CN1722460A - 具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管，它是在现有的功率双极型晶体管的基区5局部重掺杂形成重掺杂基区9，所述的重掺杂基区9的掺杂类型与基区5的掺杂类型相同(指同为p型或同为n型)，其浓度大于基区5的掺杂浓度；重掺杂基区9位于基极电极1下方的基区5里面，且所述的重掺杂基区9和基极电极1紧密接触。与常规的功率双极型晶体管相比，采用这种基区局部重掺杂结构，除了能在基极处形成欧姆接触外，在具有在相同的击穿电压V_CBO情况下，还能大大提高器件的电流增益。

Description

具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管

技术领域

该发明属于半导体功率器件技术领域，它特别涉及功率双极型晶体管。

背景技术

现代功率集成电路日益广泛的应用对功率器件的性能提出了更高要求。众所周知，最重要的半导体功率器件之一——功率双极型晶体管，目前在诸如电力系统，火箭和卫星，现代通信等方面都是关键的器件。前人在双极型晶体管物理、设计和应用的课题方面已写出很多书籍和文献。如何提高双极型晶体管的电流增益则一直是双极型晶体管研究中的一个重要课题。图1是常规功率双极型晶体管结构示意图。其中，1是基极电极，2是发射极电极，3是集电极电极，4是发射区，5是基区，6是轻掺杂集电区，7是重掺杂集电区。其共基极电流放大系数α可表示为：α＝α_Tγ。其中，α_T是基区输运系数，γ是发射结的注入效率。则共发射极电流放大系数β(也简称为电流增益β)可表示为： $\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}.$ 可见晶体管的电流增益与基区输运系数和发射结注入效率成正比。两个因素的乘积值越大，电流增益越高。常用的方法就是通过提高α_T和γ来达到提高电流增益。对图1的常规结构，提高α_T可以通过减小基区5宽度和基区5的掺杂浓度使得α_T接近于1，但是这样做的同时会使得晶体管的厄尔利效应增大；另外减小基区5宽度和浓度容易在高压时发生基区穿通，影响器件耐压特性。另一方面要提高注入效率γ，根据公式： $\mathrm{\γ}=1-\frac{W_B{\mathrm{\ρ}}_E}{W_E{\mathrm{\ρ}}_B},$ 其中，W_B、W_E分别是基区5和发射区4的宽度，ρ_B、ρ_E分别是基区5和发射区4的电阻率，可以通过提高发射区与基区的掺杂浓度比值来增大注入效率γ。然而发射区掺杂过重会使禁带变窄和俄歇复合增强，不仅不能提高注入效率，反而会使其下降。所以提高晶体管的电流增益受到了其他各种效应的限制。这方面的内容可以参考书籍(1)【美】施敏，“Physics of Semiconductor Devices”。

为了提高功率双极型晶体管的电流增益而不影响器件的截止频率f_T和击穿电压V_B的情况下，研究者们提出了各种措施。文献(2)Chen，Q.；Sin，J.K.O.；“A new trench base-shielded bipolar transistor”，(一种新槽型基区屏蔽双极型晶体管)Power Semiconductor Devices and ICs，1998.ISPSD98.Proceedings of the 10th International Symposium on，3-6 June 1998Page(s)：169-172。在常规的功率双极型晶体管的基极欧姆接触处采用了窄的深阱结构，在阱内填充了重掺杂多晶硅，目的是为了对中间的有源基区P区进行电场保护。如图2所示，其中，1是基极电极，2是发射极电极，3是集电极电极，4是发射区，5是基区，6是轻掺杂集电区，7是重掺杂集电区，8是重掺杂多晶硅。这种结构的有源基区5可以做得足够的窄从而得到大的电流增益，但是另一方面，器件的击穿电压V_R和截止频率f_T并不会因为有源基区的变窄而降低。当器件工作在正向阻断状态时，基区5中的重掺杂多晶硅8和轻掺杂集电区6中的重掺杂多晶硅8将会使得CB结(集电结)的空间电荷区在垂直和水平方向上都向轻掺杂集电区6中扩展，当CB结的反向电压加到足够的高的值时，两个相邻的重掺杂多晶硅阱之间的轻掺杂集电区6将会完全耗尽。所以在重掺杂多晶硅阱的保护下，轻掺杂集电区的电场很难穿透到有源基区5，从而能够达到提高V_B的目的。

