ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СИЛОВОГО БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА Российский патент 2016 года по МПК H01L29/739 

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам (СПП) и биполярным интегральным схемам (БИС).

Известны силовые полупроводниковые приборы на тиристорных структурах - ТС, не обеспечивает высокое быстродействие из-за работы в режиме глубокого насыщения его транзисторных структур [1. СИЛОВОЙ ТИРИСТОР. Патент РФ №2474925, 10.02.2013], на полевых транзисторах - ПТ - имеют невысокую крутизну, что не позволяет переключать большие токи, транзисторы со статической индукцией [2. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ. Патент РФ №2455727, 10.07.2012], на транзисторах со статической индукцией - ТСИ - имеют также невысокое быстродействие из-за работы в режиме глубокого насыщения [3. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР ШОТТКИ СО СТАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИЕЙ. Патент РФ №2183885, 20.06.2002], на силовых MOSFET, D-МОП транзисторах - также имеют относительно невысокую крутизну и, следовательно, ограничения по величине переключаемых токов, биполярные транзисторы с изолированным затвором [4. TRENCH CONTACT PROCESS United States Patent US 006110799A Aug. 29.2000; 5. Herzer et al. IGBT WITH TRENCH GATE STRUCTURE United States Patent US 006072214 A Jun. 6, 2000], на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) - имеют ограничения в быстродействии и рассеивают значительную мощность в открытом состоянии [6. Kyu-hyun Lee; BIPOLAR TRANSISTOR AND METHOD Tae-TRENCH-TYPE INSULATED GATE Patent US 006262470 B1 Jul. 17, 2001; 7. Deep N diffusion for trench IGBT EUROPEAN PATENT APPLICATION ЕР 1 755 168 A 21.02.2007 Bulletin 2007/08].

Наиболее близкой по технической сущности является интегральная схема силового полупроводникового прибора - биполярного транзистора с изолированным затвором - IGBT, представленная в патенте [7. Deep N diffusion for trench IGBT EUROPEAN PATENT APPLICATION ЕР 1 755 168 A 21.02.2007 Bulletin 2007/08]. Электрическая схема и конструкция показаны соответственно на фиг. 1а, б.

Данная электрическая схема и конструкция силового полупроводникового прибора выбрана в качестве прототипа.

Эквивалентная электрическая схема прототипа (см. фиг. 1, а) СПП прибора содержит общую шину, шину питания, входную и выходную шины. Биполярный р-n-р (n-р-n) транзистор, полевой n(р) канальный МОП транзистор, исток которого соединен с общей шиной, затвор с входной шиной, сток с базой биполярного транзистора, эмиттер которого соединен с выходной шиной, а коллектор с общей шиной.

Конструкция - интегральной схемы прототипа, функционально интегрированная структура содержит кремниевую полупроводниковую подложку n(р) типа проводимости, являющаяся одновременно областью базы биполярного р-n-р (n-р-n) транзистора и областью стока n(р) канального МОП транзистора, на обратной стороне подложки расположена сильнолегированная область р⁺(n⁺) типа проводимости являющаяся областью эмиттера биполярного р-n-р (n-р-n) транзистора, на поверхности подложки расположена слаболегированная область р^-(n^-) типа проводимости, являющаяся одновременно областью коллектора биполярного транзистора и подзатворной областью МОП транзистора, в которой расположена область стока n(р) типа проводимости, являющаяся областью истока МОП транзистора, на лицевой поверхности подложки между областями стока и истока расположен диэлектрик, на котором расположен затвор МОП транзистора, на поверхности р⁺(n⁺) области эмиттера расположен выходной электрод, на поверхности истока и подзатворной области расположен электрод общей шины, на поверхности затвора расположен входной электрод.

Недостатками такого прибора являются:

- большая рассеиваемая мощность;

- невысокое быстродействие (1,5 мкс) из за «толстой» базы в биполярном транзисторе;

- сложная технология изготовления четырехслойной конструкции прибора.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии изготовления, повышение быстродействия и уменьшения потребляемой мощности силового прибора.

