78 kV。根據(jù)圖3中插圖顯示的電流密度分布圖可知，此時器件的漏電流主要來源于門極下方，證明器件在此處發(fā)生雪崩擊穿。

圖3 正向阻斷特性曲線（溫度300 K），插圖為元胞在14.78 kV時的電流密度分布圖

圖4為器件擊穿時在x=5μm處沿y軸方向的電場強(qiáng)度分布曲線。電場強(qiáng)度在低摻雜的厚P-長基區(qū)中緩慢下降，呈梯形分布。在反偏的J2結(jié)處，電場強(qiáng)度達(dá)到峰值1.85 MV/cm。在J1和J3結(jié)處，結(jié)正偏，因而電場強(qiáng)度很低，分布曲線如圖4所示。

圖4 器件在臨近擊穿時的縱向電場強(qiáng)度分布曲線

3.2 正向?qū)ㄌ匦?/h3>

將陽極接零電位，門極加負(fù)電位形成觸發(fā)電流，陰極加負(fù)電位掃描。仿真得到如圖5所示的正向?qū)ㄌ匦郧€。室溫下，當(dāng)正向?qū)娏髅芏葹?000 A/cm2時，器件的正向?qū)▔航禐?.605 V。此時器件中的電流流向如圖5插圖所示，可以得出，器件導(dǎo)通后主要電流流向?yàn)殛枠O到陰極。

圖5 正向?qū)ㄌ匦郧€（溫度300 K），插圖是正向電壓為6 V時器件內(nèi)部的電流流向

當(dāng)陰極電壓為6 V時，在x=5μm處空穴濃度和電子濃度沿著y軸方向的分布曲線如圖6所示。在低摻雜的P-長基區(qū)中，空穴濃度等于電子濃度，且曲線呈懸鏈狀，載流子濃度達(dá)到了約1017量級，高于該區(qū)域的摻雜濃度（2×1014cm-3）約3個量級，這說明此SiC GTO器件在P-長基區(qū)中發(fā)生了載流子大注入，形成了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。

圖6 器件正向電壓為6 V時，空穴和電子濃度隨縱向位置的分布曲線

4 SiC GTO器件動態(tài)特性研究

4.1 雙脈沖開關(guān)特性

采用Silvaco仿真工具中的混仿模塊，搭建如圖7所示的雙脈沖開關(guān)仿真電路，用于研究器件的開啟特性和關(guān)斷特性。

圖7 雙脈沖開關(guān)電路

在該電路中，SiC GTO器件的陽極接地，陰極接負(fù)電位。因此電壓源Vcc為負(fù)壓源，設(shè)置其值為-3000 V，設(shè)置負(fù)載電感L為3 mH，其兩端反向并聯(lián)一個理想二極管。所謂雙脈沖，指的是門極施加兩個驅(qū)動脈沖兩次觸發(fā)器件導(dǎo)通，通過控制門極電壓Vg的正負(fù)來控制GTO器件的開啟與關(guān)斷。本文設(shè)置Vg為-4 V時觸發(fā)器件導(dǎo)通，Vg為40 V時器件關(guān)斷，門極電阻Rg為5Ω，器件面積為0.1 cm2。圖8為SiC GTO器件在該電路下得到的陰極電流和陰極電壓隨時間的變化曲線。

圖8 在雙脈沖開關(guān)電路下，陰極電流和陰極電壓隨時間的變化曲線（溫度300 K）

首先根據(jù)施加第二個門極電壓脈沖的階段分析SiC GTO器件的開啟特性，即仿真時間為18～19μs。SiC GTO器件陰極電壓和陰極電流隨時間的變化關(guān)系如圖9所示。電流升高，電壓降低，GTO器件從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換為正向?qū)顟B(tài)。

根據(jù)圖9可知，器件開通時間為55 ns，其中延遲時間tD約為25 ns，上升時間tR約為5 ns，傳播時間tspread約為25 ns。計(jì)算得di/dt約為800 A/μs，電壓變化率（dV/dt）約為120 kV/μs。

圖9 器件開通過程中陰極電流和陰極電壓隨時間的變化關(guān)系

再根據(jù)施加第二個門極電壓脈沖的階段分析SiC GTO器件的關(guān)斷特性，即仿真時間為19～40μs。SiC GTO器件陰極電壓和陰極電流隨時間的變化關(guān)系如圖10所示。電流降低，電壓升高，GTO器件從正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為正向阻斷狀態(tài)。

圖10 器件關(guān)斷過程中陰極電流和陰極電壓隨時間的變化關(guān)系

根據(jù)圖10可知，器件的關(guān)斷存儲時間tstore為8.6μs，下降時間tF為1.1μs，拖尾時間tT為3.6μs，整個關(guān)斷時間為13.3μs。dV/dt為0.35 kV/μs，di/dt為6.8 A/μs。dV/dt過大會在結(jié)電容上產(chǎn)生漏電流，容易引起誤導(dǎo)通。

4.2 脈沖放電特性

采用電容儲能型脈沖放電電路研究器件的脈沖放電特性，電路結(jié)構(gòu)如圖11所示。設(shè)置電源電壓Vcc為-1000 V，電容C為2.5μF，寄生電感L為20 nH，電阻R為0.05Ω。SiC GTO器件面積為0.1125 cm2，門極電阻Rg為5Ω。初始時刻施加門極電壓為20 V來使器件保持關(guān)斷。t=0.4μs時，施加門極電壓-2 V觸發(fā)器件開啟。圖12為SiC GTO器件在該脈沖放電回路下的陰極電流、陰極電壓以及功耗隨時間的變化關(guān)系。

圖11 電容儲能型脈沖放電電路

圖12 脈沖放電過程中GTO器件陰極電流、陰極電壓和功耗隨時間的變化關(guān)系曲線

在該脈沖放電回路下的脈沖持續(xù)時間約為0.8μs，SiC GTO器件開啟延遲時間約為110 ns。脈沖峰值電流Ipeak為7035 A，峰值電流密度達(dá)到62.5 kA/cm2，峰值導(dǎo)通壓降Von，max達(dá)到78 V。器件功耗隨時間的變化趨勢也近似呈脈沖狀，其最大值達(dá)到524 kW。計(jì)算得出，器件的di/dt為40 kA/μs。

5 結(jié)論

本文介紹了SiC GTO器件的基本結(jié)構(gòu)和所設(shè)計(jì)的GTO器件元胞參數(shù)，借助搭建好的物理模型，仿真研究了所設(shè)計(jì)10 kV SiC GTO器件的電學(xué)特性。研究了SiC GTO器件的正向阻斷特性、正向?qū)ㄌ匦?。同時借助Silvaco中的混仿模塊，搭建了雙脈沖開關(guān)電路和脈沖放電電路，研究器件的開啟特性、關(guān)斷特性和脈沖放電特性。

仿真得到SiC GTO元胞的正向阻斷電壓為14.78 kV，在1000 A/cm2下的正向?qū)▔航禐?.605 V。在初始阻斷電壓3000 V的條件下，器件的開通時間為55 ns，di/dt為800 A/μs，dV/dt為120 kV/μs；初始關(guān)斷電流為4.6 A的條件下，器件的關(guān)斷時間為13.3μs，di/dt為6.8 A/μs，dV/dt為0.35 kV/μs。在持續(xù)時間為0.8μs、峰值為7035 A的脈沖電流下，器件的開啟延遲時間為110 ns，峰值導(dǎo)通壓降為75 V，di/dt為40 kA/μs。