双极结型晶体管结构的制作方法

双极结型晶体管结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体功率晶体管的设计，具体但不排他地涉及半导体功率开关和继 电器。
【背景技术】
[0002] 传统的电源开关由具有金属化层并且有时具有用于场效应器件的薄氧化物层的 半导体材料的P和N型区域制造。本领域中众所周知的技术如双极结型晶体管（BJT)，结型 场效应晶体管（JFET)，金属氧化物场效应晶体管（M0SFET)和绝缘栅双极晶体管（IGBT)，其 通常切DC电压。而双向可控硅，可控硅整流器（SCR)以及改性的（典型地背对背）版本的 DC开关类型已被用于开关AC电源。无论在硅还是化合物半导体（例如具有碳化硅（SiC)) 上制造，所有这些标准器件在涉及到开关AC电源的共同任务时有一个或多个限制。
[0003] 这些限制导致以下的问题。
[0004]-缺乏AC开关能力。
[0005]-昂贵的半导体材料。
[0006]-复杂的半导体处理步骤。
[0007]-在导通时固有的电压降（典型值0.8至2. 5V)限制效率。
[0008]-缺乏断开能力-可以妨碍实现短路保护功能。
[0009] -复杂的高电压，高电流+ve和-ve基/栅极驱动器电路。
[0010] -对于高电压器件的高导通电阻。
[0011] 本发明的目的是解决上述问题。

【发明内容】

[0012] 所提出的新器件可在标准BJT制造器件上低成本制造，具有固有的AC开关能力和 简单的驱动要求。导通时的电压降在每cm2几十A时在100mV以下，并且利用单极性驱动 脉冲，器件可在随意开和关高电压而没有闭锁。以低成本微控制器相结合，这些开关可以在 不需要特殊的散热器或风冷的情况下进行用于智能电力，智能家电系统的高效率的主电压 开关，短路保护，负载诊断和数据记录功能。
[0013] 根据本发明，因此，提供一种双向双极结型晶体管（BJT)结构，包括：第一导电类 型的基极区域，其中，所述基极区域构成所述结构的漂移区域；第一和第二集电极/发射极 (CE)区域，所述第一和第二集电极/发射极区域中的每一个具有第二导电类型，并与所述 基极区域的相对端相邻；其中，所述基极区域相对于所述集电极/发射极区域被轻掺杂；所 述结构还包括：基极连接，连接到所述基极区域，其中所述基极连接在所述第一集电极/发 射极区域之内或与所述第一集电极/发射极区域相邻。
[0014] 应当理解的是，术语"漂移区域"指的是高电压维持区域，包括相对低的掺杂浓度。 在该期间的断开状态期间，漂移区域基本上完全耗尽。在常规高电压BJT中，集电极区域一 般充当高电压维持层。与此相反，厚的基极漂移区域作为高电压维持层。此外，在常规高电 压晶闸管中，主电流导电通常通过四个有源半导体层进行，例如，阴极（N)，栅极（P)，n漂移 (N)和阳极（P)。与此相反，本发明的双向器件提供通过三个有源层（即第一CE区域，基极 区域和第二CE区域）的电流导电。
[0015] 从广义上讲，基极连接和基极区域限定第二晶体管，其使得双向BJT结构能够在 以下情况下支持高电压：实际上，该结构的基极发射极结正向偏置，使得通过该结的高电流 原本将流动。该第二晶体管可以分别构成另一BJT或JFET，这取决于基极连接是在第一CE 区域内还是在第一CE区域附近/相邻。因此，当基极连接在第一CE区域内时，第二晶体管 是BJT晶体管，其中集电极/发射极端连接到基极连接并分别连接到基极、漂移区域，其基 极连接由双向BJT结构的第一CE区域形成。典型地，双向BJT结构的第一和第二CE区域 重掺杂，例如在l〇lscm3到1021cm3的范围内，而基极区域相比CE区域是轻掺杂。第一CE区 域可以横向扩展，以形成第二晶体管的基极。因此，例如，BJT结构的第一和第二CE区域可 以是N+类型，并且双向BJT结构的基极区域是P类型，第二晶体管可以是PNP晶体管，其基 极区域包括第一N+CE区域的优选相对较低掺杂的N扩展，第二晶体管的集电极/发射极端 包括P基极区域和基极连接。在优选的实施例中，基极连接是包括第一导电类型的区域的 欧姆连接，该区域典型地重掺杂，例如在l〇lscm3到1021cm3的范围内，如P+区域。
