10 kVSiC GTO器件特性研究*

程 琳，罗佳敏，龚存昊，张有润，唐 毅，门富媛，都小利

（1.国网安徽省电力有限公司培训中心，合肥 230022；2.电子科技大学电子科学与工程学院，成都 611731）

1 引言

门极可关断晶闸管（Gate Turn-Off Thyristor，GTO）具有双向载流子注入和电导调制效应，能在高阻断电压下具有大电流处理能力。SiC GTO非常适合应用在极高峰值电流下以快速电流变化率（di/dt）开关的场合，目前已经能够实现上万次可靠运行，与压控型功率开关器件相比，SiC GTO没有栅氧，可以在恶劣的高温条件下使用[1-4]。超高压SiC GTO功率开关器件（大于10 kV）应用在高压柔性和直流输电、电机驱动和电力牵引等民用领域，对于提升电力输送、推动和牵引等系统性能是非常重要的，是推动电力电子技术革新的关键技术之一[5]。此外，在高功率脉冲开关、电磁炮等未来的先进军事装备上，SiC GTO也具有重要的应用价值，能满足下一代装备对大功率开关器件在功率密度、工作效率和装置体积等方面提出的更高要求[6]。因此，发展超高压SiC GTO器件对推动电力电子技术发展至关重要，具有重要的社会和经济效益。

1997年，首个4H-SiC GTO器件被报道，但是由于没有结终端设计，其阻断电压仅为700 V[7]。此后得益于4H-SiC单晶衬底的制备和制造工艺的日益成熟，SiC GTO器件得到了快速发展。2015年Cree公司研制并报道了芯片面积为2 cm2的SiC GTO，正向阻断电压达到22.1 kV，100 A/cm2电流密度下的导通压降为6.5 V，导通电阻为7.7 mΩ·cm2[8]。2016年SCHROCK等对SiC GTO器件进行了重复性脉冲放电特性测试失效分析，15 kV/52 A@100 A/cm2的SiC GTO器件经过了上万次脉冲放电测试，承受的脉冲峰值电流为3.85 kA/cm2，脉冲宽度为100μs，脉冲频率为0.5 Hz[9]。2017年Cree公司在其研制的15 kV SiC GTO器件中，以1450℃进行高温热氧化，将140μm厚的P型外延层中的载流子寿命均值从0.9μs提升至6.25μs[10]。2019年中国工程物理研究院ZHOU等仿真发现SiC GTO器件比PiN器件对于外延材料的载流子寿命具有更高的敏感性，能够承受的脉冲放电功率可达到PiN器件的10倍，他们制造并报道了阻断电压为7500 V、器件面积为0.49 cm2、平均载流子寿命为0.25μs的SiC GTO器件，并实现了其在脉冲功率中的应用[11]。

面对大功率开关器件在超高压直流输电和脉冲功率技术等领域中的迫切需求，国内对于超高压4H-SiC GTO器件还有很大的探索空间。本文提出了一种SiC GTO结构，并研究了该器件的正向导通特性、正向阻断特性、动态开关特性和脉冲放电特性等器件特性。

2 SiC GTO器件结构

2.1 SiC GTO器件基本结构

GTO器件是PNPN四层结构的双极型功率开关器件，具有阳极、阴极和门极三个端口，通过施加门极触发脉冲就能使整个器件迅速开通或关断。

根据漂移区的掺杂类型不同，GTO器件可分为P型和N型两种。Si GTO器件常为N型，即在P型高阻衬底上形成自上而下的NPNP结构，阳极在下，阴极在上，N型Si GTO器件如图1（a）所示。而SiC GTO器件多为P型，在N型厚衬底上形成自上而下的PNPN结构，阳极在上，阴极在下，SiC GTO器件如图1（b）所示。

图1 器件元胞示意图

2.2 10 kV 4H-SiC GTO器件结构

器件元胞结构如图2所示，P+阳极区、N-短基区、P-长基区和N+衬底区形成PNPN四层三结结构，此外还有两层厚度很薄的缓冲区。综合考虑正向阻断特性、正向导通特性以及脉冲开启延迟时间等，借助Silvaco TCAD仿真，根据原理优化器件元胞参数，优化过程如下。

