CN103460355A - 具有对电流值的较少依赖性的增益的半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是在不使用复杂电路的情况下放大在恒定增益下以若干量级的因子变化的电流。为了解决该问题，利用了一种半导体器件，其包括：具有第一导电类型的第一半导体区；第二半导体区，具有相反导电类型并与所述第一半导体区相接触；以及第三半导体区，具有所述第一导电类型并在所述第二表面处与所述第二半导体区相接触，与所述第二半导体区相接触的第四半导体区被提供以与所述第三半导体区分离并包围所述第三半导体区，并且所述第四半导体区的杂质浓度大于所述第二半导体区的杂质浓度。

Description

具有对电流值的较少依赖性的增益的半导体器件
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，并且具体涉及一种双极型晶体管，其电流增益具有对基极电流或集电极电流的较少依赖性。
背景技术
传统双极型晶体管因下述事实而是已知的：电流增益在非常低的电流电平中较小，在中电流电平中较大，并由于高电流电平中的高电平注入效应而再次较小。例如，在非专利文献1的第142-143页和图7中，下述内容被描述为典型示例：电流增益在100pA的集电极电流处为35，并根据集电极电流的增大而增大大约一个量级，从而在约100μA处达到最大增益400，并且然后针对更大集电极电流而减小。
另一方面，对于实现较小外部基极电阻和改进高频特性，以往已知有移植基极（graft base）晶体管结构。如非专利文献2的第106页中的图6.12(A)中所示，该结构是下述结构：其中，高浓度基极区（移植基极127）从发射极130的边缘表面横向延伸至发射极之下并被掩埋在其中。在这种情况下，当高浓度基极区与发射极分离时，从该区至发射极的中心之下的固有基极（intrinsic base）121的电阻变高，并且因此，这是不利的。图1示意了具有从非专利文献2的图6.12(A)提取的移植基极结构的晶体管的截面图。在图1中，高浓度基极区127从发射极130的边缘延伸0.35μm长度至发射极之下并被掩埋在其中。在图1中，附图标记110是集电极，附图标记121是固有基极，附图标记127是移植基极，并且附图标记130是发射极。这些附图标记也被写在图6.12(A)中。
未开发该移植基极晶体管以改进电流增益的电流依赖性。由于开发该移植基极晶体管以改进高频特性，因此操作范围主要覆盖大电流，并且较少重点被放在非常低的电流电平上。
因此，在其中移植基极晶体管的高浓度基极区的高浓度部分（杂质浓度>1E19原子/cc）具有与发射极的接触的结构增大了发射极与基极之间的泄漏电流。这可能导致该泄漏电流的值附近的非常低的电流电平中的电流增益减小。因此，增益变化针对其较小的集电极电流的范围不利地变窄。另外，基极与发射极之间的击穿电压变小，并且晶体管的应用电压范围变窄，这不是优选的。
引用列表
非专利文献
NPL1：
S.M.Sze,"Physics of Semiconductor Devices",second edition,John WilyandSon。
NPL2：
L.Treitinger,M.Miura-Mattausch,"Ultra-Fast Silicon Bipolar Technology",Springer-Verlag。
发明内容
技术问题
然而，为了在不使用复杂电路的情况下放大在恒定增益下以若干量级的因子变化的电流，需要双极型晶体管，其对电流增益的电流依赖性（输出电流（集电极电流或发射极电流）与输入电流（基极电流）之比：β或hfe）小若干量级。
本发明中的目的在于：
1）抑制在以上传统技术中出现的电流增益变化；
2）以及，防止基极与发射极之间的击穿电压减小。
解决问题的方案
在本发明中，采取下述措施以解决以上问题：其中，在基极的表面上提供高杂质浓度区，以与发射极分离并包围发射极。即，可以就器件结构而言如下描述这一点。
（1）
一种半导体器件，其特征在于，至少包括：
第一半导体区，具有第一表面、第一厚度和第一导电类型；
