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一种双极结型晶体管

阅读：394发布：2023-12-26

专利汇可以提供一种双极结型晶体管专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种双极结型晶体管，属于高功率半导体技术领域。本发明主要通过碳化硅和硅的键合，形成了两个异质结面，具体为，P型基区和N+发射区采用键合技术形成异质结，P型基区和N-集电区采用键合技术形成异质结，异质发射结注入电子的效率很高，这是因为空穴的反向注入几乎完全被额外的一个空穴势垒所阻挡，从基区注入发射区的空穴扩散电流值极小，因此发射结的注入效率极高，极大的提高器件的电流增益。此外，由于本发明的集电区采用碳化硅材料，大部分电压降在集电结上，碳化硅的临界击穿电场是硅的10倍，因此极大的提高了器件的击穿电压。，下面是一种双极结型晶体管专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种双极结型晶体管，包括集电极(8)、第一N+衬底(7)、N-集电区(6)、P型基区(9)、N+发射区(3)、第二N+衬底(2)、发射极(1)、第一基极(4)和第二基极(5)；
所述集电极(8)、所述第一N+衬底(7)、所述N-集电区(6)和所述P型基区(9)从下至上依次层叠设置，所述N+发射区(3)位于所述P型基区(9)上，所述第二N+衬底(2)和所述发射极(1)依次位于所述N+发射区(3)上，所述第一基极(4)和所述第二基极(5)分别位于所述N+发射区(3)的两侧，且位于所述P型基区(9)上；
其特征在于，所述第一N+衬底(7)和所述N-集电区(6)为碳化硅材料，所述P型基区(9)为硅材料，所述N+发射区(3)和所述第二N+衬底(2)为碳化硅材料，所述N-集电区(6)和所述P型基区(9)通过键合技术形成异质结，所述P型基区(9)和所述N+发射区(3)通过键合技术形成异质结。
2.根据权利要求1所述的一种双极结型晶体管，其特征在于，所述P型基区(9)的掺杂浓
16 -3
度为1×10 cm 。
3.根据权利要求1所述的一种双极结型晶体管，其特征在于，所述N+发射区(3)的掺杂浓度是1.2×1019cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种双极结型晶体管，其特征在于，所述N-集电区(6)的掺杂浓度是1.8×1015cm-3。

说明书全文

一种双极结型晶体管

技术领域

[0001] 本发明属于高功率半导体技术领域，具体涉及一种双极结型晶体管。

背景技术

[0002] 研究发现双极型晶体管因具有更低的开关损耗与更快的开关速度成为了非常具有前景的功率器件。在要求高功率密度与高温工作的应用场合中，比如混合电动汽车的的
牵引驱动系统与功率应用设备，SiC BJT以其优良的性能得到广泛的关注。碳化硅(SiC)双
极结型晶体管(BJT)具有较低的开关损耗和更快的开关速度，是重要的常关型器件之一。相
对Si基三极管，SiC BJT具有更低的导通电压，不存在二次击穿现象等优点；SiC BJT避免了
常开型器件SiC JFET的栅极驱动问题，没有SiC IGBT导通损耗大的缺点，不存在SiC
MOSFET因为栅介质可靠性差及沟道迁移率低而使器件工作条件受到限制的问题。

[0003] 虽然BJT有很多优势，但是仍然面临着很多问题。BJT是电流控制器件，对于高效的功率开关而言，必须有很高的电流增益。与其他的功率开关器件相比，SiC BJT的电流增益
还有待提高，可以通过更好的外延生长条件和优化的表面钝化工艺来提高电流增益。在高
频的应用中需要开关器件具有很小的电导调制效应，SiC BJT性能的重要特征是电流增益、
导通电阻和击穿电压。现有的技术目前存在的缺点是其无法同时提供足够高的共发射极电
流增益和击穿电压。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种双极结型晶体管。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种双极结型晶体管，包括集电极、第一N+衬底、N-集电区、P型基区、N+发射区、第二N+衬底、发射极、第一基极和第二基极；

[0006] 所述集电极、所述第一N+衬底、所述N-集电区和所述P型基区从下至上依次层叠设置，所述N+发射区位于所述P型基区上，所述第二N+衬底和所述发射极依次位于所述N+发射
区上，所述第一基极和所述第二基极分别位于所述N+发射区的两侧，且位于所述P型基区
上；

[0007] 其特征在于，所述第一N+衬底和所述N-集电区为碳化硅材料，所述P型基区为硅材料，所述N+发射区和所述第二N+衬底为碳化硅材料，所述N-集电区和所述P型基区通过键合
技术形成异质结，所述P型基区和所述N+发射区通过键合技术形成异质结。

