本發(fā)明屬于高功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳化硅雙極結(jié)型晶體管。

背景技術(shù)：

寬禁帶半導(dǎo)體材料sic是制備高壓電力電子器件的理想材料，碳化硅(sic)雙極結(jié)型晶體管(bjt)是重要的常關(guān)型器件之一，在萬伏級(jí)高耐壓電力電子器件領(lǐng)域具有優(yōu)勢。相對(duì)si基三極管，sicbjt具有更低的導(dǎo)通電壓，不存在二次擊穿現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)；sicbjt避免了常開型器件sicjfet的柵極驅(qū)動(dòng)問題，沒有sicigbt導(dǎo)通損耗大的缺點(diǎn)，不存在sicmosfet因?yàn)闁沤橘|(zhì)穩(wěn)定性差及溝道遷移率低而使器件工作條件受到限制的問題。

sic/sio2高界面態(tài)的存在會(huì)導(dǎo)致sicmosfet的柵介質(zhì)不穩(wěn)定，溝道遷移率低等不良影響；對(duì)于sicbjt，高界面態(tài)會(huì)成為復(fù)合中心，導(dǎo)致大量的電子和空穴在界面處復(fù)合產(chǎn)生復(fù)合電流，降低器件的電流增益，并導(dǎo)致器件性能退化。美國專利號(hào)us8378390提出了一種新結(jié)構(gòu)的碳化硅雙極結(jié)型晶體管，來減小sic/sio2高界面態(tài)導(dǎo)致的復(fù)合電流，其基本原理是：在sicbjt的發(fā)射極臺(tái)面邊緣與基極歐姆接觸之間的外基區(qū)，利用sio2介質(zhì)層上的金屬、sio2介質(zhì)層以及外基區(qū)三者形成mos結(jié)構(gòu)，利用be結(jié)偏置電壓控制mos結(jié)構(gòu)襯底表面的電勢，改變襯底表面的載流子密度，達(dá)到抑制表面復(fù)合電流的作用。這種結(jié)構(gòu)雖然減小了復(fù)合電流，提高了電流增益，但是仍然沒有從根本上解決sic/sio2高界面態(tài)的問題；而且sio2介質(zhì)層上的金屬是一個(gè)需要加電壓的電極，導(dǎo)致此結(jié)構(gòu)的器件是一個(gè)四端器件，對(duì)于三極管而言四端器件相比于三端器件有很多弊端。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的，就是針對(duì)目前碳化硅雙極結(jié)型晶體管的發(fā)射極臺(tái)面邊緣與基極歐姆接觸之間的外基區(qū)表面存在大量界面態(tài)，這些界面態(tài)會(huì)成為載流子復(fù)合中心，導(dǎo)致大量的基區(qū)少子(電子)在界面處復(fù)合產(chǎn)生復(fù)合電流，降低器件的電流增益，并導(dǎo)致器件性能退化的問題，提供一種碳化硅雙極結(jié)型晶體管。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種碳化硅雙極結(jié)型晶體管，包括從下至上依次層疊設(shè)置的集電極7、n⁺襯底6、n^-集電區(qū)5和p型基區(qū)4，p型基區(qū)4上表面一端具有n⁺發(fā)射區(qū)3，所述n⁺發(fā)射區(qū)3上表面具有發(fā)射極1；

p型基區(qū)4上表面另一端具有第一二次外延p+區(qū)10，所述第一二次外延p+區(qū)10上表面設(shè)置有基極2，所述第一二次外延p+區(qū)10和n⁺發(fā)射區(qū)3之間的p型基區(qū)4上層具有第二二次外延p+區(qū)9，所述第一二次外延p+區(qū)10、第二二次外延p+區(qū)9和n⁺發(fā)射區(qū)3之間通過介質(zhì)層8隔離，所述介質(zhì)層8沿n⁺發(fā)射區(qū)3上表面向遠(yuǎn)離基極2的一側(cè)延伸并與發(fā)射極1連接，介質(zhì)層8沿第一二次外延p+區(qū)10上表面向遠(yuǎn)離發(fā)射極1的一側(cè)延伸并與基極2連接。

