CN100589252C - 双极结型晶体管 - Google Patents

Abstract

双极结型晶体管，涉及半导体功率器件技术领域。本发明包括衬底、集电区、发射区、基区、发射极电极、基极电极和集电极电极，其特征在于，在基区内部设置有浮空埋层，所述浮空埋层材料与基区材料相异。本发明的有益效果是，同时具有良好的直流特性和击穿特性，即具有高电流增益的同时还具有较高的击穿电压，能广泛应用于大功率变换器(如DC-DC变换器及逆变器)领域。

Description

双极结型晶体管

技术领域

本发明涉及半导体功率器件技术领域，更具体的说，涉及到大功率双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)。

背景技术

近年来，随着微电子技术的迅猛发展，以及汽车电子、航空航天、工业控制、电力运输等相关领域的迫切需求，发展新型大功率半导体器件越来越多的受到人们关注。其中，在功率器件中引入宽禁带半导体材料成为一个重要的发展方向。宽禁带半导体材料SiC材料与Si、GaAs等材料相比，具有高的禁带宽度、高的饱和电子漂移速度、高的临界击穿电场以及高的热导率，使其成为在高频、高温和大功率应用场合下极为理想的半导体材料。目前，SiC-MOSFETs、SiC-JFET、SiC-IGBT和SiC-BJT都已经成为宽禁带半导体器件研究的热门。

基于SiC半导体材料的MOSFETs，由于受到表面态的严重影响，器件的沟道迁移率很低，而且栅介质层的稳定性不高，在高温和低温情况下都会严重影响器件性能。对于SiC-JFET而言，为了提高击穿电压和降低导通电阻，通常设计成常关型器件，其栅驱动电路复杂，需要和Si的MOSFET配合使用来控制栅的关断，由于Si的工作温度有限，决定在高温情况下其工作受到限制。对于SiC-IGBT，存在与MOSFETs相同的低沟道迁移率问题，且其结构中的p型衬底对于SiC材料而言，电阻率高，制备难度大。而对于SiC-BJT，因为是双极性器件，具有强大的电流控制能力而且具有高的击穿电压，能够很好的体现出SiC半导体材料在功率半导体领域应用上的优势。

为了提高SiC-BJT的共发射极电流增益，学者们进行了大量的分析研究。2001年，文献Sei-Hyung Ryu，Anant K.Agarwal，RanbirSingh，and JohnW.Palmour，1800 V NPN Bipolar Junction Transistors in4H-SiC，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，MARCH 2001，22(3)：124-126.报道了一种耐高压的4H-SiC NPN BJT实例，其击穿电压高达1800V，最大共发射极电流增益为20。2003年，文献YanbinLuo，Jianhui Zhang，IEEE，Petre Alexandrov，Leonid Fursin，Jian H.Zhao，Senior and Terry Burke High Voltage(＞1kV)and High CurrentGain(32)4H-SiC Power BJTs Using A1-Free Ohmic Contact to theBase.IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，NOVEMBER2003，24(11)：695-697.提出了一种使用新金属材料作基极接触的方法，改善了BJT器件的直流特性，在共发射极电流增益为32的情况下，器件击穿电压大于1000V。2004年，文献.Zhang，J.H.Zhao，P.Alexandrov，T.Burke，Demonstration of first 9.2kV 4H-SiC bipolarjunction transistor，IEEE，Electronics Letters，2004，40(21)：1381-1382.报道了高击穿电压的SiC BJT实例，其击穿电压达到9.2KV，共发射极电流增益小于10。2005年以后，关于4H-SiC NPN BJT的报道越来越多，而且越来越全面，涌现出了很多新的器件实例和相关的优化讨论。2008年，文献Qingchun(Jon)Zhang a，Anant Agarwal a，Al Burka，Bruce Geil b，Charles Scozzie，4H-SiC BJTs with current gain of110，Solid-State Electronics，2008，52(7)：1008-1010.报道了高电流增益的4H-SiC NPN BJT结构，其共发射极电流增益达到110，击穿电压小于400V；文献Jianhui Zhang，Xueqing Li，Petre Alexandrov，TerryBurke，Member and Jian H.Zhao，Implantation-Free 4H-SiC BipolarJunction Transistors With Double Base Epilayers，IEEE ELECTRONDEVICE LETTERS，MAY 2008，29(5)：471-473.报道了一种基区两次外延的BJT结构，如图2所示，该结构通过外延第二层高掺杂基区来替代传统的基极接触区，避免了因基极接触区的离子注入而带来的表面缺陷。同时，由于基区两次外延的掺杂浓度不同，提高了其电流增益。该器件的共发射极电流增益达到了31，击穿电压达到1300V。

从文献报导可以看出，对于的SiC-BJT功率器件而言，共发射极电流增益(β)的提高和击穿电压(BV_CEO)的提高是相互矛盾的。提高电流增益同时会带来击穿电压的严重变小。这是因为电流增益与击穿电压存在如下的关系：