第二半导体区，具有第二表面、第二厚度和相反导电类型，并在所述第一表面的部分处与所述第一半导体区相接触；
第三半导体区，具有第三表面、第三厚度和所述第一导电类型，并在所述第二表面的部分处与所述第二半导体区相接触；以及
第四半导体区，具有第四表面、第四厚度，并在所述第二表面的部分处与所述第二半导体区相接触，；
所述第三半导体区的杂质浓度大于所述第二半导体区的与所述第三半导体区相接触的部分的杂质浓度，并且所述第四半导体区被提供以与所述第三半导体区分离并包围所述第三半导体区，并且所述第四半导体区的杂质浓度大于所述第二半导体区的杂质浓度。
由于该器件不仅被用作晶体管，而且被用作具有有利线性的放大传感器，因此该器件被称作“半导体器件”。
另外，表述“在表面（的部分）处具有与......的接触”包括“在”该表面“上（on）”提供器件的情况以及“在”该表面“中（in）”提供器件的情况（指代如稍后描述的图3）。此外，术语“相反导电类型（opposite conductivity）”意味着当第一导电类型是n型（关于载流子的电子）时的p型（关于载流子的空穴）和当第一导电类型是p型（关于载流子的空穴）时的n型（关于载流子的电子）。
在本发明中，由于其杂质浓度大于所述第二半导体区的杂质浓度的所述第四半导体区与所述第三半导体区分离，因此防止由于公知例的移植基极晶体管配置而引起的泄漏电流的增大和击穿电压的减小。需要其间的分离距离是所述第二半导体区与所述第三半导体区之间的击穿电压不相当大地减小的距离，诸如，对于3V击穿电压来说0.06微米。
已知在传统晶体管中“电流增益在非常低的电流电平中较小”的原因是所述第二半导体区中的体复合中心处的少数载流子的体复合和在所述第二半导体区的第二表面上的表面复合中心处导致的表面复合。
由于当在所述第一半导体区与所述第三半导体区之间流动的电流（与集电极电流和发射极电流相对应）变大时，这些复合的效果变小，因此在所述第一半导体区与所述第三半导体区之间流动的电流与所述第二半导体区所需的电流（与基极电流相对应）之比（=电流增益）变大。然而，在其中表面复合的效果较小的电流电平中，当提供了本发明的第四半导体区时，抑制电流增益增大。
所期望的是，所述第三半导体区与所述第四半导体区之间的距离比所述第二半导体区中的少数载流子的扩散长度更短，以实现该电流增益的增大的防止的效果。当半导体是硅并且第二半导体区的杂质浓度是约1E18个原子/cc时，该距离是约20微米。由于少数载流子的寿命由所述第二半导体区的缺陷密度（复合中心的原因，如稍后所描述）、杂质浓度以及制造器件时的温度-时间历史（还包括从高温起的降温时间）控制，因此由“少数载流子的扩散常量和其寿命的乘积”的平方根表示的扩散长度依赖于杂质浓度和制造器件时的处理条件。
不需要所述第四半导体区来通过封闭形状包围所述第三半导体区。根据本发明的半导体器件还可以如下。
（2）
根据上述（1）的半导体器件，其特征在于，所述第四半导体区包括包围所述第三半导体区的平面形状中的开口，并且所述开口的最小距离的尺寸小于或等于包围所述第三半导体区的平面形状的内周的长度的十分之一。
其中，所述第四半导体区包括包围所述第三半导体区的平面形状中的开口，并且所述开口的最短距离的尺寸等于或小于包围所述第三半导体区的平面形状的内周的长度的十分之一。
在根据（2）的半导体器件中，甚至当存在未整体被所述第三半导体区周围的所述第四半导体区包围的部分（所述开口）时，在其中相反导电类型载流子流出所述第四半导体区的部分处抑制了所述电流增益增大。另外，甚至当该部分比开口的长度更短时，在开口的长度等于或短于所述第四半导体区包围所述第三半导体区的内周的长度时实现本发明的效果。
（3）
为了实现该电流增益的增大的防止，所述第四半导体区的杂质浓度是所述第二半导体区的杂质浓度的10倍以上。
为了将电流增益增大为等于或大于1，需要第三半导体区的杂质浓度大于第二半导体区的杂质浓度。
本发明的有益效果
尽管传统地，反馈回路被添加至采用多个晶体管的模拟放大器电路，以实现与电流电平无关的恒定电流增益，但是在本发明中的半导体器件中，通过采用简单结构来实现不论电流电平如何都几乎恒定的电流增益。
附图说明
图1是传统移植基极晶体管的截面图。
