双基极双向双极晶体管两个相对表面上的场板：器件、方法和系统技术方案

公开了双基极双边双极功率晶体管，其中用绝缘场板将发射极/集电极扩散物和与其最靠近的基极接触扩散物隔开。所述器件在关断性能和击穿电压方面提供了令人惊奇的改进。

Field plate on two opposing surfaces of double base bidirectional bipolar transistors: device, method and system

A dual base bilateral bipolar power transistor is disclosed in which an emitter / collector diffusion material is separated from a base contact diffused nearest to it with an insulating field plate. The device provides surprisingly improved performance in terms of turn off performance and breakdown voltage.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】双基极双向双极晶体管两个相对表面上的场板：器件、方法和系统交叉引用要求如下申请的优先权：2014年10月13日提交的美国申请62/063,090，在此通过引用将其结合于本文中。在美国，要求如下申请的部分优先权：共同未决的PCT申请WO2014/210072(指定美国)；和通过上述申请于2013年6月24日提交的美国临时申请61/838,578，在此通过引用将其结合于本文中。
技术介绍
本申请涉及双基极双向双极晶体管，更具体而言，涉及被称为B-TRANs的通用型功率晶体管。请注意，以下讨论的要点可能反映了从所公开的专利技术获得的事后认识，但并非必然被承认是现有技术。已公布的美国申请US2014-0375287公开了一种完全双向双极晶体管，其发射极/集电极区域位于半导体晶片的两个面上，其基极接触区域也位于两个面上。在一组实施方式(参见该申请附图13A以及[0083]段的描述)中，发射极/集电极区域与基极接触区域通过填充有电介质的沟槽横向隔开。这样减少了ON状态下的同侧载流子复合。申请US2014-0375287也描述了该器件在操作中某些令人惊奇的方面。尤其是：1)当该器件接通时，优选将其首先仅作为二级管操作，然后施加基极驱动以减小接通状态电压降。2)不论哪个发射极/集电极区域被用作集电极(由在该器件端子处检测到的外部电压所确定)，基极驱动优选施加于最靠近该集电极的基极。3)优选使用二阶段断开顺序。4)在断开状态下，基极-发射极电压(在每侧)被与基极-发射极结并联的低电压二级管限制。Wood的申请WO2014/122472展示并描述了略微相似的结构。然而，该申请主要面向不同的结构。该Wood申请也没有描述申请US2014-0375287所述操作的方法。该Wood申请看起来也未描述在发射极/集电极区域和基极接触区域之间的横向沟槽隔离。本申请提供了对该类型结构、操作该结构的方法和包括该结构的系统的改进。除其他创新外，本申请教导了对称双向双接触基极双极结型晶体管，其中出现在半导体晶片的两个(相对)表面上的两个发射极/集电极区域均被沟槽中的场板环绕。该场板将发射极/集电极区域与邻近的基极接触区域隔开。由于基极接触区域出现在该器件的两个表面上，不论哪一个基极接触区域在集电极侧上，该结构提高其击穿电压而不会降低另一侧上的基极接触区域的特性。该结构在类似于US2014-0375287中的器件的击穿电压方面提供了令人惊奇的改进。除其他创新外，本申请也教导了操作该类型结构的方法，以及包括该类型结构的系统。附图说明将参照附图描述所公开的专利技术，这些附图展示了重要的样本实施方式并由此通过引用而结合于本说明书中，其中：图1示意地展示了具有沟槽式场板的示例性B-TRAN。图2展示了B-TRAN类型器件的优选电路表征。图3示意地展示了具有填充有电介质的沟槽的B-TRAN的一个样本实施方式，已公布的申请US2014-0375287描述了该实施方式，该申请在此通过引用结合于本文中。