[0016] 在其他实施例中，第二晶体管是JFET，基极连接/欧姆接触（P+)和基极漂移区域 构成JFET的源极/漏极连接。所述JFET的栅极端由双向BJT结构的（重掺杂，N+)第一 CE区域形成。在这种情况下，（欧姆）基极连接与第一CE区域相邻（这里包括略微隔开）。 JFET的沟道区域位于（欧姆）基极连接和基极漂移区域之间，从而，实际上，JFET控制基极 连接和基底漂移区域之间的导电。
[0017]因此，可以理解的是，在有从基极区域到第二CE区域的正向导电路径的情况下， 第二晶体管有效地阻止了基本上可能是跨越在基极连接和第二CE之间出现的器件的高电 压的整个电压一一这原本将驱动大电流通过器件（这将损坏它）。取而代之地，当存在基极 区域和第二CE区域之间的正向导电路径（由基极区域上相对于第二CE区域的电压驱动） 时，基极连接和基极区域之间的正向导电路径包括基极区域的耗尽部分一一即该结构的基 极连接被基极区域的耗尽部分有效地隔离。因此，在接通期间，当高电压可以跨越第一和第 二CE区域出现时，基本上所有该电压也可以跨越基极连接和跨越基极耗尽区域的第二CE 区域之间出现。随着器件导通，跨越第一和第二CE端的电压将下降到非常低的电压，这不 再是一个潜在的问题。
[0018] 优选地，当基极区域和基极连接是p型并且所述第一和第二CE区域是η型时，在 BJT结构中发生下面的导通和断开状态：（1)当没有电压施加到任何端时，该结构可以是在 断开状态，以形成所述第一CE区域和基极区域之间和所述第二CE区域和基极区域之间的 耗尽区域；（2)当正电压被施加到所述第二CE区域并且没有电压施加到第一CE区域和基 极连接时，该结构是在断开状态，以形成所述第二CE区域和基极区域之间的耗尽区域；（3) 当负电压被施加到所述第二CE区域并且没有电压施加到第一CE区域和基极连接时，该结 构可以是在断开状态，以形成所述第一CE区域和基极区域之间的耗尽区域；(4)当第一正 电压被施加到所述第二CE区域，第二正电压被施加到基极连接并且没有电压施加到第一 CE区域时，该结构是在导通状态，其中来自第一CE区域的多数载流子通过基极区域流向第 二CE区域，来自基极连接的少数载流子被注入基极区域中，所述少数载流子在与第一CE区 域相邻的区域中与所述多数载流子重新结合；（5)当负电压被施加到所述第二CE区域，正 电压施加到基极连接并且没有电压施加到第一CE区域时，该结构是在导通状态，其中来自 第二CE区域的多数载流子通过基极区域CE区域流向第一CE区域，来自基极连接的少数载 流子被注入到基极区域，流向第二CE区域，所述少数载流子在与第二CE区域相邻的区域中 与所述多数载流子重新结合。这里多数载流子是电子，少数载流子是空穴。
[0019] 优选地，当基极区域和基极连接是η型，第一和第二CE区域是p型时，在BJT结构 中发生下面的导通和断开状态：（1)当没有电压施加到任何端，该结构可以是在断开状态， 以形成所述第一CE区域和基极区域之间和所述第二CE区域和基极区域之间的耗尽区域； (2)当正电压被施加到所述第二CE区域并且没有电压施加到第一CE区域和基极连接时，该 结构是在断开状态，以形成所述第一CE区域和基极区域之间的耗尽区域；（3)当负电压被 施加到所述第二CE区域并且没有电压施加到第一CE区域和基极连接时，该结构可以是在 断开状态，以形成所述第二CE区域和基极区域之间的耗尽区域；(4)当第一正电压被施加 到所述第二CE区域，负电压施加到基极连接并且没有电压施加到第一CE区域时，该结构是 在导通状态，其中来自所述第二CE区域的空穴通过基极区域流向第二CE区域，来自基极连 接的电子被注入到基极区域，电子在与第二CE区域相邻的区域中与空穴重新结合；（5)当 负电压被施加到所述第二CE区域，负电压施加到基极连接并且没有电压施加到第一CE区 域时，该结构是在导通状态，其中来自第一CE区域的空穴通过基极区域流向第二CE区域， 来自基极连接的电子被注入到基极区域，流向第一CE区域，电子在与第一CE区域相邻的区 域中与空穴重新结合。
