BJT辅助的改进型GTO结构、控制方法及制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种BJT辅助的改进型GTO结构、控制方法及制备方法。

背景技术：

现代电力电子技术经过三十多年的发展已经成为一个涉及领域广阔的独立而日趋成熟的重要学科，其无论对传统工业的改造还是对高新技术产业的发展都有着至关重要的作用。它涉及的应用领域涵盖了国民经济的各个工业部门，是21世纪的重要关键技术之一。电力电子器件是电力电子技术的重要基础，是应用电力电子技术进行电能变换和控制的核心元件。电力电子器件经过几十年的发展已经逐步成熟，尤其是Si基电力电子器件的发展已经达到了Si材料的理论极限，为了发展更高性能的电力电子器件。

当前国际上普遍采用SiC和GaN作为Si的替代材料来获得更高性能的电力电子器件。然而，虽然SiC和GaN材料具有较宽的禁带，更适合做高压器件，但是本征载流子浓度低，内建电势较高，导致其制备的单个PN结的正向导通压降也很大，达2.8V。GTO广泛应用于高压大电流的大功率系统中，其半元胞结构参见图2且伏安特性曲线参见图4，但GTO的正向导通压降较大，尤其是宽禁带的GTO器件，其开启电压达到2.8V，使功率器件的正向导通损耗较大。BJT通常用于中小功率系统中，具有开关速度快等优点，BJT的增益有限，导通大电流时需要较大的基极注入电流，导致驱动损耗大，其半元胞结构参见图1且伏安特性曲线参见图3，因此，现有的电力电子器件中没有既适用于小电流又适用于大电流的宽应用范围的器件，无法适应负载变化较大的系统。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种BJT辅助的改进型GTO结构、控制方法及制备方法，功耗低且开关速度快，能够满足在小电流工作模式(BJT模式)和大电流工作模式(GTO模式)之间切换，一方面有利于减小了器件的功率损耗，另一方面有效提高了原有的GTO的开关速度，因此该器件适用于负载变化大的电力电子系统。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种BJT辅助的改进型GTO结构，GTO器件是通过工艺单片集成的方式将门极关断晶闸管GTO和双极结型晶体管BJT进行并联集成的半导体器件；

并联的GTO与BJT共享电极，且所述电极包括阴极、阳极及门极。

进一步的，所述GTO为P型门极关断晶闸管，所述BJT为PNP型双极结型晶体管，且P型GTO与PNP型BJT并联。

进一步的，由并联的P型GTO与PNP型BJT组成的所述器件包括：

依次连接的P型集电区、N型基区、P型漂移区、N型发射区及P型发射区；

且P型集电区为所述器件的阳极，N型基区中包括所述GTO结构的门极，N型发射区及P型发射区均为所述器件的阴极。

进一步的，所述GTO为N型门极关断晶闸管，所述BJT为NPN型双极结型晶体管，且N型GTO与NPN型BJT并联。

进一步的，由并联的N型GTO与NPN型BJT组成的所述器件包括：

依次连接的N型发射区、P型基区、N型漂移区、P型集电区及N型集电区；

且N型发射区为所述器件的阴极，P型基区中包括所述器件的门极，P型集电区及N型集电区均为所述器件的阳极。

一方面，本发明提供了一种所述的GTO结构的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

根据施加在所述器件的阳极和阴极之间正偏置电压的变化，控制所述器件以所述BJT的工作模式导通，或者以所述BJT与GTO共同开启的工作模式进行导通。

进一步的，所述根据施加在所述器件的阳极和阴极之间正偏置电压的变化，控制所述器件以所述BJT的工作模式导通，或者以所述BJT与GTO共同开启的工作模式进行导通，包括：

步骤1.在所述器件的阳极和阴极之间加上正偏置电压，使得所述器件处于正向阻断状态；

步骤2.在门极和阴极之间施加正偏置电压且正向偏置电压低于GTO的开启电压，所述BJT开启工作模式，使得所述器件以所述BJT的工作模式导通；

步骤3.在流过所述器件的电流增大使得所述器件阳极和阴极两端的所述正偏置电压等于或高于GTO的开启电压，所述GTO开启工作模式，并与所述BJT同时工作。

进一步的，所述方法还包括：

在所述器件的门极和阴极之间施加反偏置电压，流经所述器件的门极电流为负电流，使得所述器件关断。

另一方面，本发明提供了一种所述的GTO结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

制作一个新型功率半导体器件，在现有的门极关断晶闸管GTO或双极结型晶体管BJT功率半导体器件制备过程中，增加一步在背面部分注入和当前器件背面掺杂类型相反的杂质的工艺步骤，形成新型功率半导体器件结构。

