БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С КОМБИНИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ Российский патент 2004 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов.

В электронной технике и приборостроении широкое распространение получили биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ), которые являются лучшими по многим показателям среди полупроводниковых приборов при рабочих напряжениях свыше 1000 В, в частности имеют высокое входное сопротивление, малые потребляемые мощности в управляющей цепи, связанные с возможностью управления напряжением, высокая плотность прямого тока и низкое сопротивление в открытом состоянии [1, 2].

К недостаткам БТИЗ [1, 2] следует отнести расположение канальной области у поверхности полупроводниковой пластины, что приводит к дополнительным трудностям, связанным с контролем качества переходной области "полупроводник - подзатворный диэлектрик" (высокая плотность поверхностных состояний; встроенный заряд в подзатворном диэлектрике). Низкое значение подвижности носителей заряда у поверхности по сравнению с объемом полупроводника также способствует снижению предельной рабочей частоты таких приборов.

Использование для формирования БТИЗ чередующихся областей с различным типом проводимости обусловило наличие в выходной цепи паразитной тиристорной структуры, которая ограничивает максимальные скорости нарастания напряжения на приборе, снижает его надежность и быстродействие. Кроме того, паразитный тиристор переключается при большой величине прямого тока, что приводит к потере способности прибора управляться затвором (эффект защелкивания), накладывая тем самым определенные ограничения на максимальную величину прямого тока, протекающего через прибор. В связи с тем, что существующие БТИЗ подвержены эффекту защелкивания, возникающего из-за накопления на реактивной нагрузке энергии обратного вторичного пробоя , где L - реактивная нагрузка, I - протекающий обратный ток, для обеспечения процесса восстановления с минимумом перенапряжений используют дополнительный высокочастотный диод.

Падение напряжения на нескольких последовательных p-n-переходах в цепи коллектор - эмиттер определяет повышенное значение напряжения насыщения биполярного транзистора с изолированным затвором.

Радиационная стойкость БТИЗ мала, так как при облучении в подзатворном диэлектрике возникают дополнительные дефекты (заряды и поверхностные состояния), которые влияют на величину порогового напряжения образования, индуцированного у поверхности полупроводника канала.

Структура мощных транзисторов и БТИЗ в том числе состоит из множества элементарных ячеек, высокая плотность упаковки которых может быть достигнута при конструкции затвора в виде канавки с вертикальными боковыми стенками с нанесенным на них слоем подзатворного диэлектрика [2]. Максимальная плотность упаковки достигается в структурах, выполненных по технологии самосовмещения. Проводящий канал индуцируется вдоль стенок канавки и располагается почти под прямым углом к плоскости пластины, что усложняет операции травления, окисления стенок канавки и заполнения ее поликремнием. Легированный поликремний используют в качестве материала электрода затвора, что позволяет наращивать поверх него слой изолирующего диэлектрика и формировать верхний контакт эмиттера без дополнительных операций фотолитографии [2]. В мощных вертикальных транзисторах коллекторный контакт создается на обратной стороне пластины сплошной металлизацией.

Известная конструкция биполярного транзистора с изолированным затвором [2] содержит подложку первого типа проводимости, которая играет роль коллекторного (первого) слоя. На ней последовательно расположены второй слой второго типа проводимости, третья область первого типа проводимости, четвертая область второго типа проводимости, размещенная в третьей области и омически соединенная с ней эмиттерной металлизацией. Изолированный от полупроводника слоем подзатворного диэлектрика проводящий затворный контакт расположен в канавке глубиной не меньше глубины залегания p-n-перехода, образованного вторым слоем и третьей областью; третья и четвертая области непосредственно прилегают к боковым стенкам канавки.

При нулевом напряжении затвор-эмиттер проводящий канал отсутствует, что позволяет отнести данный прибор к полупроводниковым приборам с нормально закрытым каналом.

Целью предполагаемого изобретения является повышение быстродействия, радиационной стойкости, надежности, устойчивости к эффекту защелкивания и снижение напряжения насыщения биполярно-полевых транзисторов.

Поставленная цель достигается тем, что транзистор, содержащий первый (коллекторный) слой первого типа проводимости, на котором расположены последовательно второй слой второго типа проводимости, третья область первого типа проводимости, четвертая (эмиттерная) область второго типа проводимости, изолированный слоем подзатворного диэлектрика от полупроводника, проводящий затворный контакт, расположенный в канавке, к боковым стенкам которой непосредственно прилегает третья область, имеет встроенный в объем полупроводника канал второго типа проводимости, образованный четвертой областью второго типа проводимости и вторым слоем, а третья область изолирована от эмиттерной металлизации слоем диэлектрика.

На чертеже представлен поперечный разрез элементарной ячейки силового биполярно-полевого транзистора с комбинированным затвором. Здесь область 1 - коллекторный (стоковый) слой первого типа проводимости; 2 - низкоомный слой второго типа проводимости; 3 - высокоомный слой второго типа проводимости; 4 - эмиттерная (истоковая) область второго типа проводимости; 5 - область канала транзистора второго типа проводимости; 6 - подзатворная область первого типа проводимости; 7 - управляющий р-п-переход; 8 - p-n-переход "подложка-низкоомный слой"; 9 - подзатворный диэлектрик; 10 - металлизация эмиттерной (истоковой) области; 11 - металлизация коллекторной (стоковой) области; 12 - проводящий затворный контакт; 13 - изолирующий диэлектрик между металлизацией эмиттера (истока) и затворным контактом.

Предложенный биполярно-полевой транзистор работает следующим образом.

