CN201985100U - 硅pnp型高频小功率晶体管 - Google Patents

Abstract

硅PNP型高频小功率晶体管，包括P型衬底硅片(7)，其中，该P型衬底硅片(7)的外表面形成有由三族元素中的任一种元素与金形成的合金复合层。本实用新型的硅PNP型高频小功率晶体管按一定比例将三族元素中的任一种，例如镓掺入纯金替代原来晶体管的背金(即背面金属化)，使得合金复合层达到一定的厚度和金层总量的要求，并对衬底硅片的背面，即外表面形成一定深度的渗入。实验证实，本实用新型的硅PNP型高频小功率晶体管有利于成品芯片在封装过程中提高可焊性、降低所述硅PNP高频小功率晶体管的饱和压降、降低饱和压降的变化率，提高晶体管性能参数的稳定性。

Description

硅PNP型高频小功率晶体管

技术领域

本实用新型涉及一种高频晶体管，具体地，涉及一种硅PNP型高频小功率晶体管，其属于半导体硅PNP高频小功率管领域。

背景技术

高频晶体管主要指特征频率大于3MHZ的晶体管，其有两大类型：一类是用作小信号放大的高频小功率管；另一类为高频功率管，其在高频工作时允许有较大管耗，且输出功率较大。此外，晶体管的耗散功率也称集电极最大允许耗散功率P_CM，其主要是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率，通常将耗散功率P_CM小于1W的晶体管称为小功率晶体管，P_CM等于或大于1W、小于5W的晶体管被称为中功率晶体管，而将P_CM等于或大于5W的晶体管称为大功率晶体管。

半导体硅PNP型高频小功率晶体管的制造基本已趋于成熟，特别是近几年来随着半导体制造技术的发展，工艺设备的不断更新，硅材料片的面积愈来愈大，从4英寸、5英寸、6英寸、8英寸乃至12英寸等，生产效率和产量不断提高，而成品率也相应地提高。由于技术的提高，单个管芯的面积在保证原性能指标的前提下也愈来愈小。

一般而言，在生产硅PNP高频小功率晶体管时，其衬底硅片采用的是掺硼的P型硅单晶片，该硅单晶片材料电阻率一般是在0.02欧姆-厘米以下，其硼原子的掺杂浓度在5×10¹⁸原子每立方厘米以上，这是属于掺杂浓度比较高的一种材料。同时，在硅PNP高频小功率晶体管的背面一般需要蒸镀(即真空蒸镀工艺)有金的金属层，因为金具有可焊性好、不易氧化、性能稳定等特点，其通常是作为半导体芯片在组装装配时的焊接层而设计加工的。

此外，金原子在半导体硅中的另一方面特点是在硅中的能级接近禁带中部的深能级，具有复合中心的作用，这种复合中心能减少基区的少子(即少数载流子)的寿命，使器件的开关速度加快或工作频率提高，因此，半导体的快速开关器件和高频器件在硅片的背面通常蒸镀或溅镀一层金，再用适当的高温退火处理使金扩散到硅片的内部，达到设计和使用的目的。

但是，金在半导体内的还有另一性质，即金的掺入会引起半导体硅(无论是P型硅还是N型硅)电阻率的变化，且半导体硅的初始电阻率和金的浓度愈高，则硅片的电阻率会变得愈高。换句话说，当金的浓度比半导体施主或受主的掺杂浓度小很多时，金原子对电阻率的影响可以忽略；但是当金的浓度与杂质浓度可以相比拟时，则发生载流子在金原子的深能级上的复合，这些深能级中的每个能级将从N型半导体的导带中或从P型半导体的价带中夺走一个多数载流子，因此半导体中的多数载流子浓度会变小，这会导致电阻率提高。材料电阻率的变高势必影响晶体管的电性能参数，如饱和压降升高，这对于晶体管是非常不理想的，其已经成为高频小功率管领域的一个比较难于解决的技术问题。

有鉴于现有技术的上述缺陷，需要一种新型的硅PNP型高频小功率晶体管。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种新型的硅PNP型高频小功率晶体管，以克服现有技术的上述缺陷，该高频小功率晶体管不但工作频率高，而且能够有效地降低饱和压降。