进一步的，所述制作一个BJT辅助的改进型GTO结构，在现有的门极关断晶闸管GTO或双极结型晶体管BJT功率半导体器件制备过程中，增加一步在背面部分注入和当前器件背面掺杂类型相反的杂质的工艺步骤，形成BJT辅助的改进型GTO结构，包括：

步骤A.预处理晶圆，并在预处理后所述晶圆上多次刻蚀形成正面图形；

步骤B.在晶圆正面上进行多次离子注入，得到门极接触窗口及终端结构；

步骤C.若当前半导体为BJT，则在BJT的背面部分注入和原有掺杂类型相反的杂质，使得原有的BJT结构中形成GTO；若当前半导体为GTO，则在GTO的背面部分注入和原有掺杂类型相反的杂质，使得原有的GTO结构中形成BJT；

步骤D.对注入的离子进行退火激活，并完成牺牲氧化、金属接触工艺，表面钝化工艺以及金属互连工艺，并形成最终的金属电极。

由上述技术方案可知，本发明所述的一种BJT辅助的改进型GTO结构、控制方法及制备方法，该BJT辅助的改进型GTO结构为通过工艺单片集成的方式将门极关断晶闸管GTO和双极结型晶体管BJT集成的半导体器件；并联的GTO与BJT共享电极，且所述电极包括阴极、阳极及门极。本发明能够满足在小电流工作模式(BJT模式)和大电流工作模式(GTO模式)之间切换，一方面有利于减小了器件的功率损耗，另一方面有效提高了原有的GTO的开关速度，因此该器件很适用于负载变化大的电力电子系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的传统BJT结构的半元胞结构图；

图2是现有技术中的传统GTO结构的半元胞结构图；

图3是现有技术中的传统结构的SiC BJT的伏安特性曲线图；

图4是现有技术中的传统结构的SiC GTO的伏安特性曲线图；

图5是本发明实施例一中的一种BJT辅助的改进型GTO结构的结构示意图；

图6是本发明实施例二中的BJT辅助的改进型GTO结构的第一种具体实施方式的结构示意图；

图7是本发明实施例三中的BJT辅助的改进型GTO结构的第二种具体实施方式的结构示意图；

图8是本发明所述器件的应用例中的BJT辅助的改进型GTO结构的等效结构图；

图9是本发明所述器件的应用例中的BJT辅助的改进型GTO结构的等效电路图；

图10是本发明所述器件的应用例中的BJT辅助的改进型GTO结构的伏安特性曲线图；

图11是本发明实施例四中的BJT辅助的改进型GTO结构的控制方法的一种具体实施方式的结构示意图；

图12是本发明实施例五中的BJT辅助的改进型GTO结构的制备方法的一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例一提供了一种BJT辅助的改进型GTO结构。参见图5，该BJT辅助的改进型GTO结构BJT辅助的改进型GTO结构具体包括如下内容：

GTO器件是通过工艺单片集成的方式将门极关断晶闸管GTO和双极结型晶体管BJT进行并联集成的半导体器件；

所述GTO与BJT并联，且并联后所述GTO与BJT共享电极，且所述电极包括阴极Cathode、阳极Anode及门极Gate。

在上述描述中，在加载在BJT辅助的改进型GTO结构中的正向偏置电压低于GTO开启电压时，所述BJT正向导通且所述GTO处于正向阻断模式，在正向偏置电压等于或高于开启电压时，所述GTO及BJT同时处于正向导通状态，从元胞的角度来说，BJT辅助的改进型GTO结构可以看成在BJT的背面部分注入和背面原有掺杂类型相反的杂质，从而在原有的BJT结构中形成GTO；或者也可以看成在GTO的结构基础上通过掺杂引入BJT结构

从上述描述可知，本发明的实施例在一个BJT辅助的改进型GTO结构中集成了门极关断晶闸管GTO和双极结型晶体管BJT，该BJT辅助的改进型GTO结构能够在小电流时工作在BJT模式，在大电流时工作在GTO和BJT同时导通的模式，有效提高了器件的适用范围，而且通过反馈控制，器件可以跟踪负载的变化而自动改变工作模式。

本发明的实施例中提供了上述BJT辅助的改进型GTO结构的第一种具体实施方式。参见图6，该BJT辅助的改进型GTO结构具体包括如下内容：

并联的P型GTO与PNP型BJT，且该BJT辅助的改进型GTO结构依次连接的P型集电区、N型基区、P型漂移区、N型发射区及P型发射区。

在上述描述中，所述GTO为P型门极关断晶闸管，所述BJT为PNP型双极结型晶体管；且P型集电区为所述器件的阳极，N型基区中包括所述器件的门极，N型发射区及P型发射区均为所述器件的阴极。