图2 4H-SiC GTO器件的元胞结构示意图

P-长基区的突出特点是厚度大且掺杂浓度低，是SiC GTO器件中的主要耐压区域，在满足阻断电压条件下调整掺杂浓度降低正向导通压降，确定了P-长基区厚度为90μm，掺杂浓度为2×1014cm-3。N-短基区的突出特点是薄，是SiC GTO器件正向导通特性的重要影响因素，N-区的参数设计需要在正向导通特性和正向阻断特性之间折中考虑，在保证阻断电压的条件下调整掺杂浓度，确定N-短基区厚度为1.5μm，掺杂浓度为2×1017cm-3。P+阳极区的突出特点是掺杂浓度高，是器件正向导通特性的重要决定因素，同时P+阳极区与N-短基区形成了P+N-结正偏，P+阳极区的参数对器件正向阻断特性没有影响。仿真分析正向导通压降与P+阳极区厚度和掺杂浓度的关系，选取P+阳极区厚度为2.5μm，掺杂浓度为4×1019cm-3，P型缓冲层的掺杂浓度较高，高于漂移区2～3个数量级，其参数设计需要考虑器件的正向阻断特性和正向导通特性，在保证器件正向耐压条件下需尽可能减少因降低下层等效NPN BJT发射极注入效率而对正向导通能力的削弱。仿真分析不同掺杂浓度下正向阻断电压和导通压降，选取厚度为2.0μm，掺杂浓度为2×1017cm-3，N型缓冲层的突出特点是掺杂略低于N+衬底层，并紧邻衬底，如不做特殊要求，N型缓冲层的参数一般由生产厂家工艺条件决定，选取N型缓冲层的厚度为1.0μm，掺杂浓度为1×1018cm-3。

3 SiC GTO器件静态特性研究

3.1 正向阻断特性

首先分析元胞的正向阻断能力。将器件的门极和阳极接零电位，阴极加负电位扫描。随着阴极电压不断增加，阴极电流随之增加，设置当阴极电流即漏电流达到-1×10-9A时仿真停止，得到图3所示的正向阻断特性曲线。室温下，当阴极电流为-0.1 nA时，元胞正向阻断电压为14.78 kV。根据图3中插图显示的电流密度分布图可知，此时器件的漏电流主要来源于门极下方，证明器件在此处发生雪崩击穿。

图3 正向阻断特性曲线（温度300 K），插图为元胞在14.78 kV时的电流密度分布图

图4为器件击穿时在x=5μm处沿y轴方向的电场强度分布曲线。电场强度在低掺杂的厚P-长基区中缓慢下降，呈梯形分布。在反偏的J2结处，电场强度达到峰值1.85 MV/cm。在J1和J3结处，结正偏，因而电场强度很低，分布曲线如图4所示。

图4 器件在临近击穿时的纵向电场强度分布曲线

3.2 正向导通特性

将阳极接零电位，门极加负电位形成触发电流，阴极加负电位扫描。仿真得到如图5所示的正向导通特性曲线。室温下，当正向导通电流密度为1000 A/cm2时，器件的正向导通压降为4.605 V。此时器件中的电流流向如图5插图所示，可以得出，器件导通后主要电流流向为阳极到阴极。

图5 正向导通特性曲线（温度300 K），插图是正向电压为6 V时器件内部的电流流向

当阴极电压为6 V时，在x=5μm处空穴浓度和电子浓度沿着y轴方向的分布曲线如图6所示。在低掺杂的P-长基区中，空穴浓度等于电子浓度，且曲线呈悬链状，载流子浓度达到了约1017量级，高于该区域的掺杂浓度（2×1014cm-3）约3个量级，这说明此SiC GTO器件在P-长基区中发生了载流子大注入，形成了电导调制效应。