上述目的通过如下技术方案实现：硅PNP型高频小功率晶体管，包括P型衬底硅片，其中，该P型衬底硅片的外表面设有由三族元素中的任一种元素与金形成的合金复合层。

优选地，所述三族元素为镓，所述P型衬底硅片的外表面设有金镓合金复合层。

优选地，所述金镓合金复合层通过蒸镀或溅镀工艺形成在所述P型衬底硅片的外表面。

优选地，所述金镓合金复合层在所述P型衬底硅片外表面的厚度为1至2微米，并且该金镓合金复合层扩散到所述P型衬底硅片内的深度为0.3至1微米。

通过本实用新型的上述技术方案，所述硅PNP型高频小功率晶体管按一定比例的三族元素中的任一种(例如镓)掺入纯金替代原来的背金(即背面金属化)，使得合金复合层达到一定的厚度和金层总量的要求，并对P型衬底硅片的背面(即外表面)有一定深度的渗入。实验证实，本实用新型的硅PNP型高频小功率晶体管有利于成品芯片在封装过程中提高可焊性、降低硅PNP高频小功率晶体管的饱和压降、降低饱和压降的变化率，提高晶体管性能参数的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型具体实施方式的硅PNP型高频小功率晶体管的主视示意图；

图2为本实用新型具体实施方式的高频小功率晶体管沿图1中的A-A线的剖面图；

图3至图6为本实用新型具体实施方式的高频小功率晶体管的饱和压降Vce(sat)的变化率随蒸镀合金中镓含量的变化而变化的数据曲线示意图；

图7为本实用新型具体实施方式的高频小功率晶体管的饱和压降Vce(sat)的平均值随蒸镀合金中镓含量的变化而变化的状态示意图。

图中：1钝化层；2二氧化硅层；3发射极硼扩散区；4基极磷扩散区；5铝层；6N型外延层；7P型衬底硅片；8金镓合金层

具体实施方式

以下结合附图描述本实用新型硅PNP型高频小功率晶体管的具体实施方式。

如上所述，半导体硅PNP型高频小功率晶体管的技术目前已经比较成熟，尽管在生产实践中各种型号的硅PNP型高频小功率晶体管在细节上略有区别，但其基本结构是类似的。参见图1，硅PNP型高频小功率晶体管主要包括钝化层1、二氧化碳层2、发射极硼扩散区3、基极磷扩散区4、铝层5、N型外延层6、P型衬底硅片7以及形成P型衬底硅片7外表面上的复合层，该复合层一般作为安装用的焊接层。

这种焊接层在现有技术中一般均为金复合层，但是金复合层如上所述存在固有的诸多缺点。为保持器件的饱和压降不被升高，就得补充载流子因金引入复合中心的损失。也就是说，通过将金与相应的元素掺杂以补偿多数载流子被金原子深能级俘获所造成的损失这个思想，用到硅PNP型高频小功率晶体管的制管工艺，实验证实，把金同三族元素中的任一种的合金用到硅PNP型高频小功率晶体管的制作工艺中作为P型衬底硅片7的复合层具有比较好的效果。

由此得到本实用新型的基本技术方案，即硅PNP型高频小功率晶体管，包括P型衬底硅片7，该P型衬底硅片7的外表面形成有三族元素中的任一种与金的合金复合层。

三族元素主要包括硼、铝、镓、铟以及铊，根据元素周期表的性质可知，三族元素具有相似的原子结构，因此其运用于硅PNP型高频小功率晶体管所达到的效果是类似的。镓作为一种三族元素，由于它性能稳定、无毒、熔点低、掺入金后可焊性提高且不易氧化，所以优选使用，当然，其它三族元素的性质是类似的。以下以金镓合金为例具体说明本实用新型的硅PNP型高频小功率晶体管的技术方案。

分别选用含镓量(质量百分比)分别为0.3％、0.2％、0.1％的三族金镓合金和纯金0.0％作为PNP高频小功率晶体管衬底硅片的背金层(即外表面复合层)材料，每组合金的成品管各随机取50只，做高温储存试验(125～140℃/148小时)，分别考察每组各50个晶体管的饱和压降VCE(sat)的变化率以及平均值随合金中镓含量的变化的结果(参见图3、图4、图5、图6和图7)，从图中的直观结果可以发现：含镓量为0.2％的金镓合金引起的饱和压降变化率最小(图4)且饱和压降的平均值也相当低，比用纯金的饱和压降低约25毫伏左右(图7)，从而使得得到参数相当可观的提升。因此，对PNP高频小功率管的背金层采用含镓量0.2％的金镓合金可以得到：1)比用纯金降低饱和压降VCE(sat)约25毫伏的收益；2)可以得到较小的饱和压降总体变化率，即提高了器件参数的稳定性。