从上述描述可知，本发明的实施例给出了BJT辅助的改进型GTO结构的一种具体结构，有效提高器件的工作效率。

本发明的实施例中提供了上述BJT辅助的改进型GTO结构的第二种具体实施方式。参见图7，该BJT辅助的改进型GTO结构具体包括如下内容：

并联的N型GTO与NPN型BJT，且该BJT辅助的改进型GTO结构依次连接的N型发射区、P型基区、N型漂移区、P型集电区及N型集电区。

在上述描述中，所述GTO为N型门极关断晶闸管，所述BJT为NPN型双极结型晶体管，且N型发射区为所述器件的阴极，P型基区中包括所述器件的门极，P型集电区及N型集电区均为所述器件的阳极。

从上述描述可知，本发明的实施例给出了BJT辅助的改进型GTO结构的另一种具体结构，使得实现该器件的方式多样性高且适用性强。

为进一步的说明本方案，本发明还提供了一种BJT辅助的改进型GTO结构用于多变化负载的BJT辅助的改进型GTO结构的具体应用例。参见图8至10，该BJT辅助的改进型GTO结构具体内容如下：

BJT辅助的改进型GTO结构从结构上可以看成是一个P型GTO和一个PNP型的BJT并联而成，且GTO和BJT共有所有的电极(P型结构BJT辅助的改进型GTO结构)；或者可以看成是一个N型GTO和一个NPN型的BJT并联而成，且GTO和BJT共有所有的电极(N型结构BJT辅助的改进型GTO结构)。以N型结构BJT辅助的改进型GTO结构为例，结构从上到下包括阴极金属、N型发射区、门极金属、P型基区、N型漂移区、P型集电区、N型集电区、阳极金属。

从上述描述可知，本发明的应用例有效提高了器件的适用范围。

本发明的实施例提供了上述BJT辅助的改进型GTO结构的控制方法的一种具体实施方式。参见图11，该控制方法具体包括如下内容：

根据施加在所述器件的阳极和阴极之间正偏置电压的变化，控制所述器件以所述BJT的工作模式导通，或者以所述BJT与GTO共同开启的工作模式进行导通，具体步骤如下：

步骤100：在所述器件的阳极和阴极之间加上正偏置电压，使得所述器件处于正向阻断状态。

步骤200：在门极和阴极之间施加正偏置电压且正向偏置电压低于GTO的开启电压，所述BJT开启工作模式，使得所述器件以所述BJT的工作模式导通。

步骤300：在流过所述器件的电流增大使得所述器件阳极和阴极两端的所述正偏置电压等于或高于GTO的开启电压，所述GTO开启工作模式，并与所述BJT同时工作。

步骤400：在所述器件的门极和阴极之间施加反偏置电压，流经所述器件的门极电流为负电流，使得所述器件关断。

从上述描述可知，本发明的实施例提供了BJT辅助的改进型GTO结构的一种控制方法，使得该BJT辅助的改进型GTO结构能够在小电流时工作在BJT模式，在大电流时工作在GTO和BJT同时导通的模式，有效提高了器件的适用范围。

为进一步的说明本方案，本发明还提供了上述器件控制方法的具体应用例，该控制方法具体内容如下：

以N型结构BJT辅助的改进型GTO结构为例，结构BJT辅助的改进型GTO结构的工作原理如下：

开通过程：首先在阳极和阴极之间加上正偏置，即U_AK＞0时，P型基区与N型漂移区间的PN结处于反偏状态，承担了外部的偏置电压，发射区不提供电子，整个器件不导通，处于正向阻断状态。此时在门极和阴极之间施加正向电压，即U_GK＞0，N型发射区和P型基区间的PN结正向偏置带来的少子注入效应使N型发射区的电子经过该PN结进入P型基区。随着电子深入P型基区，部分电子跟P型基区中的空穴复合，因复合而失去的空穴由门极注入电流补充。通常P型基区的厚度较小，大部分电子会到达N型漂移区和P型基区形成的PN结，在此处电子会被电场俘获，运送到N型漂移区，从而整个器件以BJT的模式导通。如果器件以BJT模式导通之后，流过器件的电流持续增大，器件阳极和阴极两端的压降随之增大，当电流达到某一临界值时，器件阳极和阴极两端的压降达到GTO的开启电压，将导致P型集电区和N型漂移区间的PN结正向导通，P型集电区的空穴大量涌入N型漂移区，在漂移区形成电导调制效应，流过整个器件的电流迅速增大，此时器件工作在GTO和BJT同时工作的模式。

