一种低导通延时抖动的雪崩晶体管制造技术

技术编号：41348938 阅读：4 留言：0更新日期：2024-05-20 10:03

本发明专利技术公开一种低延时抖动的雪崩晶体管，属于功率半导体技术领域。雪崩晶体管基本结构为npn型双极结型晶体管，由下至上包括集电区金属电极、集电区重掺杂n<supgt;+</supgt;外延层、集电区轻掺杂n<subgt;0</subgt;衬底层、p型基区层、n<supgt;+</supgt;发射区层、发射区金属电极和基区金属电极，其中衬底材料为n型SI。低导通延时抖动的雪崩晶体管发射区与电极接触面为圆形，发射区外围被圆环状基区电极接触面包围，发射区正下方为工作基区，其余基区为非工作区，晶体管截面横向长度为100um～500um。本发明专利技术采用高η值的基区缓变掺杂方式，在基区形成较强的纵向漂移电场，使从发射区注入的电子同时依靠扩散和漂移加速通过基区，从而减小电子的基区渡越时间，实现降低雪崩晶体管导通延时抖动的目的。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功率半导体，具体涉及一种低延时抖动的雪崩晶体管。

技术介绍

1、基于脉冲功率技术产生的高压纳秒脉冲在等离子体、激光、细胞生物学、雷达和电磁兼容性测试等领域应用广泛。开关作为关键部件之一，其性能决定了脉冲功率系统的结构尺寸、使用寿命和输出参数。功率半导体开关相较于气体开关在规模化、小型化、可拓展和高重频等方面具有优势，因此其技术创新实现具有比较重要的现实价值。

2、雪崩晶体管是一种常用的功率半导体器件，其开关过程要先后经历雪崩击穿和二次雪崩击穿。通常将施加触发信号时刻到完全导通时刻的时间称为雪崩晶体管的导通延时。为满足雪崩晶体管的规模化和可拓展应用，对导通延时的一致性要求很高。

3、目前国内外成熟的雪崩晶体管商用产品较少，普通的双极结型晶体管在雪崩区工作时性能稳定性较差，最大导通延时抖动甚至有几百皮秒，大大限制了其在纳秒脉冲功率领域的使用。从雪崩晶体管器件原理出发，载流子从进入发射区到流出集电区主要经历发射结势垒电容充放电、基区渡越、集电结耗尽区漂移和集电结势垒电容充放电四个阶段，当基区宽度达到数微米以上时，基区渡越阶段的耗时最长。因此减小载流子的基区渡越时间可成为降低雪崩晶体管导通延时抖动的有效手段。

技术实现思路

1、(一)专利技术目的

2、本专利技术的目的在于，针对普通双极结型晶体管在雪崩区工作时导通延时一致性不高的问题，通过减小载流子的基区渡越时间，提供一种低导通延时抖动的雪崩晶体管。

3、(二)技术方案

<p>4、为实现上述目的，解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：

5、一种低导通延时抖动的雪崩晶体管，其基本结构为npn型双极结型晶体管，由下至上包括集电区金属电极、集电区重掺杂n+外延层、集电区轻掺杂n0衬底层、p型基区层、n+发射区层、发射区金属电极和基区金属电极，其中衬底材料为n型si。

6、所述低导通延时抖动的雪崩晶体管发射区与电极接触面为圆形，发射区外围被圆环状基区电极接触面包围，发射区正下方为工作基区，其余基区为非工作区，晶体管截面横向长度为100um～500um。

7、在其中一个实施例中，所述p型基区层的材料为si-b，工作基区横向长度为100um～200um，纵向宽度为1um～5um，工作基区为缓变掺杂，掺杂浓度为5×1014cm-3～2×1017cm-3，浓度随基区纵向宽度变化的趋势见公式(1)，此外非工作基区与电极接触面的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3。

8、

9、式(1)中nbase为基区掺杂浓度，η为自建场因子，反映基区浓度变化趋势，x以基区与发射结接触面为原点，方向向下，wbase为基区纵向宽度。

10、所述n+发射区层的材料为si-p，其纵向宽度为2um～5um，发射区与电极接触面的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3。