图4A展示了类似于图1所示器件中的示例性掺杂分布。图4B展示了击穿时类似于图1所示器件中的电势分布。图5A展示了击穿时类似于图1所示器件中的电场。图5B展示了击穿时类似于图1所示器件中的碰撞电离。图6展示了击穿时类似于图1所示器件中的电流密度大小分布。图7展示了击穿时类似于图1所示器件的上侧的电流密度分布图，其具有所示的电流矢量。图8展示了击穿时类似于图1所示器件的下侧的电流密度分布图，其具有与图6类似的所示电流矢量。图9展示了类似于图1所示器件一个表面的俯视图，其中展示了发射极/集电极区域如何被垂直场板横向地环绕。图10为类似于图1所示器件边缘的部分横截面，其总体地展示了掺杂分布。具体实施方式将具体参照当前优选的实施方式(以示例方式而非限制方式)描述本申请的众多创新教导。本申请描述了若干专利技术，以下任何陈述都不应被当作在总体上限制权利要求。已公布的美国申请US2014-0375287中描述的这类完全双向双极双基极晶体管现在通常被称为B-TRAN。在本申请的某些实施方式中，发射极/集电极区域与基极接触区域通过填充有电介质的沟槽隔开。如图1的样本实施方式所示，B-TRAN是一种三层四端子双向双极晶体管。它是一种对称器件，意味着两个“端接”端子102和104上的电压的极性确定了这两个端子中的哪一个起到发射极的作用(例如，具有正偏结)，以及哪一个端子起到集电极的作用(例如，具有反偏结)。其典型地具有范围为5-20的增益，并且当偏置为“断开”时能够承受任一方向上的高电压。此外，作为双极晶体管，其具有低至0.2伏特的最小导通电压(VCE-SAT)，这显著低于结型二极管的电压降(在硅中是0.6伏特)。由于B-TRAN是对称的，其可以用于任何需要双向开关的电路。图2展示了一种器件表征，其展示B-TRAN的对称性。当e基极(发射极一侧的基极)短路至发射极时，B-TRAN处于“主动断开状态”，此时c基极(集电极一侧的基极)断路。在该状态下，对于NPN型B-TRAN，集电极为阳极(高电压侧)，发射极为阴极(低电压侧)。当两个基极均断路时B-TRAN也断开，但由于该状态下B-TRAN的相对高增益，击穿电压较低。别处已有公开，在每个基极和与其对应的发射极/集电极之间附加的常开型开关与二极管的串联组合，在该“被动断开状态”下将会显著地提高阻断电压。在常规操作中这些开关会被关断。图3展示了完全对称双向双极晶体管，其中发射极/集电极区域与基极接触区域通过填充有电介质的沟槽隔开。已公布的申请US2014-0375287描述了该结构。所示的示例为npn器件，其中n型发射极/集电极区域出现在p型半导体晶片的前后两面上。此外，单独的p型基极接触区域被设置在前后两个表面上，用于提供对p型半导体材料块的连接。该结构中，半导体晶片的整个厚度可被视为基极，但是两个基极接触区域在电性上是不同的，并且被单独地操作。随着B-TRAN器件的精制和改进，本专利技术人已经意识到双基极双向双极晶体管面临若干独特的挑战。发射极与基极分离为其中之一。在标准的双极结型晶体管中，发射极与基极之间的电压差从来不会太大；然而，在完全双向双极晶体管中，具有两个发射极/集电极端子，而非不同的发射极和集电极。无论哪一侧起到集电极的作用(取决于外部施加电压的极性)，均将会在该侧靠近发射极/集电极扩散区的底部发现强电场。相同的物理结构能够起到或者发射极或者集电极作用的要求在不同时间对于相同的结具有显著不同的要求。例如，当图3中的集电极/发射极端子102起到集电极的作用时，在器件顶部的反偏P-N结必须承受横跨器件的全部电压。令人惊奇的是，仿真显示，图3的结构——其使用填充有绝缘体的沟槽106以将n型区域与p型区域隔开——会导致填充有绝缘体的沟槽底部下方的电场强度增强，这样降低了器件的耐受电压或击穿电压。如图1所示，通过邻近沟槽106的侧壁和底部地设置电介质层108并使在沟槽中央的场板110与n型结连接，这样可以减少或消除上述器件性能的降低。需要选择电介质108的厚度，以使得沟槽106底部下方的电场强度减小到所制造器件可接受的水平。然而仿真已显示，对二氧化硅层来说，0.2微米范围的厚度足以使得器件具备1200伏特击穿电压。