[0020] 方便地，在一些优选实施例中，基极连接凹进到结构的表面-方便地，第一导电类 型的欧姆连接可以在第一CE区域的凹部内形成。方便地，凹部还可足以并入到欧姆例如Ρ+ 区域的金属连接。应当理解，所提出的器件中，基极区域可以是欧姆性的，以驱动包括第一 CE区域，基极区域和第二CE区域的主晶体管（而非第二晶体管）进入饱和区域，其中饱和 扩散和漂移电流均适用。
[0021] 应当理解，第一和第二CE区域的标记是任意的。尽管在一些优选的实施例中器件 是纵向器件，横向器件也可以制造。例如，第一和第二CE区域可以被制造在公共层中，彼此 横向移位，由在第一和第二CE区域下方设置的将这些区域彼此横向接合的基极区域分开。
[0022] 在一些优选实施例中，基极漂移区域在与CE区域相邻的区域的端部之间的方向 上比每个CE区域更宽。然而，在一些非常高电压器件中，CE区域本身可以是较宽的，包括 长（深）的扩散。在实施例中，基极连接和第二CE区域之间的导电路径的载流能力小于第 一和第二CE区域之间的连接路径的载流能力-即通过器件的主导电路径在第一和第二CE 区域之间，基极连接仅提供较小的基极电流。还应该理解的是，该结构是非闭锁的，即在从 基极连接移除电压时，第一和第二CE区域之间的连接断开（无需第一和第二CE区域之间 的电流变为零）。
[0023] 根据本发明的另一个方面，提供了一种双极结型晶体管（BJT)结构，包括：第一导 电类型的基极区域，其中，所述基极区域构成所述结构的漂移区域；第一和第二集电极/发 射极（CE)区域，所述第一和第二集电极/发射极区域中的每一个具有第二导电类型，并与 所述基极区域的相对端相邻；其中，所述基极区域相对于所述集电极/发射极区域被轻掺 杂；所述结构还包括：基极连接，连接到所述基极区域，其中所述基极连接在所述第一集电 极/发射极区域之内或与所述第一集电极/发射极区域相邻；以及第二导电类型的掩埋层， 设置在第二CE区域和基极区域之间。
[0024] 该双极结型晶体管结构可以被称为非绝缘栅控双极结型晶体管（NIGBT)。应该理 解的是，NIGBT器件优选操作于DC应用中，其中由于穿通结构，所述掩埋层可以有助于维持 高电压。该NIGBT结构也能够操作于AC模式。但是，在AC模式中，电压维持能力可以限于 一个方向（或在DC应用期间），因为该器件尝试耗尽高掺杂的掩埋层。
[0025] 根据本发明的另一个方面，提供了一种双极结型晶体管（BJT)结构，包括：第一导 电类型的基极区域，其中，所述基极区域构成所述结构的漂移区域，所述漂移区域是反向电 压维持区域；第二导电类型的发射极区域；第二导电型的集电极，所述集电极和发射极与 所述基极区域的相对端相邻；其中，所述基极区域相对于所述集电极和发射极区域被轻掺 杂；所述结构还包括：第一导电类型的基极连接区域，形成为与所述发射极区域相邻；以及 第一导电类型的场阻止层，形成在发射极区域和基极区域之间，所述基极连接在所述场阻 止层之内。
[0026] 场阻止层的掺杂浓度可以小于基极连接的掺杂浓度。场阻止层的厚度可以大于基 极连接的厚度。BJT结构可以被配置为使得在集电极和基极区域之间形成二极管。该二极 管可以被配置为当由驱动器电路驱动时作为反向导电二极管操作。驱动器电路可以包括软 件控制的驱动器，其可以允许BJT结构显示续流二极管的特性。软件控制的驱动器可以被 配置为使得续流虚拟二极管可能不允许大的反向电压发生。
[0027] 本发明可以提供驱动器电路，可操作地连接到上述BJT结构，所述驱动器电路包 括：第一PWM控制器和第二PWM控制器，第一PWM控制器和第二PWM控制器互相耦合，其中 第一PWM控制器能够控制低电压晶体管，第二PWM控制器是高频转换器。