对于设计已经确定了基区和集电区厚度和浓度的情况下，BV_CBO是确定值，并且n的取值通常是3～4。目前，SiC-BJT器件是通过对基区的外延层厚度控制来实现电流增益(β)与击穿电压(BV_CEO)的折中设计。还没有公开报导的BJT新器件结构能够大幅度提高电流增益的同时，还具有较高的击穿电压。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种双极结型晶体管，在提高BJT器件的共发射极电流增益的同时，还具有较高的击穿电压。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，双极结型晶体管，包括衬底、集电区、发射区、基区、发射极电极、基极电极和集电极电极，在基区内部设置有浮空埋层，所述浮空埋层材料与基区材料相异。

进一步的说，基区内部设置有一个浮空埋层，基区材料为P型材料，浮空埋层为N型材料。所述浮空埋层处于发射区下方。浮空埋层在水平方向上表现为对称结构。本发明的半导体材料为碳化硅、硅、砷化镓或者氮化镓。浮空埋层的厚度为0.3微米，宽度为10微米。浮空埋层浓度为5×10¹⁷/cm³。

本发明的有益效果是，同时具有良好的直流特性和击穿特性，即具有高电流增益的同时还具有较高的击穿电压，能广泛应用于大功率变换器(如DC-DC变换器及逆变器)领域。通过在晶体管的基区增加浮空埋层，在基区引入新的P-N结，从而在基区内部引入新的内建电场，在新的内建电场的作用下，基区对载流子的输运能力得到明显增强。同时基区浮空埋层对基区-集电区刻蚀处终端电场产生调制作用，从而在不影响击穿电压的情况下提高了器件的共发射极电流增益。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是外延型BJT器件的常规结构示意图。

其中11为发射区电极，12A为基区电极，12B为基区电极，13为集电区电极，21为发射区，22为基区，23为集电区，31为发射区电极下的高掺杂欧姆接触区，32A为基区电极下的高掺杂欧姆接触区，32B为基区电极下的高掺杂欧姆接触区，33为衬底。

图2是基区两次外延的BJT结构示意图。

其中22A为第一次基区外延，22B为第二次较高掺杂浓度的基区外延。

图3是本发明基区浮空埋层结构的双极结型晶体管的结构示意图。其中24为基区中的浮空埋层。

图4是本发明基区浮空埋层结构的双极结型晶体管与常规外延型双极结型晶体管的I-V特性曲线和击穿特性曲线的对比。其中左侧曲线为I-V特性对比，右侧曲线为击穿特性对比。横坐标为集电极电压单位为伏特(V)，左侧纵坐标为集电极电流，对应I-V特性曲线单位为安培(A)，右侧纵坐标为集电极电流密度，对应击穿特性曲线，单位为安培每平方微米(A/μm²)。

图4中符号○为基区浮空埋层结构的双极结型晶体管I-V特性曲线，符号▲为常规外延型双极结型晶体管的I-V特性曲线。符号□为基区浮空埋层结构的双极结型晶体管击穿特性曲线，符号☆为常规外延型双极结型晶体管的击穿特性曲线。

具体实施方式

本发明提出了一种基区浮空埋层结构BJT器件。通过基区增加浮空埋层引入新的P-N结，从而在基区内部产生内建电场。在内建电场的作用下，基区对少数载流子的输运能力得到明显增强，基区中复合电流减小，集电极电流提高。同时基区浮空埋层对基区-集电区刻蚀处终端电场产生调制作用，从而在不影响器件击穿电压的情况下大幅度提高器件的共发射极电流增益。

影响SiC BJT共发射极电流增益的因素可分为三个方面：1)发射结空间电荷区的复合效应2)发射区电流的集中效应3)由于载流子散射而引起的迁移率下降。由下式给出：

${\mathrm{\β}}^{-1}={\mathrm{\β}}_{\mathrm{rB}}^{-1}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rSCR}}^{-1}+{\mathrm{\β}}_E^{-1}$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{rB}}^{-1}=\frac{1}{2}{\left[\frac{W_B}{L_{\mathrm{nB}}}\right]}^2=\frac{{\mathrm{\τ}}_b}{{\mathrm{\τ}}_n}=\frac{W_B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{nB}}\left|E\right|\·{\mathrm{\τ}}_n}$ ${\mathrm{\β}}_{\mathrm{rSCR}}^{-1}=\frac{N_{\mathrm{AB}}{W}_B{W}_{\mathrm{BE}}}{2D_{\mathrm{nB}}{\mathrm{\τ}}_a{n}_i{e}^{q{V}_{\mathrm{BE}}/2\mathrm{kT}}}$ ${\mathrm{\β}}_E^{-1}=1-\mathrm{\γ}=\frac{D_{\mathrm{pE}}}{D_{\mathrm{nB}}}\frac{W_B}{L_{\mathrm{pE}}}\frac{N_{\mathrm{AB}}}{N_{\mathrm{DE}}}$