功率双极型晶体管的进一步发展是既要满足高的耐压，又要满足大的电流增益。然而，高的耐压需要有宽的基区宽度和重的基区掺杂浓度，大的电流增益要求有窄的基区宽度和轻的基区掺杂浓度，如何解决二者对基区宽度和浓度的矛盾要求是目前的一个研究热点。

发明内容

本发明的任务在于提供一种具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管，与常规功率双极型晶体管相比，采用这种具有基区局部重掺杂结构，除了能在基极电极处形成欧姆接触外，其主要特点是在具有在相同的击穿电压V_CBO情况下，还能大大提高器件的电流增益。

本发明提供的一种具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管(其结构如图3所示)，它包括：基极电极1、发射极电极2、集电极电极3、发射区4、基区5、轻掺杂集电区6、重掺杂集电区7，其特征是它还包括重掺杂基区9。所述的重掺杂基区9的掺杂类型与基区5的掺杂类型相同(指同为p型或同为n型)，其掺杂浓度大于基区5的掺杂浓度；所述的重掺杂基区9位于基极电极1下方的基区5里面，且所述的重掺杂基区9和基极电极1紧密接触。

需要说明的是：

(1)所述的重掺杂基区9位于基极电极1下方的基区5里面，不能位于发射区4下的基区5里面；

(2)所述的具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管可以是槽型双极型晶体管结构(如图3所示)，也可以是平面型双极型晶体管结构(如图4所示)；

(3)所述的重掺杂基区9，对于单基区双极型晶体管，重掺杂基区9位于单基区基极电极1的下方和基极电极紧密接触(如图3所示)。对于双基区双极型晶体管，重掺杂基区9可以只有一个，它位于单边基区基极电极1的下方和基极电极紧密接触；重掺杂基区9也可以有两个，它们分别位于两个基区基极电极1的下方和基极电极紧密接触，实现两边基区局部重掺杂(如图5所示)。

(4)本发明的具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管可以采用硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料制作。

(5)本发明的具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管可以是NPN型管，也可以是PNP型管。

本发明的工作原理：

本项发明提供了一种具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管。在具有相同的击穿电压V_CBO情况下，能大大提高器件的电流增益。这里以NPN型功率双极型晶体管为例(如图3)，说明本发明的工作原理。

功率双极型晶体管常常工作在饱和区，此时两个结都正偏(发射结BE和集电结BC)，这样将有少子从集电区注入到基区，同样也有大量的少子从发射区注入到基区。由于在基区里面的少子存在浓度差，且在基区里存在电势差，注入到基区的少子将向基极电极移动，到达基极电极处的少子将在电场作用下被基极电极直接抽走。在基区引入重掺杂后，有助于抑制少子直接被基极电极抽走而形成很大的基极电流，同时，重掺杂基区不在发射区下，不影响发射区注入效率，从而新结构增大了器件的电流增益。

本发明的创新点：

本发明重在提供一种基区局部重掺杂功率双极型晶体管结构，其局部重掺杂基区在不影响发射区注入效率的前提下，通过降低同样输出电流下所需的基极电流，增大了晶体管的电流增益。所提出的功率双极型晶体管，它是在现有的功率双极型晶体管的基区5局部重掺杂形成重掺杂基区9。所述的重掺杂基区9的掺杂类型与基区5的掺杂类型相同(指同为p型或同为n型)，其浓度大于基区5的掺杂浓度；重掺杂基区9位于基极电极1下方的基区5里面，且所述的重掺杂基区9和基极电极1紧密接触。

本发明的特点：

(1)本发明的重掺杂基区的掺杂浓度越在小于10²⁰cm^-3范围内，掺杂浓度越高，对电流增益的提高越大。

(2)本发明不但改善了器件在饱和区的性能，而且对器件放大区的性能也有所提高，从而使器件在所有的工作区电流增益都增加。图6是双极型功率晶体管的I-V输出特性。其中，10是本发明结构的I-V特性，11是常规结构的I-V特性，纵轴I_C是集电极电流，横轴V_CE集电极电压。

(3)本发明的基区局部重掺杂9与发射区4的距离d对器件电流增益的影响比较大。饱和区的情况如图7所示，放大区的情况如图8所示。其中，横轴d是重掺杂基区9与发射区4的距离d，纵轴β是器件电流增益，12是本发明结构的电流增益，13是常规结构的电流增益。