图4A的样本实施方式展示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率半导体器件,包括：第一和第二第一导电型发射极/集电极区域，分别位于具有第一和第二表面的第二导电型半导体晶片的第一和第二表面；第一和第二第二导电型基极接触区域，分别位于所述半导体晶片的所述第一和第二表面；第一和第二绝缘场板结构，分别位于所述半导体晶片的所述第一和第二表面；其中，所述场板结构是导电的，并垂直延伸，并与所述发射极/集电极区域横向邻接；其中，所述第一发射极/集电极区域的总体形状类似于具有侧边和端部的带状物，并在其两侧边及两端部处被所述第一绝缘场板结构横向环绕，并与所述第一绝缘场板结构电连接；其中，所述第二发射极/集电极区域的总体形状类似于具有侧边和端部的带状物，并在其两侧边及两端部处被所述第二绝缘场板结构横向环绕，并与所述第二绝缘场板结构电连接；由此不论施加何种极性的电压，均可提高击穿电压。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.13 US 62/063,0901.一种功率半导体器件,包括：第一和第二第一导电型发射极/集电极区域，分别位于具有第一和第二表面的第二导电型半导体晶片的第一和第二表面；第一和第二第二导电型基极接触区域，分别位于所述半导体晶片的所述第一和第二表面；第一和第二绝缘场板结构，分别位于所述半导体晶片的所述第一和第二表面；其中，所述场板结构是导电的，并垂直延伸，并与所述发射极/集电极区域横向邻接；其中，所述第一发射极/集电极区域的总体形状类似于具有侧边和端部的带状物，并在其两侧边及两端部处被所述第一绝缘场板结构横向环绕，并与所述第一绝缘场板结构电连接；其中，所述第二发射极/集电极区域的总体形状类似于具有侧边和端部的带状物，并在其两侧边及两端部处被所述第二绝缘场板结构横向环绕，并与所述第二绝缘场板结构电连接；由此不论施加何种极性的电压，均可提高击穿电压。2.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一导电型为n型。3.根据权利要求1所述的器件，其中所述半导体晶片为硅。4.根据权利要求1所述的器件，其中所述绝缘场板结构为沟槽式场板。5.根据权利要求1所述的器件，其中所述绝缘场板结构包括在氧化物衬里沟槽中的掺杂多晶硅场板。6.根据权利要求1所述的器件,其中所述第一导电型为p型。7.一种功率半导体器件，包括：具有第一和第二表面的p型半导体晶片；第一和第二n型发射极/集电极区域，分别位于所述半导体晶片的所述第一和第二表面；第一和第二p型基极接触区域，分别位于所述半导体晶片的所述第一和第二表面；第一和第二沟槽式场板结构，分别位于所述半导体晶片的所述第一和第二表面；其中，所述第一发射极/集电极区域与所述第一沟槽式场板结构电连接，并被所述场板结构完全环绕；其中，所述第二发射极/集电极区域与所述第二沟槽式场板结构电连接，并被所述场板结构完全环绕；由此不论施加何种极性的电压，均可提高击穿电压。8.根据权利要求7所述的器件，还包括：第一和第二场限环结构，分别位于所述晶片的第一和第二表面；其中，所述第一场限环结构环绕所述第一发射极/集电极区域、所述第一沟槽式场板结构和所述第一基极接触区域；以及其中，所述第二场限环结构环绕所述第二发射极/集电极区域、所述第二沟槽式场板结构和所述第二基极接触区域。9.根据权利要求7所述的器件，其中所述半导体晶片由硅制造。10.根据权利要求7所述的器件，其中所述沟槽式场板结构包括在氧化物衬里沟槽中的掺杂多晶硅场板。11.一种功率半导体器件，包括：具有第一和第二表面的n型半导体晶片；第一和第二p型发射极/集电极区域，分别位于所述半导体晶片的所述第一和第二表面；第一和第二n型基极接触区域，分别位于所述半导体晶片的所述第一和第二表面；第一和第二沟槽式场板结构，分别位于所述半导体晶片的第一和第二表面；其中，所述第一发射极/集电极区域与所述第一沟槽式场板结构电连接，并被所述场板结构完全环绕；其中，所述第二发射极/集电极区域与所述第二沟槽式场板结构电连接，并被所述场板结构完全环绕；由此不论施加何种极...

【专利技术属性】
技术研发人员：威廉·C·亚历山大，理查德·A·布兰查德，
申请(专利权)人：理想能量有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US