11、所述集电区重掺杂n+外延层的材料为si-p，其纵向宽度为5um～10um，集电区重掺杂n+外延层与电极接触面的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3。

12、所述集电区轻掺杂n0衬底层的材料为si-p，其纵向宽度为10um～30um，掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1015cm-3。

13、所述发射区电极、基区电极和集电区电极的均由金属ti，pt，au依次沉积形成，厚度为0.1um～2um。

14、(三)有效收益

15、本专利技术的有益效果是：采用高η值的基区缓变掺杂方式，在基区形成较强的纵向漂移电场，使从发射区注入的电子同时依靠扩散和漂移加速通过基区，从而减小电子的基区渡越时间，实现降低雪崩晶体管导通延时抖动的目的。实现上述效果的详细物理机理如下。当外部触发信号施加给发射结时，从基区电极注入大量空穴，随后空穴扩散进入发射区并引起大量电子由发射区注入基区，由于基区电阻的存在而产生电流集边效应，大部分电子只从发射区边缘通过基区，随后这部分电子注入反向偏置的集电结，并在集电结耗尽区内强场的加速作用下与晶格发生碰撞电离，使集电结出现二次击穿现象从而产生强烈的雪崩电流。在上述过程中，基区电流通道截面横向长度llateral_ibase被束缚在数微米尺度范围内，llateral_ibase与wbase相当，电子通过基区的路径lelectron如公式(2)所示。

16、

17、lelectron的差异导致电子的基区渡越时间分散，由于基区渡越时间是载流子通过雪崩晶体管所经历的主要时间段，因此基区渡越时间的分散造成了雪崩电流导通延时的抖动。采用高η值的基区缓变掺杂方式之后，电子的基区渡越时间τb可由公式(3)计算，可以看出η值越高，电子的基区渡越时间越短，雪崩晶体管导通延时抖动也越低。

18、

19、式(3)中db为电子在基区中的扩散系数。

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【技术保护点】

1.一种低导通延时抖动的雪崩晶体管，其特征在于，雪崩晶体管基本结构为npn型双极结型晶体管，由下至上包括集电区金属电极、集电区重掺杂n+外延层、集电区轻掺杂n0衬底层、p型基区层、n+发射区层、发射区金属电极和基区金属电极，其中衬底材料为n型SI；

2.根据权利要求1所述的一种低导通延时抖动的雪崩晶体管，其特征在于，所述n+发射区层的材料为SI-P，其纵向宽度为2um～5um，发射区与电极接触面的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3。

3.根据权利要求1所述的一种低导通延时抖动的雪崩晶体管，其特征在于，所述集电区重掺杂n+外延层的材料为SI-P，其纵向宽度为5um～10um，集电区重掺杂n+外延层与电极接触面的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3。

4.根据权利要求1所述的一种低导通延时抖动的雪崩晶体管，其特征在于，所述集电区轻掺杂n0衬底层的材料为SI-P，其纵向宽度为10um～30um，掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1015cm-3。

5.根据权利要求1所述的一种低导通延时抖动的雪崩晶体管，

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【技术特征摘要】

1.一种低导通延时抖动的雪崩晶体管，其特征在于，雪崩晶体管基本结构为npn型双极结型晶体管，由下至上包括集电区金属电极、集电区重掺杂n+外延层、集电区轻掺杂n0衬底层、p型基区层、n+发射区层、发射区金属电极和基区金属电极，其中衬底材料为n型si；

2.根据权利要求1所述的一种低导通延时抖动的雪崩晶体管，其特征在于，所述n+发射区层的材料为si-p，其纵向宽度为2um～5um，发射区与电极接触面的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3。

3.根据权利要求1所述的一种低导通延时抖动的雪崩晶体管，其特征在于，所述集...

【专利技术属性】
技术研发人员：成真伯，宁辉，燕有杰，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三六六零部队，
类型：发明
国别省市：

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