Мощный биполярный транзистор

 

Использование: область полупроводникового производства, а именно конструкции мощного биполярного транзистора с повышенной устойчивостью к вторичному пробою, предназначенного, например, для работы в высоковольтных ключевых устройствах. Сущность: мощный биполярный транзистор с повышенной устойчивостью к вторичному пробою имеет эмиттер одной глубины и степени легирования и сложнолегированную активную базу, концентрация примеси в которой под центральной зоной эмиттерной гребенки выше концентрации примеси под ее боковыми зонами. Новым в конструкции является то, что ширина указанной активной базы является переменной величиной, непрерывно увеличивающейся от периферии к центру эмиттерной гребенки, а изменение концентрации примеси в активной базе происходит не "скачкообразно", а непрерывно с некоторым переменным градиентом, уменьшающимся к центру эмиттерной гребенки. 3 з.п. ф-лы. 5 ил.

Изобретение относится к области полупроводникового производства, а именно к конструкции мощного биполярного транзистора с повышенной устойчивостью к вторичному пробою, предназначенного, например, для работы в высоковольтных ключевых устройствах. Целью изобретения является уменьшение площади транзисторной структуры полупроводникового прибора при сохранении коэффициента усиления по току и устойчивости к вторичному пробою. На фиг. 1 изображено сечение мощного биполярного транзистора известной конструкции, где 1 это область активной базы под центральной зоной эмиттерной гребенки, а 2 и 3 области активной базы под боковыми зонами эмиттерной гребенки. На фиг. 2 изображено сечение мощного биполярного транзистора предлагаемой конструкции, где 2 это область активной базы под центральной зоной эмиттерной гребенки 1, 3 и 4 области активной базы под боковыми зонами эмиттерной гребенки 1, а 5 область коллектора. Ширина активной базы транзистора уменьшается от значения W_aкт1 под центральной зоной эмиттерной гребенки до значения W_aкт2 под боковыми зонами эмиттерной гребенки. На фиг.3 изображено изменение степени легирования активной базы мощного транзистора. Кривыми 1 и 2 данное изменение показано для известного транзистора (1 вдоль активной базы, 2 по глубине), с кривыми 3 и 4-для предлагаемого транзистора (3 вдоль активной базы, 4 по глубине), C₁ и С₂- концентрация примеси в активной базе под центральной зоной эмиттерной гребенки, а С₁ и С₂ концентрация примеси на краю активной базы под боковыми зонами указанной эмиттерной гребенки, соответственно, у предлагаемого и известного транзисторов. На фиг. 4 изображено падение напряжения эмиттер-база по активной базе у прототипа, предлагаемого 2 и "обычного" 3 (с постоянной шириной и степенью легирования активной базы) транзисторов. На фиг. 5 изображено поперечное сечение еще одного варианта мощного биполярного транзистора предлагаемой конструкции. В отличие от конструкции, изображенной на фиг. 2, участок 11 активной базы с минимальной шириной и степенью легирования находится не на периферии эмиттерной области, а на расстоянии а от ее центра. Таким образом ширина активной базы транзистора уменьшается от значения W_aкт1 под центральной 2 и периферийной 3,4 зонами эмиттерной области до значения W_aкт2 под зоной, находящейся на расстоянии а от центра указанной эмиттерной области, с соответствующим изменением степени легирования активной базы. Данная конструкция мощного транзистора предназначена для работы на активно-индуктивную нагрузку и, в отличие от конструкции, изображенной на фиг. 2, пo понятным причинам имеет более высокую устойчивость к прямому вторичному пробою и несколько меньшую устойчивость к обратному вторичному пробою. При этом необходимо отметить, что заметный эффект отмечается лишь при соблюдении соотношения , где l ширина указанной эмиттерной области. Рассмотрим пример реализации одной из предложенных конструкций. Мощный биполярный транзистор n-р-n- типа (см. фиг. 2) включает в себя эмиттер 1 n-типа, легированный фосфором до концентрации 5·10²⁰ ат/см³, глубиной 6 мкм с шириной эмиттерной гребенки 200 мкм, сложнолегированную базу р-типа, переменной глубины и концентрации, легированную галлием, и коллектор n-типа, состоящий из высокоомного слоя 5 с ρ = 90 Ом9·см толщиной 140 мкм и сильнолегированного слоя 6 толщиной 145 мкм, с концентрацией фосфора 1·10²¹ ат/см³. Ширина активной базы указанного транзистора изменяется от W_акт1 24 мкм под центральной зоной 2 эмиттерной гребенки (точка 0) до W_aкт2= 10 мкм под краем боковых зон 3,4 эмиттерной гребенки (точка А), а концентрация примеси в указанных областях изменяется соответственно от 8·10¹⁷ до 5·10¹⁶ ат/см³. При этом ширина центральной зоны эмиттерной гребенки составляет 50 мкм, а глубина общей базы под эмиттерной гребенкой изменяется, соответственно, от 16 до 30 мкм. На поверхности эмиттерной и базовой областей сформирована алюминиевая металлизация 7 и 8 толщиной 4,5 мкм, а на поверхности сильнолегированной области коллектора металлизация 9 никель-золото общей толщиной 1,5 мкм. Сопротивление активной базы указанного мощного транзистора непрерывно меняется, уменьшаясь с 1000-1500 Ом/□ в точке А (на краю базовой зоны эмиттерной гребенки) до 100-150 Ом/□ в точке 0 (под центральной зоной эмиттерной гребенки), причем интегральное сопротивление указанной активной базы составляет 300-400 Ом/□0, и указанное изменение сопротивления активной базы максимально под периферийной областью эмиттерной гребенки, так что падение напряжения вдоль активной базы минимально. Таким образом значительно ослабляется эффект оттеснения эмиттерного тока при прямом смещении базы транзистора. А пониженный коэффициент инжекции эмиттерного тока в центральной области эмиттерной гребенки и пониженный коэффициент переноса в указанной области в совокупности с относительно небольшим падением запирающего напряжения по активной базе транзистора приводит к подавлению эффекта сжатия эмиттерного тока при обратном смещении его базы. Эмиттерный переход защищен термическим окислом 10 толщиной 0,8 мкм. Необходимо отметить, что в случае изготовления мощного транзистора, предназначенного для коммутации той же полезной нагрузки, но изготовленного согласно известной конструкции, размер кристалла транзисторной структуры увеличился бы, например с 5,1х5,1 мм до 5,5х5,5 мм с соответствующим увеличением непроизводственного расхода полупроводникового материала. Технологический процесс изготовления предлагаемого транзистора весьма несложен. Сначала известном способом встречной диффузии формируется n-_n+-структура. Затем поверхность высокоомного слоя окисляется, на нее наносится защитное покрытие из нитрида кремния и в указанном покрытии методом фотолитографии вскрываются окна под диффузию базовой примеси, причем топология указанных окон соответствует будущей эмиттерной области, а их ширина примерно соответствует ширине центральной зоны будущей эмиттерной гребенки. Далее проводится процесс диффузии галлия, для которого покрытие из нитрида кремния служит маской, а слой термического окисла хороший проводник. В результате диффузии формируется сложнолегированная базовая область переменной глубины. Далее с поверхности базовой области удаляется защитная пленка. указанная поверхность окисляется и известными способами в базовой области формируется эмиттерная область. Затем на поверхности базовой и эмиттерной областей известным способом напыления алюминия с последующей фотолитографией формируется металлизация, а на коллекторной стороне структуры также известным способом гальванического осаждения формируется покрытие Ni-Au. Место выхода перехода коллектор-база на поверхность кремниевой пластины защищается известными способами пассивации по планарной или меза-планарной технологии. Таким образом изготовление мощного биполярного транзистора предлагаемой конструкции позволит существенно уменьшить расход полупроводникового материала на его изготовление по крайней мере без ухудшения его электрических и мощностных характеристик.

Формула изобретения

1. Мощный биполярный транзистор, имеющий по крайней мере одну эмиттерную область шириной I с постоянной глубиной и степенью легирования и активную базу с переменной степенью легирования, отличающийся тем, что, с целью уменьшения площади его транзисторной структуры с сохранением коэффициента усиления по току и устойчивости к вторичному пробою, ширину W активной базы выбирают из соотношения W W_min + k·I, где 0≅ К ≅ 1, а W_min - минимальная ширина активной базы. 2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что участок активной базы с минимальной шириной и степенью легирования расположен под периферией эмиттерной области. 3. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что участок активной базы с минимальной шириной и степенью легирования расположен на расстоянии a от центра змиттерной области, где 1/8 ≅ а ≅ 3I/8. 4.Транзистор по п.1, отличающийся тем, что участок активной базы с минимальной шириной и степенью легирования расположен под центром эмиттерной области.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5