一种适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管

本发明属于功率半导体，更具体地，涉及一种适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管。

背景技术：

1、功率半导体器件作为脉冲技术领域的核心开关器件，其性能决定整个脉冲系统的输出性能。功率半导体的开关速度、耐压能力和通流能力是脉冲开关的核心参数。

2、雪崩晶体管作为一种应用于ns级和ps级脉冲功率系统的超高速、快前沿半导体脉冲功率器件，具有高速、高可靠性等一系列优异特性。目前雪崩晶体管的常规应用是通过基极触发开通，其开通时间在数十纳秒以上。而应用于快前沿脉冲发生器电路中的雪崩晶体管，常将其基射极短接，并利用电压脉冲触发，使其产生非常快的开通速度，其开通时间往往在亚纳秒以内。

3、目前的雪崩晶体管结构设计还是考虑应用于常规基极触发开通状态，并未考虑应用更广的电压脉冲触发超快速开通状态。然而，基射极短接，电压脉冲触发状况下的雪崩晶体管常出现提前开通、过压开通不均匀的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，能有效提高雪崩晶体管的耐电压脉冲能力，解决传统雪崩晶体管在电压脉冲触发下提前开通，过压开通不均匀的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，包括由下至上依次设置的集电区电极、集电极区n+衬底层、集电极区n0外延层、p+基区层及n+发射区层，其中，所述p+基区层旁设有环状深阱结构，深阱结构的内圈靠近p+基区层的曲边界设置，深阱结构的底部为所述集电极区n0外延层和集电极区n+衬底层的交界处，且深阱结构采用的填充物为钝化材料sio2-si3n4；所述n+发射区层上覆盖一层掺氧半绝缘多晶硅层，且所述掺氧半绝缘多晶硅层的掺氧量在25％～30％；

3、所述超快速雪崩晶体管还包括圆形状的基区电极和发射区电极，所述集电极区n0外延层的表面覆盖一层氧化层，氧化层上覆盖有金属场板，所述金属场板分别与所述基区电极和掺氧半绝缘多晶硅层相接触，所述金属场板的底部穿过氧化层与p+基区层接触，所述发射区电极的底部穿过所述掺氧半绝缘多晶硅层与n+发射区层接触。

4、在其中一个实施例中，所述集电极区n+衬底层的材料为n型si-p，其n+掺杂浓度为1*1019cm-3～1*1022cm-3，且所述集电极区n+衬底层的厚度为100μm～1μm。

5、在其中一个实施例中，所述集电极区n0外延层的材料为n型si-p，其n0掺杂浓度为1*1014cm-3～1*1016cm-3，且所述集电极区n0外延层和所述深阱结构的厚度均为100μm～200μm。

6、在其中一个实施例中，所述p+基区层的材料为p型si-b，其p+掺杂浓度为1*1019cm-3～1*1022cm-3，且所述p+基区层的厚度为5μm～20μm，表面积为1μm 2～100cm2；所述深阱结构的宽度为10μm～20μm。

7、在其中一个实施例中，所述n+发射区层的材料为n型si-p，其n+掺杂浓度为1*1019cm-3～1*1022cm-3，且所述n+发射区层的厚度为1μm～10μm。

8、在其中一个实施例中，所述氧化层采用sio2氧化层，所述氧化层的厚度为5μm～10μm。

9、在其中一个实施例中，所述掺氧半绝缘多晶硅层采用siox硅和硅的氧化物复合体，所述掺氧半绝缘多晶硅的厚度为5μm～10μm。

10、在其中一个实施例中，，所述集电区电极、基区电极和发射区电极的材料均采用al和au中至少一种以上的金属，所述集电区电极、基区电极和发射区电极的厚度均为0.5μm～50μm。

11、在其中一个实施例中，所述金属场板的材料为al。

12、本发明提供的适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，具有如下效果：

13、(1)在雪崩晶体管中的p+基区层30与集电极区n0外延层20交界处设置环状深阱结构，由于该环状深阱结构设立在p+基区层30旁边，可使曲边扩散边界(图3中标号b所示范围)被深阱结构代替，可解决p+基区层30中的p型杂质由于热过程产生的横向扩散问题，避免曲边扩散边界的出现；同时深阱结构内部填充钝化层材料sio2-si3n4，由于sio2-si3n4导电性微弱，可避免电场集中在p+n0结边缘，使得电场分布更均匀；可有效解决雪崩晶体管在电压脉冲触发工况下，器件内部p+基区层30外边界曲边电场尖峰聚集的问题，从而解决高峰值不均电场导致器件不均匀击穿的问题，从而使雪崩晶体管在电压脉冲触发时内部电场分布更均匀，dv/dt耐量更高。