图6 器件正向电压为6 V时，空穴和电子浓度随纵向位置的分布曲线

4 SiC GTO器件动态特性研究

4.1 双脉冲开关特性

采用Silvaco仿真工具中的混仿模块，搭建如图7所示的双脉冲开关仿真电路，用于研究器件的开启特性和关断特性。

图7 双脉冲开关电路

在该电路中，SiC GTO器件的阳极接地，阴极接负电位。因此电压源Vcc为负压源，设置其值为-3000 V，设置负载电感L为3 mH，其两端反向并联一个理想二极管。所谓双脉冲，指的是门极施加两个驱动脉冲两次触发器件导通，通过控制门极电压Vg的正负来控制GTO器件的开启与关断。本文设置Vg为-4 V时触发器件导通，Vg为40 V时器件关断，门极电阻Rg为5Ω，器件面积为0.1 cm2。图8为SiC GTO器件在该电路下得到的阴极电流和阴极电压随时间的变化曲线。

图8 在双脉冲开关电路下，阴极电流和阴极电压随时间的变化曲线（温度300 K）

首先根据施加第二个门极电压脉冲的阶段分析SiC GTO器件的开启特性，即仿真时间为18～19μs。SiC GTO器件阴极电压和阴极电流随时间的变化关系如图9所示。电流升高，电压降低，GTO器件从正向阻断状态转换为正向导通状态。

根据图9可知，器件开通时间为55 ns，其中延迟时间tD约为25 ns，上升时间tR约为5 ns，传播时间tspread约为25 ns。计算得di/dt约为800 A/μs，电压变化率（dV/dt）约为120 kV/μs。

图9 器件开通过程中阴极电流和阴极电压随时间的变化关系

再根据施加第二个门极电压脉冲的阶段分析SiC GTO器件的关断特性，即仿真时间为19～40μs。SiC GTO器件阴极电压和阴极电流随时间的变化关系如图10所示。电流降低，电压升高，GTO器件从正向导通状态转换为正向阻断状态。

图10 器件关断过程中阴极电流和阴极电压随时间的变化关系

根据图10可知，器件的关断存储时间tstore为8.6μs，下降时间tF为1.1μs，拖尾时间tT为3.6μs，整个关断时间为13.3μs。dV/dt为0.35 kV/μs，di/dt为6.8 A/μs。dV/dt过大会在结电容上产生漏电流，容易引起误导通。

4.2 脉冲放电特性

采用电容储能型脉冲放电电路研究器件的脉冲放电特性，电路结构如图11所示。设置电源电压Vcc为-1000 V，电容C为2.5μF，寄生电感L为20 nH，电阻R为0.05Ω。SiC GTO器件面积为0.1125 cm2，门极电阻Rg为5Ω。初始时刻施加门极电压为20 V来使器件保持关断。t=0.4μs时，施加门极电压-2 V触发器件开启。图12为SiC GTO器件在该脉冲放电回路下的阴极电流、阴极电压以及功耗随时间的变化关系。

图11 电容储能型脉冲放电电路

图12 脉冲放电过程中GTO器件阴极电流、阴极电压和功耗随时间的变化关系曲线

在该脉冲放电回路下的脉冲持续时间约为0.8μs，SiC GTO器件开启延迟时间约为110 ns。脉冲峰值电流Ipeak为7035 A，峰值电流密度达到62.5 kA/cm2，峰值导通压降Von，max达到78 V。器件功耗随时间的变化趋势也近似呈脉冲状，其最大值达到524 kW。计算得出，器件的di/dt为40 kA/μs。

5 结论

本文介绍了SiC GTO器件的基本结构和所设计的GTO器件元胞参数，借助搭建好的物理模型，仿真研究了所设计10 kV SiC GTO器件的电学特性。研究了SiC GTO器件的正向阻断特性、正向导通特性。同时借助Silvaco中的混仿模块，搭建了双脉冲开关电路和脉冲放电电路，研究器件的开启特性、关断特性和脉冲放电特性。

仿真得到SiC GTO元胞的正向阻断电压为14.78 kV，在1000 A/cm2下的正向导通压降为4.605 V。在初始阻断电压3000 V的条件下，器件的开通时间为55 ns，di/dt为800 A/μs，dV/dt为120 kV/μs；初始关断电流为4.6 A的条件下，器件的关断时间为13.3μs，di/dt为6.8 A/μs，dV/dt为0.35 kV/μs。在持续时间为0.8μs、峰值为7035 A的脉冲电流下，器件的开启延迟时间为110 ns，峰值导通压降为75 V，di/dt为40 kA/μs。