[实用新型]双极高速功率开关晶体管发射区结构

说明书

本实用新型涉及双极功率开关晶体管的发射区结构的改进，属于半导体器件技术领域。

高频电力电子技术日益发展，因而技术上对开关速度更快的双极功率晶体管有了更多的需求。然而，为了保证较大的电流容量，制造n⁺-p-v-n⁺型双极功率晶体管常采用较宽的发射区条(一般在150μm以上)。这样的设计，往往因晶体管的基区横向电阻大而显著地影响晶体管的开关时间，尤其是关断时间(包括下降时间和存储时间)；同时使晶体管易发生反偏二次击穿，恶化晶体管的热电稳定性。这是因为，开关应用的晶体管在关断的过程中，基区反向抽取电流在基区横向电阻上的压降，将导致发射结去偏置效应，引起电流在发射区条中心处的集中。这种电流集中，一方面构成了影响晶体管热电稳定性的不良因素；另一方面，由此将引起集电区存储电荷向发射区条中心集中，从而延长了存储电荷由集电区到基区电极的抽取路径，这就相当于增加了基区横向电阻，所以晶体管的关断过程将受到延缓，产生明显的电压和电流的拖尾现象。因此，目前国内厂家生产的常规结构高压功率晶体管，开关速度较慢(下降时间通常大于500 ns，存储时间通常大于1μs)，开关损耗大，不能在100 kHz以上的开关频率下使用，使得双极功率晶体管在较高频率下的应用受到限制。

本实用新型的目的在于，通过改进发射区结构改善双极功率晶体管的开关时间、开关损耗和关断时的热电稳定性。

本实用新型改进了常规的发射区结构具体如下(参见图1)：从剖面结构上看，发射区由轻掺杂的中心区域1和分布在两侧的高掺杂的周边区域2构成，轻掺杂的中心区域宽度占整个发射区宽度的比例为10-90％。中心区域的掺杂浓度可以设计为略高于基区3的掺杂浓度，而周边区域的掺杂浓度则可设计为与常规晶体管发射区的一样。这种结构在晶体管关断时，由于发射区条的中心部分1的发射效率很低，发射区电流就不再夹紧于此，所以存储电荷就靠近发射区周边区域的下方和非工作基区4。因此，被抽取的过剩载流子所经过的路径变短、电阻降低，关断过程被加快，关断过程中电流和电压的拖尾被消除或弱化，从而缩短了关断时间，降低了关断损耗。再者，由于关断时电流分布的集中情况不像常规发射区结构中那样显著，所以晶体管关断时的热电稳定性也得以提高。另一方面，在晶体管正偏导通时，由于同样存在基区横向电流的去偏压效应，发射区电流本来就有向其周边部分聚集的趋势，而使中心部分承担的电流较少。所以，这种结构对晶体管的正向导通的性能参数如电流增益、特征频率、饱和压降等的影响并不大。

由此可见，本实用新型的发射区结构，能够加速晶体管的关断过程，有效地改善双极功率晶体管的开关时间和开关损耗，提高晶体管关断时的热电稳定性，使之能够在更高的频率下正常且安全地工作。

附图说明：

图1是本实用新型发射区结构的剖面结构示意图。其中，1发射区轻掺杂区，2发射区高掺杂区，3工作基区，4非工作基区。

图2是本实用新型的一个实施例的横向结构示意图。其中，1发射区轻掺杂区，2发射区高掺杂区，4非工作基区，5基区电极引出区，6发射区电极引出区，7基区电极，8发射区电极。

图2是本实用新型的一个很好的实施例的横向结构(版图)的局部示意图，非工作基区4和基区引出区5呈岛状分布，发射区(由轻掺杂的中心区域1(单斜线阴影部分)和高掺杂的周边区域2(网格线部分)共同构成)则呈网状包围在基区引出区岛的周围，基区电极7和发射区电极6相互平行，呈叉指状。其发射区纵向结构的实现可采用硅平面工艺，简便易行，不要求很高的精度。先在发射区的轻掺杂中心区域1进行一次短时间的杂质预淀积和表面氧化处理；再在发射区的高掺杂周边区域2进行一次长时间杂质预淀积；然后进行表面热氧化，同时起到使预淀积在硅片表面的杂质向硅片深层推进并达到预定结深的目的。由于中心区域的预淀积杂质量比周边区域的要小，所以就形成了中心轻掺杂区发射区。图2所示的版图中，在垂直于金属电极方向(水平方向)的发射区条上，轻掺杂区宽度占条宽的20-30％；在平行于金属电极(垂直方向)的发射区条上，轻掺杂发射区条宽占条宽的40-80％。由该版图制作出的样管的耐压为500V，存储时间比常规发射区结构的对照样管减小50％，下降时间减小50％，效果非常显著。