一种碳化硅双极结型晶体管的制作方法
【专利摘要】本发明属于高功率半导体技术领域，具体的说涉及一种碳化硅双极结型晶体管。本发明主要通过在BJT的发射极1边缘与基极欧姆接触之间的外基区设置第二P+层9，第二P+层9为P型重掺杂层，可通过离子注入工艺形成，因为P性基区4位P型轻掺杂层，第二P+层9与P型基区4之间会形成一个由轻掺杂层指向重掺杂层的电场，该电场会阻止基区少子(电子)向外基区表面扩散，减小了外基区表面的电子浓度，降低了电子与空穴的复合率，减小界面态所导致的复合电流，从而提高器件的电流增益。
【专利说明】
一种碳化硅双极结型晶体管
技术领域
[0001]本发明属于高功率半导体技术领域，具体的说涉及一种碳化硅双极结型晶体管。
【背景技术】
[0002]宽禁带半导体材料SiC是制备高压电力电子器件的理想材料，碳化硅(SiC)双极结型晶体管(BJT)是重要的常关型器件之一，在万伏级高耐压电力电子器件领域具有优势。相对Si基三极管，SiC BJT具有更低的导通电压，不存在二次击穿现象等优点；SiC BJT避免了常开型器件SiC JFET的栅极驱动问题，没有SiC IGBT导通损耗大的缺点，不存在SiCMOSFET因为栅介质稳定性差及沟道迀移率低而使器件工作条件受到限制的问题。
[0003]SiC/Si02高界面态的存在会导致SiC MOSFET的栅介质不稳定，沟道迀移率低等不良影响;对于SiC BJT，高界面态会成为复合中心，导致大量的电子和空穴在界面处复合产生复合电流，降低器件的电流增益，并导致器件性能退化。美国专利号US8378390提出了一种新结构的碳化硅双极结型晶体管，来减小SiC/Si02高界面态导致的复合电流，其基本原理是:在SiC BJT的发射极台面边缘与基极欧姆接触之间的外基区，利用Si02介质层上的金属、Si02介质层以及外基区三者形成MOS结构，利用BE结偏置电压控制MOS结构衬底表面的电势，改变衬底表面的载流子密度，达到抑制表面复合电流的作用。这种结构虽然减小了复合电流，提高了电流增益，但是仍然没有从根本上解决SiC/Si02高界面态的问题;而且Si02介质层上的金属是一个需要加电压的电极，导致此结构的器件是一个四端器件，对于三极管而言四端器件相比于三端器件有很多弊端。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明提出了一种外基区重掺杂结构的碳化硅双极结型晶体管，不需额外的加偏置电压的电极，仍保持器件为三端器件；而且工艺流程比美国专利US8378390要简单很多，可以对外基区和基极P型欧姆接触处同时进行一定深度的离子注入以实现重掺杂，大大降低了工艺的复杂程度，提高了器件的良品率和可靠性，同时提高了SiC BJT器件的电流增益。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种碳化硅双极结型晶体管，包括N+衬底6、位于N+衬底6下表面的集电极7、位于N+衬底6上表面的N-集电区5和位于N-集电区5上表面的P型基区4;所述P型基区4的上表面两端分别具有N+发射区3和基极2，所述N+发射区3上表面具有发射极I，所述基极2的下表面具有第一 P+层8，所述第一 P+层8位于基极2的正下方;其特征在于，所述N+发射区3与基极2之间的P型基区4上层具有第二P+层9。
[0007]本发明总的技术方案，通过在BJT的发射极I边缘与基极欧姆接触之间的外基区设置第二P+层9，第二P+层9为P型重掺杂层，可通过离子注入工艺形成，因为P性基区4位P型轻掺杂层，第二P+层9与P型基区4之间会形成一个由轻掺杂层指向重掺杂层的电场，该电场会阻止基区少子(电子)向外基区表面扩散，减小了外基区表面的电子浓度，降低了电子与空穴的复合率，减小界面态所导致的复合电流，从而提高器件的电流增益。
[0008]进一步的，所述第二P+层9为通过离子注入工艺形成，第二P+层9的结深为0.2μπι。
[0009]进一步的，所述第二P+层9与P型基区4形成“类PN结”结构。
[0010]进一步的，所述第二P+层9的掺杂浓度为8X 118Cnr3，Ρ型基区4的掺杂浓度为2 X117Cnf30
[0011]本发明的有益效果为，能减小外基区表面的电子浓度，降低电子与空穴的复合几率，减小界面态所导致的复合电流;同时可以实现电子与空穴在空间上的分离，减小电子与空穴接触的几率，降低电子与空穴的复合率，减小外基区表面的复合电流，从而提高了器件的电流增益。
【附图说明】
[0012]图1是传统结构的SiCNPN BJT有源区的结构示意图；
[0013]图2是本发明的碳化硅双极结型晶体管的结构示意图；
[0014]图3是本发明的外基区离子注入结构与传统结构的电流增益随集电极电流变化的曲线图；
[0015]图4是本发明结构中外基区表面载流子复合率随距发射极台面边缘距离变化的曲线图；
[0016]图5是本发明结构中外基区内建电场形成的原理图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图，详细描述本发明的技术方案:
[0018]为了增加现有技术中SiCBJT的电流增益，必须减少发射极I台面边缘和基极欧姆接触2之间的外基区表面的复合电流，影响复合电流大小的主要因素有三个:
[0019]I)外基区表面处的缺陷浓度
[0020]2)外基区表面处的电子浓度
[0021]3)外基区表面处的空穴浓度
[0022]因素I取决于现有的材料生长及工艺水平，因素2、3可能受设计的影响，本发明就是从设计方面来减少外基区表面的复合电流。在所述的三极管(图2)中，电子-空穴对的复合率主要取决于少数载流子的浓度，复合主要发生在发射极I台面边缘到基极欧姆接触2之间的外基区表面，又由于在P型基区中电子是少子，因此外基区表面处电子的浓度会极大的影响表面复合的发生。
[0023]如图2所示，本发明的碳化硅双极结型晶体管，包括N+衬底6、位于N+衬底6下表面的集电极7、位于N+衬底6上表面的N-集电区5和位于N-集电区5上表面的P型基区4;所述P型基区4的上表面两端分别具有N+发射区3和基极2，所述N+发射区3上表面具有发射极1，所述基极2的下表面具有第一 P+层8，所述第一 P+层8位于基极2的正下方;其特征在于，所述N+发射区3与基极2之间的P型基区4上层具有第二P+层9。
[0024]图3是外基区离子注入结构与传统结构的电流增益随集电极电流变化的曲线图，仿真过程中以单界面态能级为例，界面态能级位于导带以下0.36￥“^丨=0.36\0，界面态密度为2.8\1012(:111-2，电子和空穴的俘获截面积分别为2.84\10-150112和2.84\10-14cm2。曲线31是本发明外基区离子注入结构的电流增益随集电极电流的变化，曲线是32是传统结构。两种结构的电流增益随集电极电流变化的趋势相同，都是先增大后变小，相同基极电流情况下，新结构的电流增益明显要大于普通结构。
[0025]对于本发明中的结构能够使器件的电流增益提高，可以从下面两个方面来解释。一方面，界面态所导致的复合的大小，是由外基区的少子电子所决定的，所以如果电子浓度越小，外基区SiC/Si02界面处的电子陷阱俘获电子的几率就会减小，从而降低空穴通过电子陷阱与电子复合的几率，减小复合电流。对于本发明的结构，如图2所示，外基区表面通过离子注入形成高掺杂第二P+层9，而下层是低掺杂层4，由于空穴浓度的不平衡，空穴会从高掺杂层9向下面的低掺杂层4扩散，高掺杂层9中失去空穴，留下不可动的带负电的电离杂质，下层4中多出的空穴会导致下层带正电。因此高掺杂层9与低掺杂层4之间会形成一个由低掺杂层4指向高掺杂层9的电场。若三极管处于正向导通状态，电子由发射区注入到基区，由于电子浓度的不平衡，电子会从内基区向外基区扩散。对于本发明中的结构，由于外基区存在由低掺杂层4指向高掺杂层9的电场，该电场会阻止电子向外基区表面的扩散，因此减小了外基区界面处的电子浓度，降低电子与空穴的复合几率，减小界面态所导致的复合电流，提高器件的电流增益。
[0026]另一方面，外基区表面重掺杂的第二P+层9给空穴提供了一条低阻通路，使得大部分空穴从重掺杂层9和8通过，到达基极2。这样可以实现电子与空穴在空间上的分离，减小电子与空穴接触的几率，降低电子与空穴的复合率，减小外基区表面复合电流，提高器件的电流增益。图4是外基区表面载流子复合率随距发射极I台面边缘距离变化的曲线图，曲线41是本发明中结构的曲线，曲线42是传统结构的曲线。从图中可以很明显的看到，在同一位置本发明中结构(图2)的表面复合率要低于传统结构(图1)的复合率。
[0027]外基区表层掺杂浓度和离子注入深度d都会对电流增益产生影响，本发明通过仿真确定了外基区重掺杂层9的掺杂浓度为8 X 118Cnf3，离子注入深度为0.2μπι。
[0028]本发明的结构中，重掺杂的第一P+层8和第二 P+层9可以通过离子注入的工艺同时形成，大大简化了工艺流程的复杂程度，提高了器件的良品率和可靠性。
【主权项】
1.一种碳化娃双极结型晶体管，包括N+衬底(6)、位于N+衬底(6)下表面的集电极(7)、位于N+衬底(6)上表面的N-集电区(5)和位于N-集电区(5)上表面的P型基区(4);所述P型基区(4)的上表面两端分别具有N+发射区(3)和基极(2)，所述N+发射区(3)上表面具有发射极(I)，所述基极(2)的下表面具有第一P+层(8)，所述第一P+层(8)位于基极(2)的正下方;其特征在于，所述N+发射区(3)与基极(2)之间的P型基区(4)上层具有第二 P+层(9)。2.根据权利要求1所述的一种碳化硅双极结型晶体管，其特征在于，所述第二P+层(9)为通过离子注入工艺形成，第二 P+层(9)的结深为0.2μηι。3.根据权利要求2所述的一种碳化硅双极结型晶体管，其特征在于，所述第二P+层(9)与P型基区(4)形成“类PN结”结构。4.根据权利要求3所述的一种碳化硅双极结型晶体管，其特征在于，所述第二P+层(9)的掺杂浓度为8 X 118Cnf3，P型基区(4)的掺杂浓度为2 X 117Cnf3。
【文档编号】H01L29/24GK105870176SQ201610353260
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】张有润, 郭飞, 施金飞, 刘影, 张波
【申请人】电子科技大学