综上所述，本项发明提供的具有基区局部重掺杂的功率双极型晶体管，与普通的功率双极型晶体管结构相比，该结构可以实现在同等击穿电压下大幅度提高电流增益的目的。

附图说明：

图1是常规功率双极型晶体管结构示意图

其中，1是基极电极，2是发射极电极，3是集电极电极，4是发射区，5是基区，6是轻掺杂集电区，7是重掺杂集电区。

图2是具有深而窄的重掺杂多晶硅阱的功率双极型晶体管结构示意图

其中，1是基极电极，2是发射极电极，3是集电极电极，4是发射区，5是基区，6是轻掺杂集电区，7是重掺杂集电区，8是重掺杂多晶硅。

图3是具有局部重掺杂的槽型功率双极型晶体管结构示意图

其中，1是基极电极，2是发射极电极，3是集电极电极，4是发射区，5是基区，6是轻掺杂集电区，7是重掺杂集电区，9是重掺杂基区，d是重掺杂基区9与发射区4之间的距离。

图4是具有基区局部重掺杂的平面型功率双极型晶体管结构示意图

其中，1是基极电极，2是发射极电极，3是集电极电极，4是发射区，5是基区，6是轻掺杂集电区，7是重掺杂集电区，9是重掺杂基区，d是重掺杂基区9与发射区4之间的距离。

图5是具有基区局部重掺杂的对称双槽型功率双极型晶体管结构示意图

其中，1是基极电极，2是发射极电极，3是集电极电极，4是发射区，5是基区，6是轻掺杂集电区，7是重掺杂集电区，9是重掺杂基区，d是重掺杂基区9与发射区4之间的距离。

图6是功率双极型晶体管I-V输出特性图

其中，纵轴I_C是集电极电流，横轴V_CE集电极电压；10是本发明结构的I-V特性，11是常规结构的I-V特性。

图7是重掺杂基区9到发射区4的距离d对饱和区电流增益影响结果图

其中，横轴d是重掺杂基区9与发射区4的距离，纵轴β是器件电流增益，12是本发明结构的电流增益，13是常规结构的电流增益。

图8是重掺杂基区9到发射区4的距离d对放大区电流增益影响结果图

其中，横轴d是重掺杂基区9与发射区4的距离，纵轴β是器件电流增益，12是本发明结构的电流增益，13是常规结构的电流增益。

具体实施方式

本发明的具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管的一种制作工艺流程如下(以槽型双极型NPN管为例)：

1)采用的晶片是重掺杂N⁺衬底7；

2)在重掺杂N⁺衬底7上依次制作N-/P/N⁺外延层(器件不同的电流增益和耐压值，外延层的尺寸将会不同)；

3)利用反应离子刻蚀(RIE)工艺刻蚀掉N⁺层至P层，形成双极型晶体管的槽型结构；

4)在双极型晶体管的槽型结构内根据器件电流增益的要求形成重掺杂基区9；

5)氧化，在双极型晶体管槽的表面形成一层高质量氧化层；

6)淀积二氧化硅，将槽填平，使器件平面化；

7)采用常规方法制作电极。

采用以上的方法，可以得到本发明的具有局部重掺杂的槽型功率双极型晶体管。

Claims (4)

1、一种具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管，它包括：基极电极(1)、发射极电极(2)、集电极电极(3)、发射区(4)、基区(5)、轻掺杂集电区(6)、重掺杂集电区(7)，其特征是它还包括重掺杂基区(9)；所述的重掺杂基区(9)的掺杂类型与基区(5)的掺杂类型相同(指同为p型或同为n型)，其浓度大于基区(5)的掺杂浓度；所述的重掺杂基区(9)位于基极电极(1)下方的基区(5)里面，且所述的重掺杂基区(9)和基极电极(1)紧密接触。

2、根据权利要求1所述的一种具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管，其特征是所述的重掺杂基区(9)，对于单基区双极型晶体管，重掺杂基区(9)位于单基区基极电极(1)的下方和基极电极(1)紧密接触；对于双基区双极型晶体管，重掺杂基区(9)可以只有一个，它位于单边基区基极电极(1)的下方和基极电极(1)紧密接触；重掺杂基区(9)也可以有两个，它们分别位于两个基区基极电极(1)的下方和基极电极(1)紧密接触，实现两边基区局部重掺杂。

3、根据权利要求1所述的一种具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管，其特征是所述的具有基区局部重掺杂的功率双极型晶体管可以是槽型双极型晶体管结构，也可以是平面双极型晶体管结构。

4、根据权利要求1所述的一种具有基区局部重掺杂功率双极型晶体管，其特征是所述的具有基区局部重掺杂的功率双极型晶体管可以采用硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料制作。

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