[0008] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

[0009] 进一步的，所述P型基区的掺杂浓度为1×1016cm-3。

[0010] 进一步的，所述N+发射区的掺杂浓度是1.2×1019cm-3。

[0011] 进一步的，所述N-集电区的掺杂浓度是1.8×1015cm-3。

[0012] 本发明的有益效果是：相比传统技术，本发明不需要额外的外加偏置电压的电极，仍保持器件为三端器件；本发明的发射区为宽禁带的碳化硅，基区为禁带较窄的硅材料，采
用键合技术形成碳化硅和硅的异质结，从而使发射结为异质结，这种异质结的设计极大的
提高了器件的注入效率，并且能够大幅度的提高基区的掺杂浓度，降低基区电阻。集电区为
碳化硅材料，碳化硅的临界击穿电场是硅的10倍左右，集电区承受耐压，极大的提高了击穿
电压，从而同时提高共发射极电流增益和击穿电压。
附图说明

[0013] 图1为本发明实施例的一种双极结型晶体管的结构示意图；

[0014] 图2为本发明实施例的异质结结构输出特性仿真曲线图。

[0015] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：

[0016] 1、发射极，2、第二N+衬底，3、N+发射区，4、第一基极，5、第二基极，6、N-集电区，7、第一N+衬底，8、集电极，9、P型基区。

具体实施方式

[0017] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

[0018] 如图1所示，本发明实施例提供的一种双极结型晶体管，包括集电极8、第一N+衬底7、N-集电区6、P型基区9、N+发射区3、第二N+衬底2、发射极1、第一基极4和第二基极5；

[0019] 所述集电极8、所述第一N+衬底7、所述N-集电区6和所述P型基区9从下至上依次层叠设置，所述N+发射区3位于所述P型基区9上，所述第二N+衬底2和所述发射极1依次位于所
述N+发射区3上，所述第一基极4和所述第二基极5分别位于所述N+发射区3的两侧，且位于
所述P型基区9上；

[0020] 其特征在于，所述第一N+衬底7和所述N-集电区6为碳化硅材料，所述P型基区9为硅材料，所述N+发射区3和所述第二N+衬底2为碳化硅材料，所述N-集电区6和所述P型基区9
通过键合技术形成异质结，所述P型基区9和所述N+发射区3通过键合技术形成异质结。

[0021] 上述实施例中，本发明的结构与传统结构相比，本发明主要通过碳化硅和硅的键合形成了两个异质结面，其中P型基区9和N+发射区3采用键合技术形成异质结，P型基区9和
N-集电区6采用键合技术形成异质结，此外，本发明将禁带宽度较大的碳化硅材料作为发射
区，禁带宽度较小的硅作为基区，异质发射结的注入电子的效率很高，这是因为空穴的反向
注入几乎被额外的一个空穴势垒所阻挡，即发射结的注入效率主要由结两边禁带宽度的差
异所造成的一个额外的空穴势垒决定，从基区注入发射区的空穴扩散电流值极小，而与发
射区和基区的掺杂浓度基本无关。这样就带来了极大的好处，可以采用提高基区的掺杂浓
度和基区宽度的方法来减小基极电阻，减小集电极的势垒电容，减小发射结的势垒电容等
寄生电容。总而言之，异质结的发射结能极大的提高器件的电流增益。

[0022] 由于本发明的集电结也是异质结面，其中，P型基区9和N-集电区6采用键合技术形成异质结，当BJT的基极开路时，集电级加正偏压时，发射结正偏，集电结反偏，大部分电压
降在集电结上，由于本发明采用的集电区是碳化硅的材料，碳化硅的临界击穿电场是硅的
10倍，因此极大的提高了器件的击穿电压。

[0023] 可选地，所述P型基区9的掺杂浓度为1×1016cm-3。

[0024] 可选地，所述N+发射区3的掺杂浓度是1.2×1019cm-3。

[0025] 可选地，所述N-集电区6的掺杂浓度是1.8×1015cm-3。

[0026] 下面通过仿真来说明本发明结构的有益效果。仿真过程中，设置基极电流为1×10-10A，图2为本发明的双异质结结构的输出特性曲线，其中的实线表示双异质结的集电极
电流随集电极电压变化的曲线，虚线表示双异质结的基极电流随集电极电压变化的曲线。
从图2可以看出，在基极电流为1×10-10A时，集电极电流为2×10-8A，可以计算出双异质结结
构的电流增益为200，而传统碳化硅双极结型晶体管的电流增益只有10-20左右。因此采用
双异质结结构在基极电流为1×10-10A时的电流增益提高了10倍，电流的增益大幅提高。

[0027] 而基极开路时，集电极加正偏压，发射结正偏，集电结反偏，大部分压降降在集电结上，集电结形成耗尽区。由于碳化硅材料的临界击穿电场远大于硅的，因此本发明的击穿
电压也将远远大于传统硅基材料的。

[0028] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0029] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0030] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0031] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0032] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。

[0033] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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