一种双极管的制作方法

本发明属于硅半导体器件技术领域，涉及一种双极管。

背景技术：

双极管是一种电流驱动型晶体管，有几十年的历史。1979年hisaokondo提出了联栅晶体管gat(gateassociatedtransistor)，随后进行了详细的分析(见ieeetrans.electrondevice，vol.ed-27,pp.373-379.1980)。1994年，陈福元、金文新、吴忠龙对联栅晶体管gat作了进一步的分析(见《电力电子技术》1994年第4期1994.11.pp52-55)，指出了联栅晶体管器件呈现出高耐压、快速开关和低饱和压降等优良特性。

联栅晶体管是双极管和静电感应晶体管的复合晶体管，是一种特殊的双极管。联栅晶体管也称为静电屏蔽晶体管。其栅区也称为厚基区或浓基区。

作为开关工作的联栅晶体管同常规的1300系列双极管的结构都是集电极金属层在下面，发射极金属层和基极金属层在上面，发射极金属层直接与发射区连接，基极金属层直接与基区连接，见图8(《电力电子技术》1994年第4期1994.11.pp52图1)，e代表发射极，图8显示，发射极金属层与n+型发射区连接。b代表基极，图8显示，基极金属层与p+型浓基区和p型基区连接。

开关工作的联栅晶体管和1300系列双极管一般都采用指叉形结构，发射极金属层与基极金属层平列排放。由于需要承受一定的电流，发射极金属层和基极金属层都有一定的宽度要求。又由于光刻腐蚀的限制，他们之间的距离也有一定的要求。因此，发射极金属层与基极金属层之间的重复间距就不可能太小。一般地，开关工作的联栅晶体管和1300系列双极管的单元重复间距都在120微米以上。这么大的单元重复间距造成两个不好的后果。一个是开关速度慢，因为单元重复间距大，充电和放电都受阻。另一个是电流不均匀，有严重的电流集边效应。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种双极管，它能够提供更均匀的电流分布，具有更快的开关速度，更强的抗冲击能力，能够做更大的功率，产品的成本更低廉。

为完成本发明的目的，本发明采用的技术方案是：

一种双极型管，在下层为n型低电阻率层、上层为n型高电阻率层的硅衬底片的上表面有多个由n型发射区、p型基区、p型浓基区组成的条带，每个条带中的n型发射区的上面与发射极金属层连通，n型发射区的下面有p型基区，p型基区的侧面连着掺杂浓度比基区高的p型浓基区，p型浓基区与p型浓基区汇流条正交，硅衬底片的上方有基极金属层，硅衬底片的上层n型高电阻率层位于p型基区和p型浓基区以下的部分为集电区，硅衬底片的n型低电阻率层为集电极，集电极的下表面与集电极金属层相连，其特征在于：所述基极金属层与p型浓基区汇流条的上表面相连接；所述发射极金属层压焊块有2个或2个以上；所述条带的重复间距小于300μm。

优选地：

所述基极金属层压焊块有2个或2个以上。

所述p型浓基区是平面型的。

所述p型浓基区是槽型的。

所述n型发射区的上面与发射极金属层直接连接。

所述n型发射区的上面与发射极金属层间接连接，二者之间夹一掺杂多晶硅层。

所述p型浓基区的上面与n型发射区相连接。

所述p型浓基区的结深比p型基区的结深深。

所述p型浓基区的结深比p型基区的结深浅。

所述硅衬底片的晶向为(111)。

其中，上述n型发射区的上面与发射极金属层连通是指电学意义上的连通，即n型发射区的上面与发射极金属层是导电的。从物理结构看，可以是n型发射区上面直接连接发射极金属层，也可以是n型发射区上面间接连接发射极金属层，二者间为掺杂多晶硅层。

本发明的改进之处在于：把现有技术的发射区、发射区上面连接发射极金属层与基区、基区上面连接基极金属层呈指叉形的结构改成多个由发射区、基区、浓基区组成的条带、条带上面与发射区连通的发射极金属层与由浓基区汇流条、浓基区汇流条上面连接的基极金属层呈指叉形的结构。

与管芯面积相同的市售的13005双极管比较，本发明的双极管的存储时间ts仅0.5μs，13005的ts达到2.0μs。证明本发明的多条带结构的双极管比已有技术的双极管的开关速度快得多。

用复合版的方式把多种版图结构做在同一个芯片上。然后封装成不同的双极管，上机比较发现，多个压焊块的多条带结构的双极管比单个压焊块的多条带结构的双极管的性能强得多，条带的重复间距小的多条带结构的双极管比条带的重复间距大的多条带结构的双极管性能强得多。