关断过程：在门极和阴极之间施加反向电压，即U_GK＜0，此时N型发射区和P型基区间的PN结反向偏置，P型基区中的少子注入效应消失，同时剩余的载流子发生复合或者从门极被抽出，形成门极的负电流，同时P型基区与N型漂移区间的PN结回到承受外置反偏电压的状态，器件关断。

从上述描述可知，本发明的应用例以N型结构BJT辅助的改进型GTO结构为例，给出了结构BJT辅助的改进型GTO结构的工作原理及控制过程，有效提高了器件的适用范围，而且通过反馈控制，器件可以跟踪负载的变化而自动改变工作模式。

本发明的实施例中提供了上述BJT辅助的改进型GTO结构的制备方法的一种具体实施方式。参见图12，该制备方法具体包括如下内容：

制作一个新型功率半导体器件，在现有的门极关断晶闸管GTO或双极结型晶体管BJT功率半导体器件制备过程中，增加一步在背面部分注入和当前器件背面掺杂类型相反的杂质的工艺步骤，形成新型功率半导体器件结构，具体步骤如下：

步骤A00：预处理晶圆，并在预处理后所述晶圆上多次刻蚀形成正面图形。

步骤B00：在晶圆正面上进行多次离子注入，得到门极接触窗口、终端结构。

步骤C00：若当前半导体为BJT，则在BJT的背面部分注入和原有掺杂类型相反的杂质，使得原有的BJT结构中形成GTO；若当前半导体为GTO，则在GTO的背面部分注入和原有掺杂类型相反的杂质，使得原有的GTO结构中形成BJT。

步骤D00：对注入的离子进行退火激活，并完成牺牲氧化、金属接触工艺，表面钝化工艺以及金属互连工艺，并形成最终的金属电极。

从上述描述可知，本发明的实施例提供了BJT辅助的改进型GTO结构的一种制备方法，使得该GTO结构能够在小电流时工作在BJT模式，在大电流时工作在GTO和BJT同时导通的模式，有效提高了器件的适用范围。

为进一步的说明本方案，本发明还提供了上述器件制备方法的具体应用例，该控制方法具体内容如下：

所述的BJT辅助的改进型GTO结构的制备方法和GTO或者BJT的制备工艺基本兼容，只需在GTO或者BJT的制备工艺流程中增加一步离子注入，具体的以兼容的NPN型的BJT制备工艺为例：制备BJT辅助的改进型GTO结构时只需要在BJT的制备流程中的基区离子注入后，增加一步，在背面部分区域中进行一步离子注入，然后进行退火激活，其他的工艺步骤可以直接沿用BJT的工艺流程。

S1、晶圆准备，以商业化的制备BJT的晶圆为例。

S2、采用丙酮进行10min有机超声清洗，然后用浓硫酸清洗表面，接着采用RCA标准晶圆清洗方法清洗晶圆，最后用10％的氢氟酸溶液浸泡5分钟，去除晶圆表面的氧化层薄膜。

S3、形成N型发射区台面：首先，在晶圆表面淀积一层金属或其他材料作为掩膜阻挡层，然后通过第一块掩膜版进行光刻转移得到N型发射区的图形，接着刻蚀掉多余的掩膜阻挡材料并去除光刻胶，得到掩膜图形，接着使用RIE或者ICP等设备或其他方法进行半导体材料刻蚀，在晶圆上形成N型发射区的图形，同时形成对准标记L0，最终去除掩膜阻挡层并清洗晶圆。

S4、形成P型基区台面：首先，在晶圆表面淀积一层金属或其他材料作为掩膜阻挡层，然后通过第二块掩膜版光刻转移得到P型基区的图形，接着刻蚀掉多余的掩膜阻挡材料并去除光刻胶，得到掩膜图形，接着使用RIE或者ICP等设备或其他方法进行半导体材料刻蚀，在晶圆上形成P型基区的图形，图形对准L0层对照标记，最终去除掩膜阻挡层并清洗晶圆。

S5、在P型基区进行离子注入：首先，在晶圆表面淀积一层金属或其他材料作为离子注入阻挡层，然后通过第三块掩膜版光刻转移得到P型基区的要进行离子注入的窗口图形，接着刻蚀掉多余的掩膜阻挡材料，形成离子注入阻挡窗口，然后在合适条件下进行离子注入，从而提高门极接触区域的掺杂浓度，便于形成欧姆接触并减小接触电阻。

