本發(fā)明涉及一種晶體管，屬于硅半導體功率器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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現(xiàn)今有三大功率開關(guān)晶體管，它們是雙極管(BJT)、功率MOS管和絕緣柵雙極型晶體管IGBT(也有人稱為IGT)。它們的最大工作溫度分別為：雙極管150℃、功率MOS管200℃、IGBT 150℃(見《功率MOSFET與高壓集成電路》，陳星弼，P.130)。

雙極管由于具有電流的正溫度系數(shù)，電流趨向于自聚集，限制了它的最大工作溫度只能到150℃。功率MOS管由于具有很強的電流負溫度系數(shù)，致使功率MOS管的導通壓降在高溫下急劇加大。從室溫到200℃，功率MOS管的導通壓降增加了3倍，這一點使得功率MOS管在高溫下處理電流的能力降低(見《功率MOSFET與高壓集成電路》，陳星弼，P.207)，從而限制了功率MOS管的最大工作溫度只能到200℃。IGBT達到閉鎖的電流隨溫度的增加而降低，從25℃到125℃，閉鎖電流可能比原來小一倍以上(見《功率MOSFET與高壓集成電路》，陳星弼，P.204)一旦閉鎖，IGBT立刻燒毀。這一點限制了IGBT的最大工作溫度只能到150℃。最新的IGBT已經(jīng)發(fā)展到底4代，最大工作溫度已經(jīng)可以達到175℃。

本發(fā)明的目的就是要提供一種晶體管，能夠具有更高的最大工作溫度，以適應更加酷熱的工作環(huán)境。

仔細分析研究雙極管在不同結(jié)溫下的電流放大倍數(shù)Hfe與集電極電流Ic的關(guān)系曲線能夠看到：在Ic小的區(qū)域，Hfe隨溫度的增加而增加，在Ic大的區(qū)域，Hfe隨溫度的增加而減小。圖1是雙極管MJE13003的電流放大倍數(shù)Hfe與集電極電流Ic的關(guān)系曲線(見深圳深愛半導體股份有限公司網(wǎng)站，產(chǎn)品展示，雙極型晶體管，BUL&MJE系列，MJE13003，P.2)。從圖1能夠看到，TJ＝125℃與TJ＝25℃的兩條曲線相交于Ic＝0.67A。這說明在集電極電流Ic＜0.67A的區(qū)域，雙極管具有正溫度系數(shù)，在集電極電流Ic＞0.67A的區(qū)域，雙極管具有負溫度系數(shù)。用于頻率在20KHZ以上功率開關(guān)雙極管，其工作電流不能高，處于正溫度系數(shù)區(qū)域。所以，業(yè)內(nèi)稱雙極管具有正溫度系數(shù)，實際上是指雙極管工作在電流的正溫度系數(shù)區(qū)域。

影響雙極管的電流的溫度系數(shù)的因素主要有兩個，一個是發(fā)射極與基極之間的正向壓降隨溫度增加而減小，致使雙極管的電流隨溫度的增加而增大；另一個是載流子在輸運過 程中的散射隨溫度的增加而增強，致使雙極管的電流隨溫度的增加而減小。后一個因素的作用與前一個因素的作用是相反的。

聯(lián)柵晶體管是一種晶體管，一種特殊的雙極管。聯(lián)棚晶體管可以看成是在雙極管的P型基區(qū)中增設了兩個雜質(zhì)濃度比P型基區(qū)高、深度比P型基區(qū)深的棚區(qū)，棚區(qū)就是濃基區(qū)，所以，聯(lián)棚晶體管本質(zhì)上就是雙極管。

大量的實驗表明在某些范圍內(nèi)槽型柵多晶硅發(fā)射極聯(lián)柵晶體管能夠工作在電流的負溫度系數(shù)區(qū)域。例如：P+型槽型柵區(qū)的槽的深度大于0.5μm，P⁺型的槽形柵區(qū)的深度大于3.5μm，相鄰P⁺型的槽形柵區(qū)的槽的距離小于50μm。這種結(jié)構(gòu)的槽型柵多晶硅發(fā)射極聯(lián)棚晶體管通常工作在電流的負溫度系數(shù)區(qū)域。其機理應該是：在輸運過程中具有上述結(jié)構(gòu)的聯(lián)棚晶體管的載流子受到P+型槽型棚區(qū)的高摻雜濃度的受主的碰撞而發(fā)生的散射比一般的雙極管的載流子受到P型基區(qū)的受主的碰撞而發(fā)生的散射強得多，使載流子在輸運過程中的散射隨溫度的增加而增強的作用顯著加強。P+型槽型棚區(qū)的雜質(zhì)濃度是P型基區(qū)的雜質(zhì)濃度的3倍以上。另一方面，可能是多晶硅發(fā)射極與基極之間的正向壓降隨溫度的增加而減小的作用較弱。這兩個因素都使得上述結(jié)構(gòu)的槽型柵多晶硅發(fā)射極聯(lián)柵晶體管通常工作在電流的負溫度系數(shù)區(qū)域，具有電流的自均勻作用，整個管芯的電流分布較為均勻，沒有明顯的熱點，因而能夠在更酷熱環(huán)境中工作，具有更高的最大工作溫度。(這是具有更高的最大工作溫度的機理)

