МОЩНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 1996 года по МПК H01L29/73 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к конструкции мощных биполярных транзисторов с увеличенной областью безопасной работы.

Известно, что одним из основных критериев, характеризующих свойства мощных транзисторов, является область безопасной работы (ОБР), которая в свою очередь определяется устойчивостью транзисторной структуры к подаваемой на нее мощности или, другими словами, устойчивостью структуры к большим плотностям тока при заданных направлениях. Известно так же, что при больших плотностях тока проявляется эффект оттеснения тока к краю эмиттера, что отрицательно сказывается на устойчивости транзисторной структуры, т.к. локализация тока в ограниченной области эмиттера приводит к значительному разогреву этой области и с учетом положительной тепловой зависимости тока к деградации транзисторной структуры.

Чтобы снизить эффект оттеснения эмиттерного тока, в транзисторную структуру вводят дополнительные стабилизирующие резисторы, увеличивающие либо последовательно эмиттерное сопротивление (сопротивление к краю эмиттера), либо последовательно базовое сопротивление (сопротивление от базового контакта до края эмиттера), либо и то и другое одновременно. Конструкция с дополнительными стабилизирующими резисторами в базовой области описана, например, в патенте США N 3858234, кл. Н 01 L 1 11/00, от 31.12.74 г. где указанная цель достигается созданием между базовым контактом и эмиттерной областью дополнительной области того же типа проводимости, что и эмиттерная область, не соединенная ни с одним электродом транзистора.

Недостатком описанной конструкции является то, что в ней не устранено негативное влияние падения напряжения по длине эмиттерного зубца, приводящее также к неравномерной работе разных областей эмиттера и соответственно прохождению большего тока через области эмиттерных зубцов, примыкающих к общей эмиттерной шине, по сравнению с противоположными концами эмиттерных зубцов. Данную неравномерность распределения тока вдоль эмиттерного зубца можно снизить, создавая стабилизующие резисторы в базе с переменным сопротивлением, наиболее большим у начала эмиттерного зубца и постепенно понижающимся к концу эмиттерного зубца.

Такая конструкция описана в патенте Японии N 60-20905, кл. Н 01 L 29/72 от 25.05.85 г. где изменение сопротивления базового стабилизирующего резистора достигается тем, что между базовым контактом и краем эмиттера формируется дополнительная область того же типа проводимости, что и эмиттер, не соединенная ни с одним электродом транзистора и имеющая переменную ширину в плоскости поверхности базовой области. Этот, так называемый эмиттер, имеет наибольшую ширину у начала эмиттерного зубца и постепенно сужается к его концу.

Недостатком описанной конструкции с изменяющимся сопротивлением встроенного стабилизирующего резистора является то, что увеличение ширины "плавающего эмиттера" связано с увеличением занимаемой им площади, что может происходить либо за счет снижения площади самих эмиттерных зубцов и эмиттера в целом, либо за счет увеличения общей площади транзисторной структуры. В ряде случаев ни то, ни другое не желательно, т.к. уменьшение площади эмиттера ведет к увеличению плотности тока через эмиттер и, следовательно, к снижению устойчивости транзисторной структуры, а увеличение площади транзисторной структуры ведет к снижению процента выхода годных и может быть экономически нецелесообразно.

Технический результат изобретения создание транзистора с увеличенной областью безопасной работы.

Это достигается путем создания между базовым контактом и краем эмиттера дополнительной области того же типа проводимости, что и эмиттер одинаковой ширины по всей длине эмиттерного зубца. Условие переменности сопротивления вдоль эмиттерного зубца, полученного таким образом базового стабилизирующего резистора, достигается за счет создания между базовым контактом и переходом эмиттер-база области того же, что и база, типа проводимости, но с гораздо большим уровнем легирования по сравнению с активной базой, с переменным расстоянием от края эмиттера до края высоколегированной базовой области вдоль эмиттерного зубца.

На фиг. 1 изображен фрагмент структуры мощного транзистора. На фиг. 2 а, в, с, изображены местные разрезы примыкающих к эмиттерному зубцу областей, показывающие изменение расстояния от d1 до d2 от края эмиттера до границы высоколегированной базовой области.