14、(2)在雪崩晶体管中的n+发射区层40上覆盖一层掺氧半绝缘多晶硅层80，由于该掺氧半绝缘多晶硅层80设立在p+基区层30上，并与金属场板70相接触，同时接触发射极94，由于掺氧半绝缘多晶硅层的掺氧量在25％～30％，使得掺氧半绝缘多晶硅层80具有微弱导电性，可使得雪崩晶体管在电压脉冲触发时p+基区内的部分漏电流通过掺氧半绝缘多晶硅层80流通至发射区电极94，从而减少了n+发射区层40上的载流子注入量，减缓了由n+发射区层40注入载流子发生碰撞电离的程度，从而使得雪崩晶体管在电压脉冲触发时的dv/dt耐量增加，避免雪崩晶体管的提前开通，从而增大雪崩晶体管过压开通时的耐压值。雪崩晶体管电压脉冲触发时承受的电压越高，碰撞电离程度越剧烈，从而提高了雪崩晶体管的过压开通速度。

技术特征：

1.一种适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，其特征在于，包括由下至上依次设置的集电区电极、集电极区n+衬底层、集电极区n0外延层、p+基区层及n+发射区层，其中，所述p+基区层旁设有环状深阱结构，深阱结构的内圈靠近p+基区层的曲边界设置，深阱结构的底部为所述集电极区n0外延层和集电极区n+衬底层的交界处，且深阱结构采用的填充物为钝化材料sio2-si3n4；所述n+发射区层上覆盖一层掺氧半绝缘多晶硅层，且所述掺氧半绝缘多晶硅层的掺氧量在25％～30％；

2.根据权利要求1所述的适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，其特征在于，所述集电极区n+衬底层的材料为n型si-p，其n+掺杂浓度为1*1019cm-3～1*1022cm-3，且所述集电极区n+衬底层的厚度为100μm～1μm。

3.根据权利要求1所述的适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，其特征在于，所述集电极区n0外延层的材料为n型si-p，其n0掺杂浓度为1*1014cm-3～1*1016cm-3，且所述集电极区n0外延层和所述深阱结构的厚度均为100μm～200μm。

4.根据权利要求1所述的适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，其特征在于，所述p+基区层的材料为p型si-b，其p+掺杂浓度为1*1019cm-3～1*1022cm-3，且所述p+基区层的厚度为5μm～20μm，表面积为1μm 2～100cm2；所述深阱结构的宽度为10μm～20μm。

5.根据权利要求1所述的适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，其特征在于，所述n+发射区层的材料为n型si-p，其n+掺杂浓度为1*1019cm-3～1*1022cm-3，且所述n+发射区层的厚度为1μm～10μm。

6.根据权利要求1所述的适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，其特征在于，所述氧化层采用sio2氧化层，所述氧化层的厚度为5μm～10μm。

7.根据权利要求1所述的适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，其特征在于，所述掺氧半绝缘多晶硅层采用siox硅和硅的氧化物复合体，所述掺氧半绝缘多晶硅的厚度为5μm～10μm。

8.根据权利要求1所述的适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，其特征在于，所述集电区电极、基区电极和发射区电极的材料均采用al和au中至少一种以上的金属，所述集电区电极、基区电极和发射区电极的厚度均为0.5μm～50μm。

9.根据权利要求1所述的适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，其特征在于，所述金属场板的材料为al。

技术总结
本发明公开了一种适用于电压脉冲触发的超快速雪崩晶体管，包括由下至上设置的集电区电极、集电极区n+衬底层、集电极区n0外延层、p+基区层及n+发射区层，p+基区层旁设有环状深阱结构，深阱结构采用SiO<subgt;2</subgt;‑Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;；还包括基区电极和发射区电极，集电极区n0外延层的表面覆盖一层氧化层，氧化层上覆盖有金属场板，金属场板与基区电极接触，金属场板的底部穿过氧化层与p+基区层接触，n+发射区层表面覆盖一层掺氧半绝缘多晶硅层，发射区电极的底部穿过掺氧半绝缘多晶硅层与n+发射区层接触。本发明能有效提高雪崩晶体管在基射极短接，电压脉冲触发时的动态开通速度，优化基于雪崩晶体管的脉冲发生器的电压输出上升沿特性。

技术研发人员：梁琳,温凯俊
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12