[发明专利]碳化硅双极结晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及一种高电流增益的碳化硅双极结晶体管。

背景技术

功率晶体管被用作功率电子系统中的开关。开关在在接通状态中传导 高电流和在断开状态中阻止高电压之间交替。电源开关的两个最重要的性 能因数是：正向传导过程中的低功率损耗，以及在接通和断开之间切换的 过程中的低功率损耗。低功率损耗是有利的，因为其使得能够节省能量， 并且因为，当减小由功率损耗导致的散热时，可将系统构造得更紧凑。

碳化硅(SiC)双极结晶体管(BJT)在传导和开关过程中具有低功 率损耗，并由此可用作功率电子系统中的开关。传统的硅(Si)功率晶体 管，例如，MOSFET和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，无法与用于大约1200 V以上级别的电压的SiC BJT的功率损耗相匹配。还有其它SiC功率晶体 管，例如，MOSFET和结型场效应晶体管(JFET)，这两个晶体管类型都 具有相对低的功率损耗。然而，MOSFET具有有限的氧化物可靠性和高沟 道电阻，其在正向传导过程中会导致额外的功率损耗。JFET是所谓的常 通装置，并且，这在许多功率电子系统中是一个缺点，因为，如果JFET 驱动电路出现故障，那么这会是一个安全问题。

在Proceeding of the 19^th International Symposium on Power  Semiconductor Devices and Ics，p.293-6，2007，by S.Balachandran et.al中描 述了：已经成功开发了NPN类型的SiC BJT，并且，能够具有等于6kV 的最大电压的BJT已表现出低导通电压。

在IEEE Electron Device Letters，Vol.26，No.3，2005，by S. Balachandran et.al中，已经示出了用于30A和1000V的大面积SiC BJT， 具有大约40的电流增益，并且，在100A/cm²的电流密度下仅具有0.6V 的低正向电压降。

用外延NPN结构制造最佳的SiC BJT，并通过SiC的干法刻蚀来终 止基极发射极和基极集电极结，以形成所谓的台式结构。具有几安培的高 电流容量的SiC BJT，在遍布几平方毫米的大面积上包含许多交叉指形指 状发射极。用于获得具有最佳击穿电压和低功率损耗的现有技术SiC BJT 的关键因素是：有效的高压结终端、具有低缺陷浓度的块体SiC、至n型 和p型SiC的低电阻欧姆触点，以及有效的表面钝化。

发明内容

问题

目前使用的传统的Si开关，MOSFET和IGBT，是电压控制的装置。 这意味着，开关的控制用栅极端子仅在稳态中需要DC电压，因此，在接 通状态中和在断开状态中，来自驱动电路的电流是可以忽略的。相反，在 开关过程中需要大电流，以对装置内部电容(在栅极-源极之间和在栅极- 漏极之间)充电和放电。只要开关频率不是非常高，那么，必须从驱动电 路传递的功率就是适当的，可将相对小的和便宜的集成电路用作用于电压 控制的装置(例如MOSFET和IGBT)的驱动电路。

另一方面，SiC BJT是电流控制的晶体管，因此，当BJT处于接通状 态时，驱动电路必须传递DC电流。由于此接通状态的DC驱动电流的原 因，与MOSFET和IGBT的情况相比，BJT的驱动电路必须传递明显更高 的功率。对于目前对SiC BJT所达到的电流增益(大约20至60)，无法用 小集成电路控制大面积SiC BJT，因此，驱动电路变得更贵且设计更复杂。 所需要的功率更大且复杂的驱动电路是SiC BJT与MOSFET和IGBT相比 的一个重大缺点，并且，为了增加SiC BJT的市场潜力，将电流增益从20 至60的范围中的当前值增加至100及以上的值是重要的。

具有1200V阻断能力(blocking capability)的SiC BJT的器件模拟 表明，如果材料的载流子寿命是大约100ns，那么，可预期150至200的 范围内的电流。载流子寿命的这个值与从n型和p型外延SiC层的材料特 征产生的结果合理地相适应。对于现有技术的外延，SiC材料质量由此应 足以制造具有范围在150至200的电流增益的BJT。

对现有技术的SiC BJT的主要电流增益限制因素是发射极边缘处及 其附近的基极-发射极结的蚀刻末端处的表面复合。