S6、在终端区域进行离子注入：首先，在晶圆表面淀积一层金属或其他材料作为离子注入阻挡层，然后通过第四块掩膜版光刻转移得到终端结构的离子注入窗口图形，接着刻蚀掉多余的掩膜阻挡材料，形成离子注入阻挡窗口，然后在合适条件下进行离子注入，从而形成GR的终端结构，有效提高器件的耐压能力，最终去除晶圆表面的所有阻挡层材料并清洗晶圆。

S7、完成正面离子注入之后，在正面重新淀积一层SiO2和AlN或碳膜等作为表面高温退火时的保护层。

S8、在背面进行离子注入：首先，在晶圆背面淀积一层金属或其他材料作为离子注入阻挡层，然后通过第五块掩膜版光刻转移得到背面结构的离子注入窗口图形，接着刻蚀掉多余的掩膜阻挡材料，形成离子注入阻挡窗口，然后在合适条件下进行离子注入，形成结构所需的掺杂分布，最终去除晶圆表面的所有阻挡层材料并清洗晶圆；

S9、完成背面离子注入之后，在背面重新淀积一层SiO2和AlN或碳膜等作为表面高温退火时的保护层。

S10、进行离子注入后的高温退火，从而激活注入到半导体材料中的离子并使其再分布，退火完成后，去除保护层并清洗晶圆。

S11、在晶圆正面淀积一层SiO2作为牺牲氧化，然后淀积一层钝化层。

S12、形成正面P型欧姆接触：首先通过第六块掩膜版光刻转移得到正面P型欧姆接触窗口图形，接着刻蚀掉多余的牺牲氧化层和钝化层，形成P型欧姆接触窗口，接着在晶圆表面淀积接触金属，然后通过剥离工艺去除光刻胶和多余的金属，接着清洗并干燥晶圆，在合适的条件下进行金属化退火，形成P型欧姆接触。

S13、形成正面N型欧姆接触：首先通过第七块掩膜版光刻转移得到正面N型欧姆接触窗口图形，接着刻蚀掉多余的牺牲氧化层和钝化层，形成N型欧姆接触窗口，接着在晶圆表面淀积接触金属，然后通过剥离工艺去除光刻胶和多余的金属，接着清洗并干燥晶圆，在合适的条件下进行金属化退火，形成N型欧姆接触。

S14、形成背面欧姆接触：通过在晶圆背面淀积接触金属，并进行金属化退火，形成背面欧姆接触。

S15、在正面形成门极和阴极的层间隔离：首先在正面淀积较厚的层间介质，如BPSG等，然后通过第八块掩膜版光刻转移得到正面门极和阴极间的层间介质图形，接着刻蚀掉多余的层间介质，形成门极和阴极间的层间介质图形。

S16、在正面形成门极和阴极的金属互连：首先在正面整体淀积一层较厚的金属，如Al或Ag等，然后通过第九块掩膜版光刻转移得到正面门极和阴极的电极图形，接着通过刻蚀将门极和阴极的电极分开，形成器件的最外层金属电极，最后去除光刻胶并清洗器件表面，完成工艺。

在结构上，该BJT辅助的改进型GTO结构可以看成是GTO和BJT的并联，以N型结构BJT辅助的改进型GTO结构为例，结构从上到下包括阴极金属、N型发射区、门极金属、P型基区、N型漂移区、P型集电区、N型集电区、阳极金属。对于Si器件，PN结的正向导通压降是0.7V，对于SiC器件，PN结的正向导通压降达到2.8V，这些由PN结正向导通所产生的压降在器件正常导通时会带来额外的损耗。该新结构结合了BJT和GTO的优势，在较低正向偏置电压时，器件正常导通并工作在BJT的模式，减少了由于GTO正向导通压降大引起的较大的导通损耗，同时在大的正向偏置电压时，器件完全导通，工作在GTO和BJT同时工作的模式，为大电流的流通提供路径。，制备结构时其终端结构具有多样性，比如采用的终端结构可以是JTE、FLR、FP等或者不同终端结构的组合等。

本发明可以通过控制门极的输入电流来控制器件工作在BJT模式或者GTO和BJT同时工作的模式，这样不仅可以减小系统的损耗，还可以通过反馈控制使系统在轻载和重载条件下灵活切换，因此该器件特别适合于负载不断变化的系统。此外，该新结构的制备方法只需在现有成熟的GTO或BJT的工艺流程中加入一步离子注入工艺，因此可以与当前的GTO或BJT工艺兼容。

从上述描述可知，本发明的应用例提供了BJT辅助的改进型GTO结构的制备方法，制备过程简单，仅需在现有步骤上加入入住离子的过程，使得该BJT辅助的改进型GTO结构的制备快速且准确，节约了成本。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。