[发明专利]双极结型晶体管

说明书

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。