式中β为共发射极电流增益，β_rB ^-1表示增益受基区载流子复合的系数，β_rSCR ^-1表示增益受空间电荷区复合的系数，β_E ^-1表示受发射极注入效率影响的系数。通过在基区引入新的P-N结，在基区内部形成了新的内建电场，该电场对少数载流子具有明显的加速作用，这使得少子的基区渡越时间明显下降，即τ_b减小，从而使系数β_rB ^-1下降，同时，新引入的电场使得埋层上方的发射结空间电荷区变窄，即W_BE减小，使得系数β_rSCR ^-1下降。这一系列的影响最终使得增益β明显提高。同时基区浮空埋层对基区-集电区刻蚀处终端电场产生调制作用，从而在提高了器件的共发射极电流增益的同时不影响器件的击穿电压。

图4左侧曲线是通过二维数值仿真得到的I-V直流特性曲线。I-V特性曲线中基区浮空埋层结构BJT和传统结构BJT其基极电流(I_B)分别为200mA、400mA、600mA、800mA。从曲线中可以看出，基区浮空埋层结构BJT相比较传统结构BJT，其集电极电流(I_C)增加了100％(集电极最大电流从30A增加到60A)。根据共发射极直流电流增益(β)表达式：

可以得出共发射极直流电流增益提高了100％(最大电流增益从37.5提高到75，对应的基极电流为800mA)。图4右侧曲线也是通过二维数值仿真得到的击穿电压特性曲线。从曲线中可以看出，虽然基区浮空埋层结构电流增益提高了100％，但是和传统结构BJT相比，其击穿电压都维持在1000V附近，并没有出现如文献中所示的共发射极电流增益提高，击穿电压大幅度减小的问题。

本发明的双极结型晶体管，包括衬底、集电区、发射区、基区、发射极电极、基极电极和集电极电极，在基区内部设置有一个浮空埋层，所述浮空埋层材料与基区材料相异。前述“相异”的意思是，如果基区是N型材料，则浮空埋层是P型材料；反之，如果基区是P型材料，则浮空埋层是N型材料。

进一步的说，基区材料为P型材料，浮空埋层为N型材料。所述浮空埋层处于发射区下方。浮空埋层在水平方向上表现为对称结构，即图中的左右对称。本发明采用的半导体材料为碳化硅、硅、砷化镓或者氮化镓。

作为一个实施例，本发明基区浮空埋层结构的双极结型晶体管，如图3所示，在常规外延型BJT的基础上，增加了基区浮空埋层24，其具体方式如下：以NPN晶体管为例，首先在N衬底上外延低掺杂的N型外延，形成集电区23；在集电区上外延一层P型材料，作为基区第一次外延；在P型外延上形成一个N型区域，从而构成基区浮空埋层24，浮空埋层的厚度为0.3微米，宽度为10微米，即图中矩形的高度和宽度。浮空埋层材料浓度为5×10¹⁷/cm³。该浮空埋层可以通过外延或离子注入方式获得。完成浮空埋层后，再次进行P外延形成完整的基区，并通过离子注入完成基区电极的欧姆接触区32A(B)，从而形成带浮空埋层的基区22；在基区上方进行N外延，形成发射区21，发射区上方外延一层N⁺，以获得较好的欧姆接触31。最后淀积金属形成电极。

Claims (7)

1、双极结型晶体管，包括衬底(33)、集电区(23)、发射区(21)、基区(22)、发射极电极(11)、基极电极(12A、12B)和集电极电极(13)，其特征在于，在基区(22)内部设置有浮空埋层(24)，所述浮空埋层(24)材料与基区(22)材料相异；所述相异的含义为：如果基区是N型材料，则浮空埋层是P型材料；反之，如果基区是P型材料，则浮空埋层是N型材料。

2、如权利要求1所述的双极结型晶体管，其特征在于，基区(22)材料为P型材料，浮空埋层(24)为N型材料。

3、如权利要求1所述的双极结型晶体管，其特征在于，所述浮空埋层(24)处于发射区(21)下方。

4、如权利要求1所述的双极结型晶体管，其特征在于，浮空埋层(24)在水平方向上表现为对称结构。

5、如权利要求1所述的双极结型晶体管，其特征在于，浮空埋层(24)的厚度为0.3微米，宽度为10微米。

6、如权利要求1所述的双极结型晶体管，其特征在于，浮空埋层(24)的浓度为5×10¹⁷/cm³。

7、如权利要求1所述的双极结型晶体管，其特征在于，采用的半导体材料为碳化硅、硅、砷化镓或者氮化镓。

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