Технический результат достигается:

за счет электрической схемы (см. фиг. 2, а), которая содержит - общую шину, шину питания, входную и выходную шины, биполярный р-n-р (n-р-n) транзистор и полевой n(р) канальный МОП транзистор, исток которого соединен с общей шиной, при этом полевой n(р) канальный транзистор является 2-затворным полевым транзистором, управляемым p-n-переходом, причем его сток соединен с базой биполярного транзистора, 1-й затвор с его коллектором, 2-й затвор подсоединен к эмиттеру и общей шине, база транзистора подключена к входной шине, коллектор к выходной шине;

за счет функционально-интегрированной конструкции интегральной схемы (см. фиг. 2, б) силового прибора, в которой слаболегированная полупроводниковая подложка n(р) типа проводимости является областью коллектора биполярного транзистора и одновременно первым затвором полевого р(n) канального транзистора, канал которого образован слаболегированной частью областью базы р(n) типа проводимости, расположенной в области подложки, при этом второй затвор полевого транзистора образует сильнолегированная n⁺(р⁺) область эмиттера, расположенная на поверхности слаболегированной области базы, на области эмиттера расположен электрод общей шины, слева и справа к слаболегированной области базы р^-(n^-) типа проводимости примыкают сильнолегированные левая и правая области базы р⁺(n⁺) типа проводимости, при этом на поверхности левой сильнолегированной области базы расположен входной электрод, а на поверхности правой - электрод общей шины питания.

Еще большая эффективность обратной связи, приводящая к уменьшению рассеиваемой мощности, достигается в электрической схеме (см. фиг. 2) при несущественном увеличении топологических размеров силового прибора,

за счет электрической схемы (см. фиг. 3, а), которая содержит общую шину, шину питания, входную и выходную шины, биполярный р-n-р (n-р-n) транзистор, при этом полевой n(р) канальный транзистор является 2-затворным полевым транзистором, управляемым p-n-переходом, при этом его сток соединен с базой биполярного транзистора, первый и второй затвор с его коллектором, база транзистора подключена в входной шине, коллектор к выходной шине, а эмиттер к общей шине;

за счет функционально-интегрированной конструкции интегральной схемы (см. фиг. 3б) силового прибора, в которой слаболегированная полупроводниковая подложка n(р) типа проводимости является областью коллектора биполярного транзистора и одновременно первым затвором полевого р(n) канального транзистора, канал которого образован слаболегированной частью областью базы р(n) типа проводимости, расположенной в области подложки, при этом второй затвор полевого транзистора образует первая дополнительная сильнолегированная n⁺(р⁺) область, расположенная на поверхности слаболегированной области базы, и она соединена со второй дополнительной сильнолегированной n⁺(р⁺) областью, расположенной на поверхности области коллектора, на поверхности слаболегированной области базы расположена также сильнолегированная n⁺(р⁺) область, являющаяся областью эмиттера биполярного транзистора, на поверхности которой размещен электрод общей шины, слева и справа к слаболегированной области базы р^-(n^-) типа проводимости примыкают сильнолегированные левая и правая области базы р⁺(n⁺) типа проводимости, при этом на поверхности левой сильнолегированной области базы расположен входной электрод, а на поверхности - правой электрод общей шины питания.

Изобретение поясняется приведенными чертежами.

Электрическая схема изобретения

На фиг. 2а приведена электрическая схема изобретения, которая содержит n-р-n (р-n-р) биполярный транзистор - Т1, коллектор которого подсоединен к выходной шине, эмиттер подсоединен к общей шине, стоку и первому затвору двухзатворного полевого транзистора - Т2 второй затвор которого подсоединен к коллектору и выходной шине, его сток к базе биполярного транзистора - Т1 и входной шине.

На фиг. 3a приведена электрическая схема изобретения, которая содержит n-р-n (р-n-р) биполярный транзистор - Т1, эмиттер которого подсоединен к обшей шине, коллектор подсоединен к выходной шине, и первому и второму затвору двухзатворного полевого транзистора, - Т2, сток которого подсоединен к базе биполярного транзистора - Т1 и входной шине.

