CN110212032A - 一种栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种栅控双极‑场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，该器件的衬底为元素半导体材料，所述基区接触的表面形成基极，所述基极与源极隔离，与栅极电连接，满足：栅极接入电压时，基区获得的电压使得器件寄生的双极型晶体管开启，代替传统的元素半导体横向双扩散晶体管中基区与源区短接的电极连接方式。与传统器件相比，本发明在保证器件具有相同击穿电压的同时，大幅度提高器件的导通电流，降低器件的导通电阻。
Description
技术领域
本发明涉及半导体功率器件技术领域，具体涉及一种横向双扩散晶体管。
背景技术
横向双扩散金属氧化物半导体场效应管(Lateral Double-diffused MOSFET，简称LDMOS)具有易集成，热稳定性好，较好的频率稳定性，低功耗，多子导电，功率驱动小，开关速度高等优点是智能功率电路和高压器件的核心。由于便携式电源管理和汽车电子产品的市场需求日益增长，在全球范围内受到越来越多的关注。
传统的LDMOS采用的基区与源区之间短接的电极连接方式。在关断状态下，器件基区和源区均接地，可防止由源区，基区和漂移区之间寄生的双极型晶体管开启使得器件发生二次击穿，降低击穿电压。但在开启状态下，由于基区与源区短接，寄生的双极型晶体管依然没有开启，器件只能在正常开启的沟道中导电。
发明内容
本发明提出了一种栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，旨在不影响击穿特性的前提下，进一步降低器件的导通电阻,改善晶体管的导通性能。
本发明的技术方案如下：
该栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，包括：
半导体材料的衬底；
在所述衬底上生成的外延层；
在所述外延层上形成的基区和漂移区；
在所述基区上形成的基区接触和源区以及相应的沟道；
在所述漂移区上形成的漏区；
栅绝缘层，覆盖所述沟道以及漂移区靠近沟道的部分(而靠近漏区的部分主要是作为钝化层)；
栅极，位于栅绝缘层表面；
源极，位于源区表面；
漏极，位于漏区表面；
其特殊之处在于：
所述衬底为元素半导体材料，所述基区接触的表面形成基极，所述基极与源极隔离，与栅极电连接，满足：栅极接入电压时，基区获得的电压使得器件寄生的双极型晶体管开启。
基极与栅极之间的连接材料可以是导体材料(例如铜或铝)，使得栅极接入电压时基极与栅极电位一致。
基极与栅极之间的连接材料也可以是半导体材料(例如半绝缘多晶硅)；使得基极接入电压时基极电位大于栅极电位，栅极接入电压时栅极电位大于基极电位。
进一步的，所述元素半导体材料为硅或锗，衬底的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1015cm-3。
进一步的，所述漂移区的材料为硅或锗，漂移区的掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1016cm-3。
进一步的，所述基区接触的掺杂浓度为1×1020cm-3。
本发明技术方案的有益效果如下：
本发明充分利用了寄生的双极型晶体管的特性，该结构采用基区与栅极相连的电极连接方式。其工作在关态时，器件的栅极、基区和源极接地，漏极接高电位。这与传统的元素半导体横向双扩散晶体管的电极连接方式一致。可防止寄生的双极型晶体管开启带来的二次击穿，防止器件击穿电压降低。因此，该结构的击穿电压与传统器件击穿电压保持一致。器件工作在开态时，器件的沟道正常开启依然导电。另外，由于栅极与基区电极相连，当栅极接入栅压时，基区也接入一定电压。由源区、基区和漂移区之间寄生的双极型晶体管的开启，使器件导通电流大幅度增加，从而大大降低器件的导通电阻。
附图说明
图1为本发明一种栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管结构示意图。
图2基于图1所示结构示意了导电通道。其中，A为沟道形成的导电通道，B为寄生的双极型晶体管开启形成的导电通道。
附图标号说明：
1-元素半导体衬底；2-基区；3-源区；4-基区接触；5-漏区；6-漂移区；7-源极；8-栅极；9-漏极；10-基极。
具体实施方式
如图1所示，该栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管：
元素半导体衬底1，具体采用硅或锗，掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1015cm-3；
在衬底1上生成外延层；具体材料为硅或锗,掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1016cm-3；
在外延层上形成基区2；
在器件表面形成有源区；
在有源区上形成的栅绝缘层，并在栅绝缘层上方形成栅极8；
在基区上形成源区3与基区接触4同时在所述基区上形成沟道；其中，基区接触的掺杂浓度为1×1020cm-3；