在多条带结构的双极管中，集电极-发射极电流从每个条带上面的y方向的发射极金属层流进x方向的发射极金属层主干线，然后从x方向的发射极金属层主干线进入发射极压焊块。基极电流从基极压焊块流出，经过x方向的基极金属层主干线流入y方向的基极金属层支干线，再从y方向的基极金属层支干线通过p型浓基区汇流条沿着x方向进入p型浓基区。

在多条带结构的双极管中，采用n(n>1)个发射极压焊块的结构，流进一个发射极压焊块的集电极-发射极电流只有单发射极压焊块结构的1/n。而且，沿着x方向从发射极金属层主干线流向发射极压焊块的集电极-发射极电流流过的途径也缩短很多，多发射极压焊块结构的集电极-发射极电流流过的途径大约是单发射极压焊块结构的1/n。这两个因素使得多发射极压焊块的多条带结构的双极管跟单发射极压焊块结构相比较，在x方向的发射极金属层主干线各部位之间的发射极电位差显著降低。各条带之间的集电极-发射极电流的均匀性将显著提高。

条带内集电极-发射极电流在x方向的均匀性主要地由浓基区各个部位的基极电位的均匀性决定。它取决于两个因素，一个是在浓基区沿x方向流动基极电流的大小，另一个是在浓基区沿x方向流动的基极电流的途径长短。显然，条带的重复间距越小，条带的数量就越多，每一条基极金属层支干线所通过的基极电流就越小。因而从浓基区汇流条沿x方向进入浓基区的基极电流就越小。而且，条带的重复间距越小，条带就越窄，从浓基区汇流条沿x方向进入浓基区的基极电流的流经途径也越短。这两个因素共同作用下，沿x方向的浓基区各个部位之间的基极电位差显著降低，条带内的集电极-发射极电流的均匀性就越好。

总之，多个发射极压焊块能够改善发射极金属层主干线各个部位的发射极电位的均匀性从而增加条带之间的集电极-发射极电流的均匀性，条带的重复间距减小能够改善浓基区各个部位的基极电位的均匀性从而增加条带内部的集电极-发射极电流的均匀性。

多个基极压焊块通过改善基极金属层主干线各部位的基极电位的均匀性也能够增加条带之间的集电极-发射极电流均匀性，不过，其作用比多个发射极压焊块要小得多，因为基极电流比发射极电流小得多。

本发明的技术方案与已有技术相比较，有下列优点：

第一，具有更高的开关速度，因而动态功耗更小，管温更低。

第二，具有更均匀的电流分布，抗冲击能力更强，功率更高。

第三，能够做更大的功率。

第四，成本低廉。

附图说明

图1为本发明的一个优选实施例的结构示意图。

图2为图1所示实施例的一个管芯的多条带的n型发射区、p型基区、p型浓基区、p型浓基区汇流条部分的整体示意图。

图3为图1所示实施例的一个管芯的带金属层和压焊块的整体示意图。

图4为图2所示实施例沿a-a剖面带有基极金属层的结构示意图。

图5为本发明的另一个优选实施例的结构示意图。

图6为本发明的再一个优选实施例的结构示意图。

图7为本发明的又一个优选实施例的结构示意图。

图8是现有技术的双极管的结构示意图。

附图标记

1：发射极金属层；2：p型基区；3：n型发射区；4：硅衬底片；41：n型高电阻率层；42：n型低电阻率层；5：硅槽；6：p型浓基区；61：p型浓基区汇流条；7：氧化层；8：集电极金属层；9：掺杂多晶硅层；10：基极金属层；11：发射极压焊块；12：基极压焊块。

具体实施方式

图1为本发明的双极管的一个实施例的结构示意图。所示结构包括，在下层为n型低电阻率层42、上层为n型高电阻率层41的硅衬底片4的上表面有高掺杂浓度的n型发射区3，该n型发射区3的上面与发射极金属层1连接，n型发射区3的下面有p型基区2，p型基区2的侧面连着掺杂浓度比p型基区2高的p型浓基区6，p型浓基区6与p型浓基区汇流条61正交，硅衬底片4的上方有基极金属层10，硅衬底片4的上层n型高电阻率层41位于p型基区2以下和p型浓基区6以下的部分为集电区，为厚度60μm电阻率55ω·cm的n型硅。硅衬底片4的下层n型低电阻率层42为集电极，为厚度420μm电阻率0.01ω·cm的n型硅，集电极的下表面与集电极金属层8相连。p型浓基区的宽度是4μm，浓基区的重复间距是14μm，发射区的宽度是6μm。该双极管有8个条带，条带的重复间距约270μm，发射极压焊块2个，基极压焊块1个。管芯面积2.5mm*2.5mm。