Конструкция интегральной схемы (функционально интегрированная структура) силового биполярно полевого транзистора показана на фиг. 2б, а его топология на фиг. 2в.

Она содержит слаболегированную полупроводниковую подложку n(р) типа проводимости - 1, на ее поверхности расположены диэлектрик - 2, электроды общей шины - 3, входной - 4 и выходной - 5 шин, в подложке также расположены области коллектора - 6, слаболегированной базы - 7 и эмиттера - 8 биполярного транзистора, области стока - 9 (правая сильнолегированная область базы - 9), истока - 10 (левая сильнолегированная область базы - 10) области первого - 1 (подложка - 1) и второго затвора - 8 (сильнолегированная область эмиттера - 8), полевого транзистора.

Конструкция интегральной схемы (функционально интегрированная структура) силового биполярно полевого транзистора показана на фиг.3, б, а его топология на фиг. 3, в.

Она содержит слаболегированную полупроводниковую подложку n(р) типа проводимости - 1, на ее поверхности расположены диэлектрик - 2, электроды общей шины - 3, входной - 4 и выходной - 5 шин, в подложке также расположены области коллектора - 6, слаболегированной базы - 7 и эмиттера - 8 биполярного транзистора, области стока - 9 (правая сильнолегированная область базы - 9), истока - 10 (левая сильнолегированная область базы - 10) области первого - 1 (подложка - 1) и второго затвора - 11 (первая дополнительная сильнолегированная область, расположенная в слаболегированной области базы - 7), полевого транзистора и второй дополнительной сильнолегированной области - 12, расположенной в области коллектора - 1, на поверхности дополнительных областей расположены соответствующие первый - 13 и второй - 14 электроды.

Интегральная схема силового биполярно-полевого транзистора (фиг. 2, а) работает следующим образом.

При низком потенциале на базе (менее 0,5В относительно нулевого потенциала общей шины) биполярный транзистор закрыт, и ток через сопротивление нагрузки - (R_H) близок к нулю. В этом случае нет тока, протекающего через полевой транзистор, и на выходе схемы образуется потенциал ^- (U_вых), близкий к потенциалу источника питания - (U_dd). При поступлении на вход схемы небольшого положительного потенциала образуется входной ток, который разветвляется, частично проходит через база - эмиттерный p-n-переход биполярного транзистора и, усиливаясь с коэффициентом усиления в β=50-100 раз, формирует ток коллектора - (Iк), проходящий через сопротивление нагрузки, вторая часть входного тока проходит через канал от истока к стоку полевого транзистора к общей шине схемы. При этом величина этого тока, определяемая проводимостью канала, существенно ограничена областями пространственного заряда, образованными затворами полевого транзистора, существенно не влияет на величину выходного тока. Однако при дальнейшем увеличении входного тока биполярный транзистор все больше открывается, что приводит к уменьшению потенциала на коллекторе транзистора равное U_вых и соответственно величине области пространственного заряда коллекторного p-n-перехода. Данное обстоятельство приводит к увеличению тока, протекающего через канал полевого транзистора, и уменьшению тока, протекающего через эмиттерный переход биполярного транзистора, и при уменьшении потенциала на коллекторе до уровня потенциала на базе транзистора (и менее) большая часть входного тока «сбрасывается» через канал в общую шину, что исключает режим глубокого насыщения биполярного транзистора, резко уменьшающего его быстродействие.

Интегральная схема силового биполярно-полевого транзистора (фиг. 3, а) работает аналогичным образом. В этом случае происходит управление током канала полевого транзистора только потенциалом коллектора, что повышает его эффективность. Однако в этом случае увеличиваются топологические размеры интегральной схемы

Из сравнения конструкций и топологий прототипа и изобретения, представленных на фиг. 1, б, в и фиг. 2, б, в, очевидно, что конструкция изобретения более проста и может быть легко реализована по стандартной биполярной технологии.

