[发明专利]栅控半导体四极管

说明书

本发明属于半导体器件。

本发明的目的是设计和制造几种具有新的特殊特性的半导体器件。

在电子管有源器件领域里，由于在真空三极管的栅极与阴极间增加一个阴栅极，构成阴极四极管，由于阴栅极对电子产生-加速电场，使它与真空三极管相比，可在不太高的板极电压下（因而不太增大栅极电流的情况下）获得大的放大倍数。另一方面，在真空三极管的栅极与板极之间增加一个屏栅极，构成屏栅四极管，可减小密勒电容。总之，为了达到各种不同的目的，可以设计各种不同结构的真空四极管，甚至真空五极管，真空六极管，等等，它们各自具有不同的独特特性，利用这些特性，人们开发了众多的具有不同功能的电子电路。

但是，在半导体有源器件领域里，从晶体管发明到现在，几十年来，人们研究和生产的有源器件主要还是局限于三极管（双极晶体管和场效应晶体管等等）方面。由于在平面结构的半导体器件中不象立体结构的真空电子管那样容易设置更多的电极去构思一些新的功能，因而很少出现具有独特功能的半导体多极管（半导体四极管，五极管等等）。甚至有些器件，从结构的观点看，本来可以构成一些有用的四极管，也常常被人们将它们的某些端子开路或用内部互连金属短路而作三端器件使用。这些三端器件与下面指出的本发明的四端器件相比，它们丢失了很多优良的特性。

本发明是用场效应控制双极晶体管基极注入电流的四端子半导体器件，它用紧凑的结构获得大范围可调的电压控制型高增益放大特性或负微分电阻输出特性。它们的输出电流，负阻阻值，以及跨导可在很大范围内任意调定，并且它们的最大跨导超过一般的场效应晶体管的跨导与双极晶体管的电流放大系数的乘积，有高的输入阻抗，并具有双信号输入能力。可输入电压信号或电流信号，或者同时从两个端子分别输入电压信号和电流信号。

本发明的第一个类型是结型栅控四极管。

本发明的第二个类型是绝缘栅控四极管。

第二个类型又分为增强型绝缘栅控四极管和耗尽型绝缘栅控四极管。

简短地说，结型栅控四极管是用加在栅极上的电压信号调制PN结或金属一半导体整流结（肖特基结）的耗尽层宽度，从而达到控制双极晶体晶的基极电流的目的。绝缘栅控四极管是用加在栅极上的电压信号调制绝缘栅场效应结构下半导体中的感应电荷而达到控制双极晶体管的基极电流的目的。

图1和图2是本发明实施例的结型栅控四极管的剖面图。

图3是P沟耗尽型结型栅控四极管的等效电路。

图4是本发明实施例的增强型绝缘栅控四极管的剖面图。

图5是P沟增强型绝缘栅控四极管的等效电路。

图6是本发明实施例的耗尽型绝缘栅控四极管的剖面图。

图7是P沟耗尽型绝缘栅控四极管的等效电路。

图中，（1）是高浓度n型掺杂发射区，（2）是高浓度n型掺杂结型栅区。（3）是P型掺杂基区。（4）是外延n型集电区。（5）是高浓度n型掺杂隐埋层。（6）是高浓度n型掺杂集电极穿透区。（7）是P型硅衬底。（8）是发射极接触电极。（9）是结型栅的栅接触电极。（10）是基极的接触电极。（11）是集电极接触电极。（12）是二氧化硅保护层。（13）是绝缘栅介质。（14）是绝缘栅场效应结构的栅金属。（16）是耗尽型绝缘栅场效应结构中的P型掺杂沟道区。（17）是结型栅结构的n型掺杂栅区。（18）是结型栅结构的P型掺杂沟道区。（19）是P型掺杂区。

下面结合附图给出本发明的实施例：

图1是结型栅控四极管的实施例。在轻掺杂的P型硅单晶（7）上外延n⁺埋层（5），再外延集电区（4），在第一次氧化后光刻出集电极磷穿透窗口并完成磷穿透区（6）的扩散，随后光刻出基区窗口并完成P型基区（3）的硼掺杂扩散。利用硼再分布时产生的氧化层同时光刻出发射极窗口和栅极窗口并进行发射区（1）和结型栅区（2）的磷掺杂扩散，去除磷扩散的氧化膜，进行低温氧化物沉积，并光刻出发射极电极窗口（8），栅电极窗口（9），基极电极窗口（10）和集电极电极窗口（11），并蒸发金属铝，随后光刻留下各电极窗口的接触金属及其对应的键合点金属，并合金。若作为分立器件使用，可利用键合点键合并封装，若用于集成电路中，可利用电极窗口互连。

图2是结型栅控四极管的另一实施例，它与图1所示结构的区别在于在完成P型基区（3）的光刻和扩散的同时也完成另一P型掺杂区（19）的光刻和扩散，随后光刻出区域（18）的窗口并掺入P型杂质，再光刻出栅区（17）的窗口作n型掺杂。