При работе в схеме с общим эмиттером (истоком) в отсутствие входного сигнала канал прибора 5 перекрыт областью пространственного заряда, возникающего вследствие контактной разности потенциала областей с различным типом проводимости p-n-перехода 7. Чтобы образовался канал и в цепи коллектор (сток) - эмиттер (исток) начал протекать ток, необходимо подать на управляющий электрод (затвор) напряжение того же знака, что и выходное (для n-канального прибора оно положительно). Такая полярность входного напряжения обеспечивает понижение потенциального барьера управляющего p-n-перехода 7 и сужение обедненной области пространственного заряда. При снижении уровня входного сигнала или смене полярности канал будет перекрываться. Из подложки 1 через p-n-переход 8 и слой 2 в слой 3 инжектируются неосновные носители заряда, что способствует модуляции его проводимости. Меньшее количество переходов между областями с различным уровнем легирования или разным типом проводимости обуславливают более низкое по сравнению с БТИЗ значение напряжения насыщения.

Режим работы по переменному входному сигналу (импульсный или гармонический сигнал) определяется временами переключения структуры, т.е. скоростью процессов накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в области дрейфа высокоомного слоя, а также перезарядкой емкостей затвор-эмиттер (исток), затвор-коллектор (сток). Часть накопленного заряда при выключении рекомбинирует в высокоомном слое 3, а часть выводится через эмиттерную (истоковую) область 4. Между высокоомным слоем 3 и эмиттерной (истоковой) областью 4 нет последовательных p-n-переходов, которые могли бы открыться в процессе рассасывания заряда, поэтому предложенный транзистор не нуждается в дополнительном диоде. Так как затвор изолирован, то в отсутствие пробоя подзатворного диэлектрика 8 через него протекают только токи смещения. Емкость затвора, представляющая собой последовательное соединение емкости диэлектрика и барьерной емкости p-n-перехода, меньше любой из составляющих ее емкостей в отдельности. Низкое значение сопротивления в открытом состоянии достигается высокой плотностью упаковки элементарных ячеек транзистора с комбинированным затвором. Значение подвижности носителей во встроенном объемном канале в несколько раз выше, чем в индуцированном канале БТИЗ. Все перечисленные факторы способствуют повышению в несколько раз граничной частоты.

Пример изготовления биполярно-полевого транзистора с комбинированным затвором.

На подложке 1 из легированного полупроводникового материала, например, кремния p⁺-типа с низким удельным сопротивлением, выращивается эпитаксиальный низкоомный слой 2 n-типа проводимости, на котором в свою очередь выращивается слой 3 того же типа проводимости, но с более высоким удельным сопротивлением. Больший или меньший уровень легирования обозначен на чертеже значками "+" и "-". Затем с помощью известных методов диффузии и фотолитографии формируется область 6 p-типа, образующая p-n-переход 7 с эпитаксиальным слоем 3. Травление канавок может осуществляться, к примеру, методом реактивного ионного травления. После выращивания слоя подзатворного диэлектрика 9 термическим окислением поверхности канавок они заполняются легированным поликристаллическим кремнием, который выполняет роль затворного контакта 12 биполярно-полевого транзистора. Плазмохимическим травлением убираются излишки поликремния с поверхности пластины. После образования изолирующего диэлектрика 13 и проведения диффузии фосфора для создания эмиттера (истока) 4 напылением наносится металлизация эмиттера (истока) 10 и коллектора (стока) 11.

Проверка работоспособности биполярно-полевого транзистора с комбинированным затвором подтвердила способность данного прибора работать на повышенных по сравнению с БТИЗ частотах. В статическом режиме работы этот прибор по величине выходного тока не уступает известным БТИЗ. Такой транзистор может найти применение в преобразовательной и переключательной технике, других узлах электронной аппаратуры различного назначения.

Литература:

1. Герман-Галкин С.Г., Рудский В.А., Юрченко Н.Н. Применение силовых полупроводниковых приборов в преобразовательной технике. (Обзор) /(Преп./ АН УССР. Ин-т электродинамики; №659). - Киев, 1990. - 33 с.

2. Wang J., Williams B.W. A simulation study of high voltage 4H-SiC IGBTs // Semiconductor Science and Technology. - 1998. - Vol.13, №7 - P.806-815.

Использование: в области полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: биполярно-полевой транзистор с комбинированным затвором содержит первый (коллекторный) слой первого типа проводимости, на котором расположены последовательно второй слой второго типа проводимости, третья область первого типа проводимости, четвертая (эмиттерная) область второго типа проводимости, изолированный от полупроводника слоем подзатворного диэлектрика проводящий затворный контакт, расположенный в канавке. К боковым стенкам канавки непосредственно прилегает третья область. Транзистор имеет встроенный в объем полупроводника канал второго типа проводимости, образованный четвертой областью второго типа проводимости и вторым слоем. Третья область изолирована от эмиттерной металлизации слоем диэлектрика. Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия, радиационной стойкости, надежности, устойчивости к эффекту защелкивания и снижение напряжения насыщения биполярно-полевых транзисторов. 1 ил.

Биполярно-полевой транзистор с комбинированным затвором, содержащий первый (коллекторный) слой первого типа проводимости, на котором расположены последовательно второй слой второго типа проводимости, третья область первого типа проводимости, четвертая (эмиттерная) область второго типа проводимости, изолированный от полупроводника слоем подзатворного диэлектрика проводящий затворный контакт, расположенный в канавке, к боковым стенкам которой непосредственно прилегает третья область, отличающийся тем, что транзистор имеет встроенный в объем полупроводника канал второго типа проводимости, образованный четвертой областью второго типа проводимости и вторым слоем, а третья область изолирована от эмиттерной металлизации слоем диэлектрика.