图2为图1所示实施例的一个管芯多条带的n型发射区3、p型基区2、p型浓基区6、p型浓基区汇流条61部分的整体示意图。由图2可以看出多条p型基区2与p型浓基区6平行相隔排列(沿x方向)，与p型浓基区汇流条61(沿y方向)正交，在管芯上边缘部分p型基区2及p型浓基区6，与p型浓基区汇流条61平行。因为p型浓基区与p型浓基区汇流条的结构是一样的，是由同一次光刻工艺制作得到的，所以，在图2中，p型浓基区与p型浓基区汇流条的图案是一样的。一排排的横条是p型浓基区，宽的竖条和管芯图形的上部分是p型浓基区汇流条。

图3与图2表示的是同一个管芯整体示意图，为该管芯的发射极金属层和发射极压焊块以及基极金属层和基极压焊块的整体示意图。图3只画出了发射极金属层1和发射极压焊块11以及基极金属层10和基极压焊块12。图2和图3两个示意图没有把高压环终端和划片道画上。

由于管芯中部正交关系p型基区2、p型浓基区6，与p型浓基区汇流条61无法在一张体现结构的图1同时显示，因此选用沿a-a剖面p型浓基区汇流条附近(p型浓基区6与p型浓基区汇流条61平行)的部分来显示浓基区汇流条61与基极金属层10的连接，如图4所示。

图5所示的本发明技术方案的实施例的结构的特点是：p型浓基区6是槽型结构。槽型浓基区结构的双极管具有更好的夹断作用，抗冲击能力更强。

图6所示的本发明技术方案的双极管的结构的特点是：n型发射区3的上面通过掺杂多晶硅9与发射极金属层1连接，这种结构的稳定性好。

图7所示的本发明技术方案的双极管的结构的特点是：p型浓基区6的上面与n型发射区3相连接，这种结构能够节省1次光刻工艺，而且能够做到发射区与基区自对准，芯片内部电流均匀，抗冲击能力更强。

本发明的p型浓基区的结深可以比p型基区的结深深，这种结构在转关时的夹断能力更强，可靠性更高。

本发明的p型浓基区的结深可以比p型基区的结深浅，这种结构的电流能力大，功率做得高。

本发明的硅衬底的晶向是(111)。(111)晶向为密排面，光刻图形容易腐蚀。

本发明的发射区的形状可以为条形、正方形、六角形、圆形或其他形状，通常采用条形。为简便，说明书的多处描述采用了发射区为条形，基区为条形，浓基区为条形，由互相正交的浓基区和浓基区汇流条围成的区域为条形。

实施效果：

1开关电源应用对比试验

用图1所示的本发明技术实施例(称为a管)与市售的13009双极管(称为b管)比较。

a管的管芯面积2.5mm*2.5mm，8个条带，2个发射极压焊块，to-126封装，b管的管芯面积4.06mm*4.06mm，to-220封装，用于250w的开关电源。

结果，在正常工作状态下，测试管温。a管的管温46℃，b管的管温64℃。

2led应用对比试验

用图6所示的本发明技术实施例(称为c管)与市售的13005双极管(称为d管)比较。

c管的管芯面积1.1mm*1.1mm，14个条带，2个发射极压焊块，to-126封装，d管的管芯面积2.5mm*2.5mm，to-220封装，用于50w的led。

结果，在正常工作状态下，测试管温。a管的管温70℃，b管的管温80℃。

3节能灯应用对比试验

用图7所示的本发明的实施例(称为e管)，与市售的13003双极管(称为f管)进行比较。

e管的管芯面积0.6mm*0.6mm，8个条带，2个发射极压焊块，to-92封装，d管的管芯面积1.6mm*1.6mm，to-126封装，用于25w的螺旋灯。

用300vac连续开关冷冲，e管冲击3000次不坏，f管冲击800次炸管。

总之，在高达年百亿元人民币的节能灯、led、手机充电器、开关电源和小家电等领域的功率晶体管市场中，本发明技术与已有技术的1300系列双极管相比较，管芯只有后者的1/4-1/6，管壳小一号，其节能省材的社会效益和高性价比的经济效益非常显著。

需要申明的是，上述实施例仅用于对本发明进行说明而非对本发明进行限制，因此，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明精神和范围的情况下对它进行各种显而易见的改变，都应在本发明的保护范围之内。