為了減弱電流的集邊效應，槽型棚多晶硅發(fā)射極聯(lián)柵晶體管的發(fā)射區(qū)接觸孔即發(fā)射區(qū)與摻雜多晶硅層之間的接觸孔的寬度盡可能做得很窄，但是應該大于1μm，否則，發(fā)射區(qū)接觸孔下面的局部區(qū)域電流集中，發(fā)熱比其他區(qū)域嚴重，溫度比其他區(qū)域高得多，結(jié)果，在酷熱的環(huán)境中工作，絕大部分區(qū)域的溫度還屬于可控范圍，發(fā)射區(qū)接觸孔下面的局部區(qū)域就因為電流過于集中發(fā)熱嚴重溫度過高而失控導致整個晶體管燒毀。所以，為了使晶體管達到更高的最大工作溫度，槽型棚多晶硅發(fā)射極聯(lián)柵晶體管的發(fā)射區(qū)接觸孔應該大于1μm。

雖然在某些情況下可以使用鈦鎳銀作為集電極金屬層，但還是采用鋁作為集電極金屬層比較方便。鋁包括純鋁以及鋁的合金如鋁硅、鋁硅銅、鋁銅等等。

采用<111>晶向的硅襯底，其腐蝕速度比較緩慢，圖形精度容易控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明的目的是在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種晶體管，它具有更高的最大工作溫度，能夠在更酷熱的環(huán)境中工作。

為完成本發(fā)明的目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種晶體管，在下層為N⁺型低電阻率層、上層為N^-型高電阻率層的硅襯底片的上表面有多個N⁺型的高摻雜濃度的發(fā)射區(qū)，該發(fā)射區(qū)的上面連接著N⁺型的摻雜多晶硅層，該摻雜多晶硅層與發(fā)射極金屬層連接，每個發(fā)射區(qū)的周圍有P型的基區(qū)，基區(qū)的側(cè)下面連著摻雜濃度比基區(qū)高、深度比基區(qū)深度深的P⁺型的槽形棚區(qū)，槽形柵區(qū)中的每條槽的底面和側(cè)面都覆蓋著絕緣層，棚區(qū)與柵極金屬層相連，硅襯底片的上層位于基區(qū)以下和棚區(qū)以下的部分為集電區(qū)，硅襯底片的下層是集電極，集電極的下表面與集電極金屬層相連，其特征在于：

所述P+型槽型柵區(qū)的槽的深度大于0.5μm；

所述P⁺型槽形柵區(qū)的深度大于3.5μm；

所述相鄰P⁺型槽形柵區(qū)的槽的距離小于50μm；

所述發(fā)射區(qū)接觸孔的寬度大于1μm；

所述棚極金屬層的金屬是鋁。

此外，

所述硅襯底的晶向為<111>。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：具有更高的最大工作溫度，能夠在更酷熱的環(huán)境中工作。

附圖說明：

圖1是已有技術(shù)的雙極管的電流放大倍數(shù)Hfe與集電極電流Ic關(guān)系曲線。

圖2是本發(fā)明的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的晶體管的電流放大倍數(shù)Hfe與集電極電流Ic關(guān)系曲線。

具體實施方式：

本發(fā)明涉及一種晶體管，在下層為N⁺型低電阻率層、上層為N^-型高電阻率層的硅襯底片的上表面有多個N⁺型的高摻雜濃度的發(fā)射區(qū)，該發(fā)射區(qū)的上面連接著N⁺型的摻雜多晶硅層，該摻雜多晶硅層與發(fā)射極金屬層連接，每個發(fā)射區(qū)的周圍有P型的基區(qū)，基區(qū)的側(cè)下面連著摻雜濃度比基區(qū)高、深度比基區(qū)深度深的P⁺型的槽形棚區(qū)，槽形柵區(qū)中的每條槽的底面和側(cè)面都覆蓋著絕緣層，棚區(qū)與柵極金屬層相連，硅襯底片的上層位于基區(qū)以下和柵區(qū)以下的部分為集電區(qū)，硅襯底片的下層是集電極，集電極的下表面與集電極金屬層相連，其特征在于：