图2是示意了根据本发明的实施例的平面图。
图3是图2中示意的实施例中的截面图。
图4示意了关于参照图2中示意的实施例中的平面图制造的半导体器件的增益的电流依赖性。
图5是例证了第四半导体区的平面形状中的开口的平面图。
图6示意了在其中将本发明的一个方面应用于放大光电转换器件的实施例。
图7示意了图6中示意的实施例中的电属性。
具体实施方式
图2示意了根据本发明的实施例中的半导体器件的平面图。图3是沿图2中示意的平面图中的1-2点和虚线截分的半导体器件的截面图。在图中，附图标记110表示第一半导体区。附图标记111表示出于钝化目的在第一、第二、第三、第四表面上提供的绝缘膜。附图标记120表示被提供以与所述第一半导体区的表面相接触的第二半导体区。附图标记130表示被提供以与所述第二半导体区的表面相接触的第三半导体区。附图标记140表示被提供以与所述第三半导体分离且与所述第二半导体区的表面相接触的第四半导体区。与移植基极不同，所述第四半导体区未被掩埋在所述第三半导体区之下。附图标记133表示在所述绝缘膜111中提供的对第三半导体区的接触孔，并且附图标记143表示在所述绝缘膜111中提供的对第四半导体区的接触孔。为了简明，省略了每个区的电极。
具有10-20Ωcm电阻率的n型（100）面向面的硅衬底被用作所述第一半导体区110。所述第二半导体区120的表面杂质浓度是约1E18个原子/cc，并且第二厚度（深度）是约2微米。所述第三半导体区的表面杂质浓度是约9E20个原子/cc，并且第三厚度是等于或小于0.5微米的亚微米。第四半导体区140的表面杂质浓度是1E20个原子/cc，并且第四厚度小于第三厚度。在这些配置下，通过使用CMOS工艺来制造如图2和3中示意的根据本发明的一个方面的半导体器件。
图4中描绘的曲线14示意了电流增益对去往所制造的半导体器件的所述第二半导体区的电流的依赖性。在该半导体器件中，已经获得如1pA那样小的电流增益。针对去往所述第二半导体区的电流中从1pA至1000000pA（1μA）的6位变化，该半导体器件的电流增益仅从24增加至28。相比之下，图4中描绘的曲线12示意了在其中在图2中示意的结构中排除了所述第四半导体区140的半导体器件的电流增益，并且参照电流中从1pA至1000000pA的变化，该器件的电流增益从26至54变化得比两倍还多。上述比较证实了：根据本发明的一个方面的第四半导体区有利地抑制了电流增益的变化。
由于在该制造示例中采用清洁MOS工艺，因此即使在其中排除了所述第四半导体区的器件中，也在1pA处放大了去往所述第二半导体区的电流。然而，当第二半导体区的表面杂质浓度小于上述制造条件的表面杂质浓度（例如，大约1E17个原子/cc或更低）时，或者当未采用清洁MOS工艺时，所述第二表面转至耗尽或反型。因此，在没有所述第四半导体区的情况下，可以在所述第二半导体区的第二表面上形成泄漏沟道，以在所述第三半导体区的第三表面与所述第一半导体区的第一表面之间绕行，并且，电流增益可能显著降低，诸如等于或小于1。这里，在提供了第四半导体区的情况下，由于该泄漏沟道被阻塞，因此即使在非常低的电流电平中，也确保了电流增益。
图5示意了下述实施例：其中，所述第四半导体区140的形状不是如字母O之类的闭合形状，而是如字母C之类的具有开口的平面形状。在图5中，与图2中相同的附图标记意味着相同的区和特征。附图标记44表示开口的最小部分的尺寸。在图5中示意的半导体器件中，甚至具有约2-3微米的尺寸的开口也未减弱在结合图2的上述制造条件下抑制所述第四电流增益的电流依赖性的效果。
图6示意了在其中将本发明应用于放大光电转换器件的实施例的平面图。该器件是通过使用与图2中相同的设计规则和制造技术来制造的。附图标记120-0表示用于光电转换的第二半导体区，并连同所述第一半导体区110一起形成用于将光输入P转换为光电流的光电二极管。附图标记120-1表示结合该光电二极管的第一放大晶体管的第二半导体区（第一基极）。附图标记130-1表示第三半导体区（第一发射极）。附图标记140-1表示第四半导体区。附图标记120-2表示第二放大晶体管的第二半导体区（第二基极）。附图标记130-2表示第三半导体区（第二发射极）。附图标记140-2表示第四半导体区。