具體的，所述第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9采用二次外延技術(shù)生長。

具體的，所述第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9的厚度為0.2μm。

具體的，所述第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9與p型基區(qū)4形成外基區(qū)二次外延p+/p結(jié)構(gòu)。

具體的，所述p型基區(qū)4的摻雜濃度為2×10¹⁷cm^-3。

具體的，所述第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9的摻雜濃度為2×10¹⁹cm^-3。

本發(fā)明總的技術(shù)方案，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明主要是在發(fā)射極1臺(tái)面邊緣與基極歐姆接觸2之間的外基區(qū)采用二次外延技術(shù)生長一層重?fù)诫s的第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9以形成p+/p型結(jié)構(gòu)；第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9和基區(qū)4之間會(huì)形成一個(gè)基區(qū)4指向第一二次外延p+層10和第二二次外延層9的勢壘，勢壘會(huì)阻止基區(qū)4少子(電子)向外基區(qū)表面擴(kuò)散，減小了外基區(qū)表面的電子濃度，同時(shí)該勢壘也會(huì)阻止空穴向外基區(qū)表面運(yùn)動(dòng)，界面處的空穴和電子濃度均會(huì)降低，因此降低了電子與空穴的復(fù)合率，減小界面態(tài)所導(dǎo)致的復(fù)合電流，從而提高器件的電流增益。此外，通過外延生長的第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9與基區(qū)4的界面質(zhì)量比sio2/sic的界面質(zhì)量高，陷阱密度減小，電子與空穴界面復(fù)合的幾率減小，因此從上述兩個(gè)方面都提高了器件的電流增益。

本發(fā)明的有益效果為：相比于傳統(tǒng)技術(shù)，本發(fā)明不需額外的加偏置電壓的電極，仍保持器件為三端器件；本發(fā)明采用二次外延技術(shù)，基極位于第一二次外延p+層10之上，基區(qū)無需離子注入工藝即可實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，不會(huì)因離子注入帶來的缺陷等負(fù)面效應(yīng)對(duì)器件的性能產(chǎn)生影響，提高了器件的良品率和可靠性，降低器件制造成本；另外，相比于其他降低外基區(qū)界面復(fù)合效應(yīng)的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明采用二次外延技術(shù)，可以降低外基區(qū)界面的界面陷阱，同時(shí)避免了離子注入引入的缺陷等問題，減小界面態(tài)所導(dǎo)致的復(fù)合電流，因此極大地提高了碳化硅雙極結(jié)型晶體管sicbjt器件的電流增益。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的sicnpnbjt有源區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的一種碳化硅雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3——圖5是本發(fā)明二次外延結(jié)構(gòu)的一種制造工藝；

圖6是本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸出特性曲線圖；

圖7是本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)外基區(qū)載流子復(fù)合速率對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：

為了增加現(xiàn)有技術(shù)中碳化硅雙極結(jié)型晶體管sicbjt的電流增益，必須減少發(fā)射極1臺(tái)面邊緣和基極歐姆接觸2之間的外基區(qū)表面的復(fù)合電流，影響復(fù)合電流大小的主要因素有三個(gè)：

1)外基區(qū)表面處的缺陷濃度；

2)外基區(qū)表面處的電子濃度；

3)外基區(qū)表面處的空穴濃度。

因素1取決于現(xiàn)有的材料生長及工藝水平，因素2、3可能受設(shè)計(jì)的影響，本發(fā)明就是從設(shè)計(jì)方面來減少外基區(qū)表面的復(fù)合電流。在本發(fā)明提出的碳化硅雙極結(jié)型晶體管中，如圖2所示，電子-空穴對(duì)的復(fù)合率取決于界面處載流子的濃度，復(fù)合主要發(fā)生在發(fā)射極1臺(tái)面邊緣到基極歐姆接觸2之間的外基區(qū)表面，由于在p型基區(qū)4中電子是少子，因此外基區(qū)表面處電子的濃度對(duì)表面復(fù)合的發(fā)生影響更為強(qiáng)烈。