在P型衬底硅片7的外表面可以通过蒸镀工艺形成含镓量0.2％的金镓合金，具体可以采用如下实施步骤：

第一，蒸镀前硅片的清洁处理：用HF-5(即0.5％浓度的氢氟酸)清洗液浸泡30秒；

第二，蒸镀前金镓合金准备：取用清洁的纯金丝36g加金镓合金丝(镓含量10％)0.7g一同放置在蒸镀***的坩埚中；

第三，按蒸镀工艺操作规程进行真空蒸镀操作直到把坩埚中的金镓合金蒸镀完毕，再按蒸镀***的操作规程取出已蒸镀硅片放在石英舟上，为下步退火做好准备；

第四，抽检背金层，金层厚度应大于等于1.7微米；硅片的蒸镀金层重量应大于0.3克；

第五，金镓合金层蒸镀之后应立即进入高温420℃退火炉、30分钟的退火，这里要注意进出炉过程的速度都应设置为30厘米/每分钟，

第六，退火后的硅片用HF-5浸泡15秒；

第七，检验背面合金层金层厚度应为1.2微米左右。

至此，硅PNP型高频小功率管的衬底硅片的背面(即外表面)形成金镓合金复合层的工艺的工序已经完成。

这里验证一下工艺中金镓合金中的含镓百分比r：

$r(\mathrm{Ga}/\mathrm{Au})=\frac{0.7\×10\%}{0.7\×(1-10\%)+36}=\frac{0.07}{36.63}=0.00191\≈0.2\%$

这个结果正是高温试验最佳条件的结果：金镓合金镓含量0.2％。

该技术已在我公司的硅PNP高频小功率晶体管生产中广泛进行了实验，取得了非常良好的技术效果。也就是说，本实用新型的使用金镓合金替代纯金做背金材料的硅PNP形高频小功率晶体管，控制镓的含量为0.2％，能获得饱和压降平均值下降25毫伏，并且得到饱和压降变化率最低的统计结果。当然，上述0.2％的镓含量并不是固定的，根据实际应用情形，其可以变化以取得理想的技术效果。从本质而言，上述优选实施例是按一定比例的镓掺入纯金替代原来背金(背面金属化)使用纯金的工艺，金镓合金的蒸镀层应有一定的厚度和金层总量的要求，并对硅片的背面有一定深度的渗入，且有蒸镀后退火工艺以及相应的清洁处理要求，该工艺有利于成品芯片在封装过程中提高可焊性、降低硅PNP高频小功率晶体管的饱和压降、降低饱和压降的变化率，提高参数的稳定性。

作为一种例举性的实施例，作为金镓合金的镓含量的重量比为0.2％；并且，复合合金层的总量控制为每5英寸硅片为0.3克复合合金层；

此外，金镓合金复合层在P型衬底硅片7的外表面的厚度控制为1-2微米(例如优选1.2微米)，该金镓合金复合层扩散入P型衬底硅片7内部的深度为0.3-1微米(例如上述实施例中的0.5微米)。

以上仅以金镓合金为例进行了说明，但是，本领域技术人员根据实际应用情形以及三族元素的公知性质，可以通过有限的实验能够很容易地将上述实施例的含量以及工艺要求扩展到其它三族元素的应用上。也就是说，凡是将金同三族元素中的任一种形成合金取代纯金作为P型衬底硅片7的背面(外表面)材料，并以这个方法降低晶体管的饱和压降以及降低晶体管饱和压降变化率以的，都属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.硅PNP型高频小功率晶体管，包括P型衬底硅片(7)，其特征是，该P型衬底硅片(7)的外表面设有由三族元素中的任一种元素与金形成的合金复合层。

2.根据权利要求1所述的硅PNP型高频小功率晶体管，其特征是，所述三族元素为镓，所述P型衬底硅片(7)的外表面设有金镓合金复合层。

3.根据权利要求2所述的硅PNP型高频小功率晶体管，其特征是，所述金镓合金复合层通过蒸镀或溅镀工艺形成在所述P型衬底硅片(7)的外表面。

4.根据权利要求2所述的硅PNP型高频小功率晶体管，其特征是，所述金镓合金复合层在所述P型衬底硅片(7)外表面的厚度为1至2微米，并且该金镓合金复合层扩散到所述P型衬底硅片(7)内的深度为0.3至1微米。

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