[实用新型]高速高压双极晶体管

说明书

本实用新型涉及一种高速高压双极晶体管的结构改进，属于半导体器件技术领域。

制造n⁺-p-v-n结构晶体管时，为满足耐压要求，就要增大基区宽度(防止在高压时的基区穿通)，但这对管子的电流增益、频率特性和开关速度等有不良影响。日本的H.Kondo等人提出的一种栅辅助晶体管(Gate associated transistor，缩写为GAT)结构较好地解决了这一问题。从其纵向结构(图1)看，这种晶体管在常规结构的p型基区(1)两侧增加了p型栅区(2)，其结深比p基区大得多，它的屏蔽作用，可以减弱反偏时集电结(3)处的电场；尤其是在一定值的反压下，栅结(4)在集电区一侧的耗尽层可以夹断相邻p型栅区间的n^-区(5)，之后当电压再升高时，基区中的耗尽层就几乎不再扩展，基区就不易发生穿通。所以，对于耐高压的晶体管，基区就可以做窄，从而可以提高高压晶体管的电流增益，改善其频率特性；由于具有较好的频率特性，而且栅区提供了较低的基区串联电阻，晶体管还可以获得很好的开关特性。因此，利用这种结构，可以做成高速高压晶体管。但是，Kondo等人提出的晶体管横向结构(图2)设计并不合理，其基区电极引出区(7)在芯片上占用了较多的面积，走向与栅区(8)垂直的发射区(9)的有效面积和周长相对较小，这就降低了单位管芯面积的平均电流容量，严重影响了GAT的实用性。因此，GAT发明至今十余年，仍未实现商品化。

本实用新型旨在克服上述现有技术的不足，提出新的GAT横向结构设计，以提高GAT单位面积平均电流容量。

本实用新型的结构设计(图3)思想是：在芯片平面内，将基区电极引出区分解成许多孤立的小区域(10)，而将发射区(11)做成网状包围在这些小区域的周围。其具体设计原则如下：从芯片平面上看，(a)基区电极引出区按一定间距排成若干列，由每一列引出区引出基区金属电极(12)的一条，同时在相邻的两列基区电极引出区之间分布发射区电极引出区(13)并引出发射区金属电极(14)的一条，两种电极相互平行，呈叉指状，具有合理的间距和各自合理的宽度；(b)基区电极和发射区电极之间的距离及各自的条宽可根据需要及制造工艺水平通过改变基区电极引出区的列距进行调整，引出区列距的调整范围为40～500μm；(c)每列基区电极引出区不像现有结构(图2)那样是一个长条，而是包含若干个孤立的引出区，它们相隔一定的距离，以增大发射区有效面积和周长；(d)每列基区电极引出区中各个引出区的大小、形状及相邻引出区的间隔距离决定了发射区有效面积及周长和基极接触电阻等，这些可根据需要及制造工艺水平进行适当调整，间隔距离可在5～500μm之间变化；(e)基区电极引出区与p型栅区(15)有重叠或部分重叠，以减小基区电阻和增大发射区有效面积；(f)发射区包围在各个基区电极引出区的周围，呈网状分布，其内边界(“网眼”处的边沿)(16)到基区电极引出区之间保持一定距离(以避免发射区和基区之间的短路)，这个间距可以根据制造工艺水平进行适当的调整，确定在1～100μm之间。

本实用新型的结构设计，与现有结构(图2)相比，减小了GAT基区电极引出区的面积，增大了发射区有效面积和周长，从而显著提高了GAT单位面积平均电流容量，使之与常规高压双极晶体管的电流容量相当，明显降低了GAT管芯的制造成本，具有实用意义，可使GAT实现产品化和商品化。

图1是GAT纵向结构剖面示意图。其中，1基区，2栅区，3集电结，4栅结，5集电区，6发射区。

图2是GAT原结构的立体示意图。其中，7基区电极引出区，8p型栅区，9n型发射区。

图3是本实用新型一个实施例的立体结构示意图。为简明起见，图中省略了管芯表面的氧化层。其中，10基区电极引出区，11n型发射区，12基区金属电极，13发射区电极引出区，14发射区金属电极，15条状p型栅区，16发射区内边界，17与基区电极引出区有重叠的方形p型栅区。

本实用新型的实现，可以按图3所示的结构，采用常规的硅平面工艺进行：在n⁺-n^-背扩散片或外延片衬底上，进行深结和浅结p型杂质扩散可分别形成栅区和基区，n型杂质扩散形成发射区，电极则用常规的蒸发和反刻工艺在相应的引出区位置上获得。

图3一例中，方形的基区电极引出区(10)排成阵列，而发射区有间隔地包围在这些引出区周围；条状p型栅区(15)保持适当间距，以一定角度与金属电极(11，13)斜交；同时，在基区电极引出区处，栅区设计为与栅条(15)相连且面积大于引出区的方形区域(17)，从而使得基区电极引出区与栅区有完全的重叠，减小了基区电阻。样管管芯面积5.4mm²，最大电流8A，集电极-发射极击穿电压500V，存储时间下降时间80ns。按同样的设计规律，以图2所示的原结构在同一硅片上制造样管，在相同的芯片面积上得到的最大电流仅为4.5A。由此可见，本实用新型的GAT结构的平均电流容量比原结构大近1倍。