Следует отметить, что используемый в конструкции прототипа IGBT прибора р-n-р транзистор имеет невысокое быстродействие (порядка 1,5 мкс) и внутреннее сопротивление (соответственно потери мощности) из-за «толстой» базы и более низкой подвижности дырок в базе транзистора.

Пример конкретной технологической реализации изобретения

Интегральная схема может быть выполнена по стандартной биполярной технологии, используемой при изготовлении интегральных схем, например, по следующему технологическому маршруту:

а) формирование n⁺-контактной области - 6 к пластине кремния - 1 сопротивлением p_v~5 кОм/см с ориентацией 100, например диффузией фосфора в обратную сторону пластины;

б) 1-й фотолитографии и формировании ионным легированием бора дозой D=500 мкКл и высокотемпературным отжигом 1 час 1050°С, p⁺ - базы - 4;

в) 2-й фотолитографии и формировании ионным легированием бора дозой D=1,5 мкКл и высокотемпературным отжигом 40 минут Т=900°С, р^- - базы - 7;

г) 4-й фотолитографии и формировании ионным легированием n⁺ - эмиттера биполярного транзистора;

д) формировании контактных окон к эмиттеру базе, коллектору;

е) осаждении алюминия и разводки алюминия.

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам и биполярным интегральным схемам. Изобретение обеспечивает повышение быстродействия, уменьшение энергетических потерь при переключении, упрощение технологии изготовления. Интегральная схема силового биполярно-полевого транзистора реализуется с использованием оригинальной функционально-интегрированной конструкции интегральной схемы, в которой функционально совмещены сильнолегированная область базы биполярного транзистора и исток и сток полевого транзистора, затвор полевого транзистора и область коллектора биполярного транзистора. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрическая схема интегральной схемы силового биполярно-полевого транзистора содержит общую шину, шину питания, входную и выходную шины, биполярный p-n-p (n-p-n) транзистор и полевой n (p) канальный МОП транзистор исток которого соединен с общей шиной, отличающаяся тем, что полевой n (p) канальный транзистор является двухзатворным полевым транзистором, управляемым p-n переходом, причем его сток соединен с базой биполярного транзистора, первый затвор - с его коллектором, 2-й затвор подсоединен к эмиттеру и общей шине, база транзистора подключена к входной шине, коллектор к выходной шине.

2. Электрическая схема по п. 1, отличающаяся тем, что второй затвор полевого транзистора подсоединен к коллектору биполярного транзистора.

3. Конструкция интегральной схемы, в которой имеются слаболегированная полупроводниковая подложка n (p) типа проводимости, на ее поверхности расположены диэлектрик, электроды общей шины, входной и выходной шин в подложке также расположены области коллектора, базы и эмиттера биполярного транзистора, области стока истока и затвора полевого МОП транзистора, отличающаяся тем, что слаболегированная полупроводниковая подложка n (p) типа проводимости является областью коллектора биполярного транзистора и одновременно первым затвором полевого p (n) канального транзистора, канал которого образован слаболегированной частью областью базы p (n) типа проводимости, расположенной в области подложки, при этом второй затвор полевого транзистора образует сильнолегированная n⁺ (p⁺) область эмиттера, расположенная на поверхности слаболегированной области базы, на области эмиттера расположен электрод общей шины, слева и справа к слаболегированной области базы p^- (n^-) типа проводимости примыкают сильнолегированные левая и правая области базы p⁺ (n⁺) типа проводимости, при этом на поверхности левой сильнолегированной области базы расположен входной электрод, а на поверхности - правой электрод общей шины питания.

4. Конструкция интегральной схемы по п. 3, отличающаяся тем, что второй затвор полевого транзистора образует первая дополнительная сильнолегированная n⁺ (p⁺) область, расположенная на поверхности слаболегированной области базы, и она соединена со второй дополнительной сильнолегированной n⁺ (p⁺) областью, расположенной на поверхности области коллектора, на поверхности первой и второй дополнительной области расположены соответствующие электроды.