所述第一放大晶体管的第三半导体区130-1通过接触孔133-1和接触孔143-2、经由薄膜布线34而连接至所述第二放大晶体管的第四半导体区140-2。由于所述第二放大晶体管的第二半导体区120-2（第二基极）与所述第四半导体区140-2连续，因此所述第二半导体区120-2连接至所述第一放大晶体管的第三半导体区130-1（第一发射极）。
因此，由第一半导体区110和第二半导体区120-0转换的光电流被第一和第二放大晶体管放大，并从所述第三半导体区130-2或所述第一半导体区获得。图6示意了通过接触孔133-2从所述第三半导体区130-2提供引出电极32。增益是各个放大晶体管的每个电流增益之积。
从引出电极32获得放大后的光电流，作为Iout2。另外，当在所述第一半导体区110与所述第三半导体区130-2之间执行脉冲驱动时，对用于对已通过来自在所述第一半导体区110与所述第二半导体区120-0和120-1之间提供的结电容的光电流放电的电荷再充电的脉冲电流进行放大，并从引出电极32获得该脉冲电流。
图7示意了从所述第三半导体区130-2获得的直流电电流Iout2（皮安）关于图6中示意的放大光电转换器件的光输入能量P（皮瓦）的变化。在所述第一半导体区与所述第三半导体区130-2之间施加1.5V的电压。光源是He-Ne激光器。如图7中示意的那样，关于光输入能量P获得几乎线性的输出电流Iout2。当假定Iout2与P的n次幂成比例时，由此获得n=1.07，其近似为n=1。产业上的可利用性
利用根据本发明的一个方面的半导体器件，在简单配置的情况下实现了恒定电流增益，而不论电流电平如何。因此，通过使用根据本发明的一个方面的半导体器件，实现了具有较小面积的放大传感器。由此，利用高灵敏度放大传感器单元实现了大规模阵列。
附图标记列表
12：示意在其中排除了第四半导体区的半导体器件的电流增益的电流依赖性的曲线
14：示意在其中根据本发明的一个方面提供第四半导体区的半导体器件的电流增益的电流依赖性的曲线
32：电极
34：薄膜布线
44：第四半导体区的最小开口的尺寸
110：第一半导体区
111：第一绝缘膜
120：第二半导体区
120-0：用于光电转换的第二半导体区
120-1：第一放大晶体管的第二半导体区
120-2：第二放大晶体管的第二半导体区
130：第三半导体区
130-1：第一放大晶体管的第三半导体区
130-2：第二放大晶体管的第三半导体区
133：对第三半导体区的接触孔
133-1：对第一放大晶体管的第三半导体区的接触孔
133-2：对第二放大晶体管的第三半导体区的接触孔
140：第四半导体区
143：对第四半导体区的接触孔
143-2：对第二放大晶体管的第四半导体区的接触孔

Claims (3)

1.一种半导体器件，其特征在于，至少包括：
第一半导体区，具有第一表面、第一厚度和第一导电类型；
第二半导体区，具有第二表面、第二厚度和相反导电类型，并在所述第一表面的部分处与所述第一半导体区相接触；
第三半导体区，具有第三表面、第三厚度和所述第一导电类型，并在所述第二表面的部分处与所述第二半导体区相接触；以及
第四半导体区，具有第四表面、第四厚度，并在所述第二表面的部分处与所述第二半导体区相接触；
所述第三半导体区的杂质浓度大于所述第二半导体区的与所述第三半导体区相接触的部分的杂质浓度，并且所述第四半导体区被提供以与所述第三半导体区分离并包围所述第三半导体区，并且所述第四半导体区的杂质浓度大于所述第二半导体区的杂质浓度。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第四半导体区包括包围所述第三半导体区的平面形状中的开口，并且所述开口的最小距离的尺寸小于或等于包围所述第三半导体区的平面形状的内周的长度的十分之一。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第四半导体区的表面杂质浓度大于或等于所述第二半导体区的表面杂质浓度的十倍。
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