所述P+型槽型柵區(qū)的槽的深度大于0.5μm；

所述P⁺型槽形柵區(qū)的深度大于3.5μm；

所述相鄰P⁺型槽形柵區(qū)的槽的距離小于50μm；

所述發(fā)射區(qū)接觸孔的寬度大于1μm；

所述柵極金屬層的金屬是鋁。

此外，

所述硅襯底的晶向為<111>。

下面結(jié)合附圖詳細說明。

在圖2所示的本發(fā)明技術(shù)的晶體管的實施例中，硅襯底片4的下層42為集電極，其為厚度420μm電阻率0.01Ω·cm的N⁺型<111>晶向的硅片，上層41的電阻率20Ω·cm，厚度55μm，在硅襯底片4的上表面開有多條平行的長條形槽5，兩個相鄰槽5的間距為20μm，槽5深2μm寬5μm。槽底通過注入硼離子并加以推進而形成P⁺型高濃度槽形棚區(qū)6，硼的表面濃度為1E19-2E20/cm³，結(jié)深6μm。硅襯底上層41的上表面通過硼離子注入和擴散，形成P型基區(qū)2，P型基區(qū)2中硼的表面濃度為1E17-3E18/cm³，結(jié)深4μm。硅襯底上層41的上表面覆蓋著厚度為0.5-0.6μm的摻磷多晶硅層9，摻磷多晶硅層9與槽5的底部和側(cè)面之間隔著一層由二氧化硅、磷硅玻璃、氮化硅或它們的復合物構(gòu)成的絕緣層7，絕緣層7延伸到硅襯底片4的上表面，絕緣層7的厚度為1μm，在兩個相鄰槽5之間的硅襯底上層41的上表面有高磷濃度N⁺型發(fā)射區(qū)3，磷的表面濃度高達2-9E20/cm³，N⁺型發(fā)射區(qū)3的深度為1.5μm。N⁺型發(fā)射區(qū)3是通過把絕緣層7開孔，使摻磷多晶硅層9與硅襯底上層41的上表面相連，并通過摻磷多晶硅層9把磷擴散進入硅襯底上層41的上表面而形成的。摻磷多晶硅層9與N+型發(fā)射區(qū)3相連的孔即是發(fā)射區(qū)的接觸孔，其寬度為2μm。發(fā)射極金屬層1是通過濺射生成的厚度為4μm的鋁層，集電極金屬層8是厚度為1μm的AuCr-Au金屬層，棚極金屬層是厚度為4μm的鋁層，棚極金屬層與槽型棚區(qū)的連接在本圖之外，所以，本圖沒有顯示。

發(fā)射區(qū)可以是平面型的，也可以是槽型的。

為了減小柵區(qū)的電阻，可以在棚區(qū)的表面做一層金屬硅化物如硅化鈦。

實施效果：

一已有技術(shù)晶體管與本發(fā)明晶體管的電流的溫度特性比較

圖3是本發(fā)明的晶體管A的電流放大倍數(shù)Hfe與集電極電流Ic關(guān)系曲線。晶體管A采用實施例的結(jié)構(gòu)，其管芯面積為0.7*0.7平方毫米，應用于35W螺旋燈，工作電流為300mA。圖3一共有5條Hfe--Ic曲線，代表5種不同的晶體管結(jié)溫，分別為T1＝25℃、 T2＝125℃、T3＝150℃、T4＝200℃、T5＝250℃。

T1與T2的兩種結(jié)溫的Hfe--Ic曲線交點在280mA，T2與T3的兩種結(jié)溫的Hfe--Ic曲線交點在180mA，T3與T4的兩種結(jié)溫的Hfe--Ic曲線交點在120mA，T4與T5的兩種結(jié)溫的Hfe--Ic曲線交點在130mA。由圖3能夠看到，從25℃到250℃本發(fā)明的晶體管A都工作在電流的弱負溫度系數(shù)區(qū)域。

而已有技術(shù)的雙極管MJE13003也是適用于上述35W螺旋燈，工作電流約為300mA，由圖1能夠看到，已有技術(shù)的雙極管MJE13003工作在電流的正溫度系數(shù)區(qū)域。

因此，本發(fā)明的晶體管具有電流的自均勻作用，使其能夠在更酷熱的環(huán)境中工作。

二本發(fā)明的晶體管通過了250℃168小時的考核。

本發(fā)明的晶體管B采用實施例的結(jié)構(gòu)，其管芯面積為2.2*1.8平方毫米，TO-126封裝。把晶體管B放進恒溫烘箱中，用高溫導線引出，與節(jié)能燈連接，節(jié)能燈放在烘箱之外點亮。把熱電偶固定在晶體管B的外殼上。烘箱恒溫240℃，晶體管B的管殼溫度在245-250℃之間，經(jīng)受住了168小時的考核，期間多次開燈關(guān)燈沖擊沒有損壞，一直正常工作。晶體管的結(jié)溫比管殼溫度高，因此，可以認為晶體管B在結(jié)溫為250℃的條件下工作了168小時。

實驗表明，本發(fā)明的晶體管能夠在公開報道的已有技術(shù)晶體管的最大工作溫度之上長時間工作。

本發(fā)明的發(fā)射區(qū)的形狀可以為條形、正方形、六角形、圓形或其他形狀，通常采用條形。為簡便，說明書的多處描述采用了發(fā)射區(qū)為條形，基區(qū)為條形，槽為條形，由互相正交的槽圍成的臺面為條形。這是一種普通的功率晶體管的指叉形結(jié)構(gòu)。

需要申明的是，上述實施例僅用于對本發(fā)明進行說明而非對本發(fā)明進行限制，因此，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下對它進行各種顯而易見的改變，都應在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。