На фиг. 1 и фиг. 2 изображены общая эмиттерная шина 1, эмиттерные зубцы 2, "плавающий эмиттер" 3, сформированный в одном технологическом процессе с эмиттером, располагающийся между базовым контактом 4 и краем эмиттера и имеющий постоянную ширину вдоль эмиттерного зубца, базовый контакт 4 сформирован в защитном слое двуокиси кремния, высоколегированная базовая область 5 обозначена на разрезах фиг. 2 как р⁺⁺ -область, имеет определенную топологию в плоскости транзисторной структуры такую, что расстояние от края эмиттера до границы р⁺⁺ -области изменяется по длине эмиттерного зубца таким образом, что наибольшее расстояние будет возле края эмиттерного зубца, примыкающего к общей эмиттерной шине (на фиг. 2 оно обозначено d1), постепенно уменьшается к концу эмиттерного зубца (меньшее расстояние обозначено d2), часть базовой области 6, имеющая обычный уровень легирования, обозначена на фиг. 2 как р⁺ -область, защитный слой двуокиси кремния 7.

На фиг. 1 и 2 изображен случай, когда минимальное расстояние от края эмиттерного зубца d2 больше, чем расстояние от края эмиттерного зубца до границы "плавающего эмиттера", расположенной ближе к эмиттерному зубцу. Но наряду с этим возможен и другой вариант минимальное расстояние d2 меньше расстояния от границы эмиттерного зубца до границы "плавающего эмиттера". Этот случай изображен на фиг. 2с. Такое топологическое построение необходимо, например, при очень большой протяженности эмиттерных зубцов, когда изменение последовательного базового сопротивления по длине эмиттерного зубца должно быть еще более ярко выражено.

Введение в структуру транзистора "плавающего эмиттера" позволяет пресечь протекание базового тока по направлению к эмиттеру непосредственно в приповерхностном слое базовой области и сместить этот ток вглубь, что дает возможность ослабить эффект оттеснения эмиттерного тока к краю эмиттера при больших плотностях тока и, следовательно, добиться более равномерного распределения плотности тока по эмиттерному зубцу.

При наличии базового стабилизирующего резистора основной вклад в величину базового последовательного сопротивления вносит область пассивной базы, находящаяся под "плавающим эмиттером" 3. Величина сопротивления этой области зависит от уровня ее легирования. Вводя базовую область 5 с более высоким уровнем легирования, изменяем уровень легирования пассивной базы под "плавающим эмиттером" 3 и тем самым изменяем величину последовательного базового сопротивления, т.е. сопротивления базовой области от базового контакта 4 до края эмиттера 2. Задавая расстояние от края эмиттера 2 до границы р⁺⁺ -области 5 переменным вдоль эмиттерного зубца, делаем переменным и последовательное базовое сопротивление, что компенсирует падение напряжения вдоль эмиттерного зубца 2 по направлению к его концу, и увеличиваем эффективность работы эмиттера по всей площади.

Преимуществом созданной таким образом структуры перед структурой с изменяющейся шириной "плавающего эмиттера" является то, что подавление эффекта оттеснения эмиттерного тока и эффекта ослабления эмиттерного тока к концу зубца достигается без увеличения общей площади транзисторной структуры, либо без изменения площади эмиттера при сохранении общей площади транзисторной структуры, что наиболее предпочтительно для мощных ВЧ биполярных транзисторов, для транзисторов, в которых используется двойное легирование базовой области, т. к. описанную структуру можно будет создавать, не изменяя цикла изготовления таких транзисторов. Предлагаемая структура экономически более выгодна.

Использование: в полупроводниковой технике и в частности в конструкциях мощных биполярных транзисторов с увеличенной областью безопасной работы. Сущность изобретения: в пространстве, заключенном между краем эмиттера и базовым контактом, создается сильнолегированная базовая область таким образом, что расстояние от края эмиттера до границы сильнолегированной базовой области уменьшается в направлении от общей эмиттерной шины к концу эмиттерного зубца. Структура транзистора содержит эмиттерную шину, эмиттерные зубцы, "плавающий эмиттер", располагающийся между базовым контактом и краем эмиттера и имеющий постоянную ширину вдоль эмиттерного зубца, высоколегированную базовую область, часть базовой области, имеющую обычный уровень легирования. 2 ил.

Мощный биполярный транзистор, содержащий области эмиттера, коллектора и дополнительную область того же типа проводимости, что и эмиттер, расположенную между базовым контактом и краем эмиттера и отстоящую от него на одинаковое расстояние, не соединенную ни с одним из контактов транзистора и имеющую одинаковую ширину вдоль всего периметра эмиттера, отличающийся тем, что база выполнена из двух частей с различным содержанием легирующей примеси, часть с большим содержанием легирующей примеси выполнена между краем эмиттера и базовым контактом, при этом расстояние от края эмиттера до границы между сильнолегированной и слаболегированной частями базовой области уменьшается в направлении от эмиттерной шины к краю эмиттера.