[0028] 第二PWM控制器可以是使用电感器的降压转换器。跨越基极驱动电感的第一和第 二PWM控制器的交叉调制可以允许以高速开关能力对BJT结构进行连续动态电流控制。第 二PWM控制器的频率可以是使得断开时间与少数载流子（例如电子）寿命相比具有基本上 相似的量级，确保BJT结构的导电率在由第二PWM控制器控制的时段期间基本上保持恒定。 第二PWM控制器可以是相移控制器。驱动器电路可以进一步包括第三PWM控制器，第三PWM 控制器是相移控制器，其中第二和第三相移控制器中的每一个以晶体管的基极连接端上的 公共点来驱动电感器。第一PWM控制器可以耦合到晶体管的基极连接端，以驱动该晶体管。 第二和第三PWM控制器的多相位偏移产生相对高的有效频率，以匹配高速晶体管的减少的 少数载流子寿命。驱动器电路和BJT结构的组合可以被配置为提供反向导电二极管。
[0029] 当基极区域为p导电型时，驱动器可以被配置为检测基极的负电流，使得空穴可 以从第一CE区域和基极之间的结被拉出，以箝位负行程。
[0030] 基极区域的电流额定值基本上等于集电极或发射极的电流额定值，以便得到额定 电流基本上等于正向额定的反向续流二极管。
[0031] 基极区域可被配置成使用来自驱动器的M0SFET被箝位至接地。基极电流可以由 驱动器电路产生，以得到反向偏压的导通晶体管动作，以便将电流流动路径中的电压降降 至二极管的正常电压降以下。
[0032] -种计算机程序产品，包括其中存储有计算机程序的计算机可读介质，所述计算 机程序包括计算机可读代码，当由驱动器电路的控制器运行时，所述计算机可读代码使驱 动器电路作为上述驱动器电路操作，其中所述计算机程序存储在计算机可读介质上。
[0033]当控制器被配置为检测处于断开状态的BJT结构的电压时，所述计算机程序产品 可以被配置为导通BJT结构以模拟反向导电二极管动作。
[0034]在相关的方面，本发明提供了一种驱动器电路，具体用于如上所述结构，所述驱动 器电路包括：电压感测电阻器和电流感测电阻器，均耦合到CE区域之一（可选地耦合到相 同的区域）。微控制器被耦合到所述电阻器以接收相应电压感测和电流感测信号。在实施 例中，微控制器被配置成提供PWM(脉冲宽度调制）输出，用于控制通过感应进入该结构的 基极连接的电流。这种布置有利于沿限定的操作路径对器件进行精确控制。感测跨越器件 的电压和通过器件的电流，然后可以调整流入基极连接的电流，从而以受控的方式在导通 和断开配置之间移动器件。
[0035] 在另一方面，本发明还提供了一种断路器，包括：第一功率半导体开关器件和驱 动器电路，其中，所述断路器具有两个电源开关端子，并且还包括：电源；控制器，用于由所 述电源供电的所述功率半导体开关器件，其中所述电源与所述第一功率半导体开关器件在 所述电源开关端子之间串联耦合，以在所述功率半导体开关器件导通时从所述端子导出电 源，并且其中，所述电源包括第二开关器件，与所述第一功率半导体开关器件在所述电源开 关端子之间串联耦合，以使得断路器在没有单独电源的情况下可操作。
[0036] 在实施例中，通过采用第二开关器件与第一串联，通过功率开关器件（导通时）的 相对高的电流可以只用非常小的电压降被利用，以产生足够的功率用于驱动基极电流流入 器件。应该理解的是，当电源开关器件导通时，跨越两个电源开关端子的电压降应尽可能 低，并通过采用第二低电压开关器件与第一串联，可以以非常小的电压降，例如0.IV量级 来实现合理的功率，例如1W量级，而不浪费在例如引线电阻中。在优选实施例中，功率开关 器件是一种高电压器件，第二器件是低电压器件，具体形成DC-DC转换器的输入级的部分。 在这种情况下，功率器件指的是典型地与大于100V，500V或1000V范围内的电压，和或大于 1A，10A或100A的电流而操作的高电压器件。低电压器件通常操作于小于50V的电压，在实 施例中小于10V。
[0037]优选的是，该断路器可以任何一种方式围绕电路安装，因此电源开关端子之间的 电流流动的方向可能未道。在优选的实施例中，因此，电源是开关模式功率转换器，包括多 个低电压开关器件，被配置成对能量存储元件充电和放电，（电容器和/或电感器），使得控 制器的电源设置有相同的多个，无论以哪个方式断路器被连接到每个电路。因此，电源可进 一步包括传感器，用于感测电流流动的方向，以相应控制所述多个开关器件。概括地说，开 关被布置成使得无论电流沿哪个方向流动，能量储存元件的正极侧提供功率到控制器正极 线，反之亦然。这可以通过感测电流流过断路器的方向来实现，以便确定两个端子中的哪一 个相对于另一个是正，以使开关可以被相应地控制。优选地，所述电源还包括确保正确启动 断路器的装置。在实施例中，这包括存储电容器，由通过所述电源开关器件的漏电流（当电 源开关器件断开时）来充电。在实施例中，来自该漏电流的电源足以操作微控制器或其它 电路以在电源开关器件导通前感测电流流过断路器的方向，即断路器连接的方向，因此当 器件导通时可以自动启动的开关模式功率转换器，以提供正确极性的功率到控制器。