在漂移区上形成漏区5；
在源区3，基区接触4和漏区5上分别生成源极7，基极10和漏极9。
器件的基极10与栅极8相连接。具体来说：
基极10与栅极8之间的连接材料可为导体材料(如铜和铝等)，栅极8接入电压时，基极10与栅极8电位一致。
基极10与栅极8之间的连接材料可为电阻材料(如半绝缘多晶硅等)。基极10接入电压时，则基极10电位大于栅极8电位；栅极8接入电压时，则栅极8电位大于基极10电位。
需要说明的是，附图中所示栅极与基极共接引出接线端子为拓扑示意，实际产品中基极和栅极相连后引出的电极，它可以从基极处直接引出或是从栅极处直接引出。所以会因基极和栅极间的电阻以及引出电极位置的不同导致栅极与基极的电位存在差异。
该结构采用基区与栅极相连的电极连接方式，其工作在关态时，器件的栅极，基区和源极接地，漏极接高电位。这与传统的元素半导体横向双扩散晶体管的电极连接方式一致。可防止寄生的双极型晶体管开启带来的二次击穿，防止器件击穿电压降低。因此，该结构的击穿电压与传统器件击穿电压保持一致。器件工作在开态时，器件的沟道正常开启依然导电。另外，由于栅极与基区电极相连，当栅极接入栅压时，基区也接入一定电压。由源区，基区和漂移区之间寄生的双极型晶体管的开启，致使器件导通电流大幅度增加，从而大大降低器件的导通电阻。
例如：
针对漂移区长度为20μm，厚度为2μm的N沟道LDMOS，当在普通LDMOS器件的栅极上施加5V电压时，器件的饱和电流密度为3.4◇10-5A/μm。而采用本发明的结构，利用金属连接的栅极和基区的LDMOS器件。当施加5V栅压时，器件的饱和电流密度为2.6◇10-3A/μm。提高了两个数量级。
针对漂移区长度为40μm，厚度为2μm的N沟道LDMOS，当在在普通LDMOS器件的栅极上施加5V电压时，器件的饱和电流密度为2.5◇10-5A/μm。而采用本发明的结构，利用金属连接的栅极和基区的LDMOS器件。当施加5V栅压时，器件的饱和电流密度为1.03◇10-3A/μm。提高了三个数量级。
当然，本发明中的LDMOS也可以为P沟道，其结构与N沟道LDMOS相同，在此不再赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换的方案也落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，包括：
半导体材料的衬底；
在所述衬底上生成的外延层；
在所述外延层上形成的基区和漂移区；
在所述基区上形成的基区接触和源区以及相应的沟道；
在所述漂移区上形成的漏区；
栅绝缘层，覆盖所述沟道以及漂移区靠近沟道的部分；
栅极，位于栅绝缘层表面；
源极，位于源区表面；
漏极，位于漏区表面；
其特征在于：
所述衬底为元素半导体材料，所述基区接触的表面形成基极，所述基极与源极隔离，与栅极电连接，满足：栅极接入电压时，基区获得的电压使得器件寄生的双极型晶体管开启。
2.根据权利要求1所述的栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，其特征在于：基极与栅极之间的连接材料为导体材料，使得栅极接入电压时基极与栅极电位一致。
3.根据权利要求2所述的栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，其特征在于：所述导体材料为铜或铝。
4.根据权利要求1所述的栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，其特征在于：基极与栅极之间的连接材料为半导体材料；使得基极接入电压时基极电位大于栅极电位，栅极接入电压时栅极电位大于基极电位。
5.根据权利要求4所述的栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，其特征在于：连接基极与栅极的半导体材料为半绝缘多晶硅。
6.根据权利要求1所述的栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，其特征在于：所述元素半导体材料为硅或锗，衬底的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1015cm-3。
7.根据权利要求1所述的栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，其特征在于：所述漂移区的材料为硅或锗，漂移区的掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1016cm-3。
8.根据权利要求1所述的栅控双极-场效应复合元素半导体基横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，其特征在于：所述基区接触的掺杂浓度为1×1020cm-3。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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