本發(fā)明通過在所述碳化硅雙極結(jié)型晶體管(圖2)的發(fā)射極1臺(tái)面邊緣與基極歐姆接觸2之間的p型基區(qū)4表面二次外延生長第一二次外延p+層10與第二二次外延p+層9，在所述p型基區(qū)4與外基區(qū)第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9之間會(huì)形成阻止載流子，特別是電子向界面處擴(kuò)散的高勢壘，所述勢壘會(huì)阻止基區(qū)少子(電子)和空穴向外基區(qū)表面擴(kuò)散，減小了外基區(qū)表面的電子與空穴濃度，降低了電子與空穴的復(fù)合率，減小界面態(tài)所導(dǎo)致的復(fù)合電流，從而提高器件的電流增益。

圖1是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的sicnpnbjt有源區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖，外基區(qū)sio2/sic界面存在大量界面陷阱，使得基區(qū)少子(電子)在界面處與空穴復(fù)合增強(qiáng)，降低了器件的電流增益，此外，為了形成p型歐姆接觸，需要在金屬區(qū)離子注入形成重?fù)诫sp+區(qū)12。圖2是本發(fā)明提出的一種碳化硅雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖，包括從下至上依次層疊設(shè)置的集電極7、n⁺襯底6、n^-集電區(qū)5和p型基區(qū)4；p型基區(qū)4上表面一端具有n⁺發(fā)射區(qū)3，所述n⁺發(fā)射區(qū)3上表面具有發(fā)射極1；p型基區(qū)4上表面另一端具有第一二次外延p+區(qū)10，所述第一二次外延p+區(qū)10上表面設(shè)置有基極2，所述第一二次外延p+區(qū)10和n⁺發(fā)射區(qū)3之間的p型基區(qū)4上層具有第二二次外延p+區(qū)9，所述第一二次外延p+區(qū)10、第二二次外延p+區(qū)9和n⁺發(fā)射區(qū)3之間通過介質(zhì)層8隔離，所述介質(zhì)層8沿n⁺發(fā)射區(qū)3上表面向遠(yuǎn)離基極2的一側(cè)延伸并與發(fā)射極1連接，介質(zhì)層8沿第一二次外延p+區(qū)10上表面向遠(yuǎn)離發(fā)射極1的一側(cè)延伸并與基極2連接。

本實(shí)施例中，第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9的厚度為0.2μm，其摻雜濃度均為2×10¹⁹cm^-3；p型基區(qū)4的摻雜濃度為2×10¹⁷cm^-3。

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1的基礎(chǔ)上，外基區(qū)通過外延生長第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中發(fā)射極1臺(tái)面邊緣與基極歐姆接觸2之間的氧化層。

圖3—圖5是本發(fā)明二次外延結(jié)構(gòu)的一種制造工藝。如圖3所示，首先在基區(qū)4表面外延生長一層p+型sic層，選擇化學(xué)外延沉積法(cvd)生長，因?yàn)閏vd法得到的外延薄膜質(zhì)量往往較高，并且能夠保證較快的生長速率，非常適合于高質(zhì)量sic外延的生長。如圖4所示，采用sio2層11作為掩膜刻蝕剩余的p+型sic層，保留外基區(qū)和基區(qū)歐姆接觸之上的p+外延層。圖5是刻蝕完成后器件的部分結(jié)構(gòu)，可以看出，刻蝕部分外延層p+可以形成第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9，并且基極2和n+發(fā)射區(qū)3之間同時(shí)可以形成隔離，保證發(fā)射極1與基極2之間電學(xué)隔離。

下面通過仿真來說明本發(fā)明結(jié)構(gòu)的有益效果。

仿真過程中以單界面態(tài)能級(jí)為例，界面態(tài)能級(jí)位于導(dǎo)帶以下0.9ev(ec-et＝0.9ev)，界面態(tài)密度為4×10¹²cm-2，電子和空穴的俘獲截面積分別為2.84×10^-15cm2和2.84×10^-14cm2。如圖6所示，方塊曲線是本發(fā)明外基區(qū)二次外延結(jié)構(gòu)在基極電流為2×10^-7a時(shí)的輸出特性曲線，圓形曲線是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在基極電流為2×10^-7a時(shí)的輸出特性曲線?？梢钥闯?，在相同的基極電流的條件下，外基區(qū)二次外延結(jié)構(gòu)的集電極電流比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大，可以計(jì)算出外基區(qū)二次外延結(jié)構(gòu)的電流增益約為55，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電流增益只有15左右，因此采用外基區(qū)二次外延結(jié)構(gòu)在基極電流為2×10^-7a時(shí)的電流增益與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比提高了266％，電流增益大幅提高。