[0038]本发明还提供一种断路器，可操作地连接到上述BJT结构，断路器包括：输入电容 器，连接到CE区域；电感器，耦合到输入电容器；第一和第二开关器件，耦合到所述电感器； 第二电容器，耦合到所述第二开关器件；以及脉冲宽度调制（PWM)控制器，配置成控制第一 和第二开关器件。
[0039] 当正电压被施加到CE端子时，所述第一开关器件可以被配置为对电感充电，第二 开关器件可以被配置为对第二电容器充电。电感器的充电可通过控制PWM控制器的占空比 来控制。当负电压被施加到第一CE端时，所述第二开关器件和第二电容器可以与断路器断 开。
[0040] 上述断路器可以进一步包括：第三开关器件和第三电容器，第三开关器件和第三 电容器连接到第一开关器件、所述电感器和第一电容器。第三开关可以被配置为对所述第 三电容器充电。
[0041] 本发明可以进一步提供一种自举电路，可操作地连接到上述BJT结构，并且可操 作地连接到上述断路器，所述自举电路包括：第一二极管，与断路器的第二电容器耦合；第 二二极管，与断路器的第三电容器耦合，其中，所述自举电路被配置为通过所述第一和第 二二极管将正或负漏电流存储在第一和/或第三电容器中，从而导通双向BJT结构。
[0042] 自举电路可以进一步包括：泄流电阻器，以在有固有漏电流存在于BJT结构中的 情况下，提供足够的电流以导通BJT结构。
[0043] 自举电路可以进一步包括：辅助抽头电路，在过零时刻附近导通，以向BJT结构供 电。
[0044] 本发明可以进一步提供一种驱动器电路，可操作地连接到多个上述BJT结构，其 中每个BJT结构并排设置在芯片上，并且其中所述驱动器电路包括多个独立的PWM驱动器， 每个通过电感器独立地驱动每个BJT结构的基极连接。每个PWM驱动器可被配置为独立地 控制到基极连接的电流和BJT结构的开关时间。
[0045] 每个PWM驱动器可以被配置为使用不连续电流电感器驱动来控制BJT结构的导通 状态期间的电流。
[0046] 当从PWM驱动器的断开时间足够长以使电感器电流下降到零时，可能会出现不连 续电流模式。
[0047] 本发明可以进一步提供一种驱动器电路，可操作地连接到上述BJT结构，包括：电 阻性数模控制器（DAC)，用于控制BJT结构的基极的电流。该DAC可以被配置为根据控制程 序来控制BJT结构的基极电流，所述控制程序响应于BJT结构的测量的操作条件。
[0048] 本发明可以进一步提供一种矩阵转换器，包括上述BJT结构的阵列，矩阵转换器 还包括：控制电路，包括多个通道，所述多个通道被配置为控制BJT结构的阵列的开关。
[0049] 本发明还可以包括用于低漏电流应用的继电器电路，所述继电器电路包括上述 BJT结构，继电器电路还包括：负载电阻器；以及与负载电阻器并联布置的开关器件，其中， 所述开关器件被配置为在断开操作过程中，旁路来自BJT结构的任何泄漏电流绕过负载电 阻器。
[0050] 继电器电路可以进一步包括与负载电阻器耦合的另一开关器件，所述另一开关器 件被配置成获得进入负载电阻器的微微安培级的漏电流。
[0051] 本发明可以进一步提供驱动器芯片，可操作地连接到上述BJT结构，并且可以包 括上述驱动器电路，其中，驱动器芯片被配置为应用在制造该驱动器芯片的部件后确定的 预编程的系数。
[0052] 第一PWM控制器可以被配置为基于驱动器芯片的校准参数来改变BJT结构的不同 区域的相位，以便允许包括BJT结构的大管芯导通和/或断开，以补偿例如载流子寿命和/ 或掺杂水平的差异。
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