[发明专利]绝缘栅异质结双极晶体管

说明书

本发明属半导体器件技术领域。

传统的绝缘栅双极晶体管(IGBT)，由于导通电阻小，电流处理能力强，零温度系数等优点，正日益成为600V以上高压功率器件的主力器件，其结构示意图如图1(以纵向P沟器件为例)。这种器件的阴极区4、5、阳极区1、沟道区3、和漂移区2均采用Si材料制成。从图1可以看出，其结构本身不可避免地存在级联的npn和pnp两支寄生双极晶体管(BJT)构成的pnpn晶闸管，当两只寄生BJT的β_npn同×β_pnp同≥1时(β_npn同和β_pnp同分别为寄生npn和pnp管的共发射极电流增益)，IGBT器件产生静态和动态闭锁，从而影响了器件的可靠性和电流处理能力，并限制了导通电阻Ron的降低等等。为此，人们为抑制闭锁进行了一系列改进，比如从工艺上尽量提高与源区导电类型相反的源极短路区5的掺杂浓度并让高掺杂浓度短路区4尽量靠近沟道区3边缘；或在横向IGBT器件中采用埋层结构等等来减小短路电阻Rs，这些方法均使器件的抗闭锁能力有所增强，但都大大增加了工艺难度，特别是光刻和扩散工艺的难度，进而影响器件的成品率，增加了制造成本，加之源极短路区4存在体电阻，使Rs不能为零，使IGBT器件的闭锁问题得不到根本解决，限制了IGBT器件性能的改进，亦使该结构器件不能成为高增益小信号放大器件。

针对传统IGBT器件结构存在的问题，和改进结构的不足，本发明的目的在于提出一种新结构的器件，使之能有效地消除闭锁效应，并具有明显优于传统IGBT器件的性能，还能扩展器件的应用范围到高增益小信号放大领域。

依据发明任务，本发明提供的绝缘异质结双极晶体管(以下简称IGHBT)，其特征是在已有的Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)的基础上采用了窄禁带异质SiGe材料做为源区或采用窄禁带异质SiGe材料做源区和采用宽禁带异质材料非晶Si(αSi)或微晶Si(MCSi)或碳化硅(SiC)做为阳极或短路阳极，构成一簇新型纵向或横向IGHBT，如图2、图3、图4、图5所示。

在本发明中所述的窄禁带材料或宽禁带材料均是指它的禁带宽度与衬底Si材料的禁带宽度相比较而言，比如SiGe0.66ev＜Eg_SiGe＜1.1ev；αSiEg＝1.7ev：mcSiEg＝1.7ev；SiCEg＝2.2ev等等。

在本发明中，由于采用了窄禁带异质SiGe材料做为源区，同时源区又是寄生双极型晶体管BJT的发射区，从而便得该寄生BJT(对P沟器件为寄生pnp管，对n沟器件则为寄生npn管)的发射结成为异质结，异质结寄生晶体管表示为HBT，其HBT的共发射极电流增益β与BJTβ的关系可表示为(以P沟器件为例)：

         β_npnp窄异＝exp(-△Eg/KT)·β_npnp同……(1)

(1)式中β_npnp窄异和β_npnp同分别为窄禁带发射区异质HBT和同质BJT由发射极注入效率r决定的最大共发射极电流增益；

△Eg为发射结处窄禁带异质SiGe材料与同质Si材料禁带宽度之差。当△Eg＝0.25ev时(相对于SiGe材料中Ge组份含量为30％)

          β_npnp窄异＝6.7×10^-5β_npnp同

可见，在本发明中，当采用窄禁带异质SiGe材料做为源区6后，其寄生双极晶体管的β降低了4个数量级以上。窄禁带异质SiGe发射结HBT具有低β。这使得在本发明的IGHBT器件中闭锁效应产生的条件：

              β_npn×β_pnp≥1得不到满足，因而本发明从器件结构上彻底的消除了闭锁效应。

在本发明中，窄禁带异质SiGe源区材料中Ge组份含量选取原则是使得寄生HBT的β_{pnp窄异(npn窄异)}足够小，从而满足：

β_npn同×β_pnp窄异＜＜1 (对P沟器件)

β_pnp同×β_npn窄异＜＜1 (对n沟器件)

在器件的设计中可根据沟道长度、沟道区掺杂浓度、外延层厚度和浓度的不同来决定Ge组份的含量，一般说来，寄生双极晶体管的基区宽度愈小，基区掺杂浓度愈低，则需要较大的Ge组份，反之则需要较小的Ge组份。