因此從圖6的仿真結(jié)果可以看出，在相同基極電流情況下，新結(jié)構(gòu)的電流增益明顯要大于普通結(jié)構(gòu)。

下面將結(jié)合仿真得到的數(shù)據(jù)和物理原理，對(duì)本發(fā)明的有益效果進(jìn)行分析。

對(duì)于本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)能夠使器件的電流增益提高，可以從下面的分析來得到解釋。一方面，界面態(tài)所導(dǎo)致的復(fù)合的大小，在界面態(tài)一定的情況下，是由外基區(qū)界面的電子和空穴的濃度共同決定的，所以如果電子和空穴濃度越小，外基區(qū)界面處的電子陷阱俘獲電子的幾率就會(huì)減小，從而降低空穴通過電子陷阱與電子復(fù)合的幾率，減小復(fù)合電流。對(duì)于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，外基區(qū)表面引入第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9，而下層是基區(qū)摻雜層4，由于第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9為重?fù)诫s，載流子濃度比基區(qū)4高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在形成熱平衡的過程中，第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9中的多子空穴會(huì)向空穴濃度較低的基區(qū)摻雜層4中擴(kuò)散使得兩者的費(fèi)米能級(jí)相等，其結(jié)果是形成了由基區(qū)4指向第一二次外延p+層10和第二二次外延p+層9的電場，類似于pn結(jié)的空間電荷區(qū)，此電場會(huì)阻止基區(qū)4中的載流子向外基區(qū)邊界運(yùn)動(dòng)。在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，p+/p結(jié)靠近界面處形成的高勢壘會(huì)阻止基區(qū)摻雜層4中電子和空穴向界面處擴(kuò)散，大幅降低界面處的電子和空穴的的濃度，減小了界面處電子與空穴接觸的幾率，降低電子與空穴的復(fù)合率，減小外基區(qū)表面的復(fù)合電流，從而提高了器件的電流增益。

通過仿真可以更為直觀地看出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中外基區(qū)外延結(jié)構(gòu)對(duì)電子與空穴復(fù)合幾率的影響。圖7是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與外基區(qū)二次外延結(jié)構(gòu)中外基區(qū)處電子與空穴復(fù)合速率圖，方塊曲線代表傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)(圖1)外基區(qū)載流子復(fù)合速率，圓形曲線代表新結(jié)構(gòu)(圖2)外基區(qū)表面的載流子復(fù)合速率，從圖中可以看出，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)外基區(qū)表面的電子和空穴復(fù)合速率明顯低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，說明采用二次外延結(jié)構(gòu)可以有效降低界面復(fù)合，外基區(qū)表面附近的電子和空穴濃度迅速下降，這是由于外基區(qū)靠近表面處存在阻止電子與空穴向界面處擴(kuò)散的高勢壘。界面處的電子和空穴的的濃度相比于圖1所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大幅降低，減小外基區(qū)表面的復(fù)合電流，從而提高了器件的電流增益。若三極管處于正向?qū)顟B(tài)，電子由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)，由于電子濃度的不平衡，電子會(huì)從內(nèi)基區(qū)向外基區(qū)擴(kuò)散。對(duì)于本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)，由于外基區(qū)存在阻止電子與空穴向界面處擴(kuò)散的高勢壘，因此減小了外基區(qū)界面處的電子與空穴濃度，降低電子與空穴的復(fù)合幾率，減小界面態(tài)所導(dǎo)致的復(fù)合電流，提高器件的電流增益。

另外，由于采用了二次外延新型結(jié)構(gòu)，基區(qū)歐姆接觸無需離子注入形成重?fù)诫s區(qū)，直接利用第一二次外延p+層10可以形成p型歐姆接觸，降低了器件制造的成本，消除了離子注入帶來的負(fù)面影響，比如離子注入帶來的缺陷問題以及后續(xù)的超高溫退火條件，因此本發(fā)明提出的二次外延新型結(jié)構(gòu)提高了器件的可靠性。