三端自带防护功能的横向恒流器件及其制造方法与流程

本发明属于半导体功率器件技术领域，具体涉及一种三端自带防护功能的横向型恒流器件及其制造方法。

背景技术：

恒流源是一种常用的电子设备和装置，在电子线路中使用相当广泛。恒流源用于保护整个电路，即使出现电压不稳定或负载电阻变化很大的情况，都能确保供电电流的稳定。但是，目前恒流二极管的击穿电压高位普遍为30～100V，因此存在击穿电压较低的问题，同时能提供的恒定电流也较低，而且多数的恒流二极管并不能应对恶劣的外界环境，在受到雷击，或电网波动产生的大电压，大电流的情况很容易烧毁，导致后续的驱动电路的安全也难以保障，在恒流二极管外集成了瞬态电压抑制二极管(TVS，Transient Voltage Suppressor)后，恒流二极管和整个驱动系统的抗浪涌能力都能得到增强，可靠性大大提高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是将瞬态电压抑制二极管集成到恒流二极管外围，形成一个三端器件来驱动电路，提高抗浪涌能力，进一步保障了器件和电路的可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种三端自带防护功能的横向恒流器件，包括横向恒流二极管结构与瞬态电压抑制二极管结构；

所述横向恒流二极管结构包括P型轻掺杂衬底，位于P型轻掺杂衬底下方的第一P型重掺杂区，第一P型重掺杂区下方的第二金属阴极，P型轻掺杂衬底内部上方的扩散N型阱区，扩散N型阱区内部上方从左至右依次为第一N型重掺杂区、第二P型重掺杂区、第三P型轻掺杂区、第二N型重掺杂区，覆盖P型轻掺杂衬底上表面的氧化介质层，覆盖第一N型重掺杂区和第二P型重掺杂区上表面的第一金属阴极，位于第二N型重掺杂区上方的金属阳极；第二P型重掺杂区和第一N型重掺杂区与第一金属阴极形成欧姆接触，第二N型重掺杂区和金属阳极形成欧姆接触；

所述的瞬态电压抑制二极管结构包括P型轻掺杂衬底，位于P型轻掺杂衬底下方的第一P型重掺杂区，第一P型重掺杂区下方的第二金属阴极，P型轻掺杂衬底内部上方的扩散N型阱区，位于扩散N型阱区内部右端的第二N型重掺杂区，覆盖P型轻掺杂衬底上表面的氧化介质层，第二N型重掺杂区上方的金属阳极，所述第二N型重掺杂区与金属阳极形成欧姆接触，所述的第一P型重掺杂区与第二金属阴极形成欧姆接触。

作为优选方式，所述横向恒流器件接入LED驱动电路的方式为：金属阳极与市电经整流桥整流后的输出端相连，第一金属阴极接LED灯串的输入端，第二金属阴极与LED灯串输出端相接，构成一个瞬态电压抑制二极管与恒流二极管和LED灯串并联的电路。

作为优选方式，第二P型重掺杂区的结深和掺杂浓度与第三P型轻掺杂区的结深和掺杂浓度不同。

作为优选方式，第二P型重掺杂区的结深和掺杂浓度与第三P型轻掺杂区的结深和掺杂浓度相同，即等效于没有第二P型重掺杂区。

作为优选方式，P型轻掺杂衬底和第一P型重掺杂区的掺杂浓度相同，即等效于没有第一P型高掺杂区。

作为优选方式，P型轻掺杂衬底8的掺杂浓度和第一P型高掺杂区不同。

作为优选方式，器件所用半导体材料为硅或碳化硅。

作为优选方式，P型轻掺杂衬底掺杂浓度为8×10¹⁴cm^-3；第一P型重掺杂区掺杂浓度为1.2×10¹⁹cm^-3；扩散N型阱区掺杂浓度为3×10¹⁵cm^-3，结深为8微米；第二P型重掺杂区掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，结深为4微米；第三P型轻掺杂区掺杂浓度为3×10¹⁶，结深为1微米；第一N型重掺杂区和第二N型重掺杂区掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3，结深为2微米。

本发明还提供一种上述三端自带防护功能的横向恒流器件的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：采用带第一P型重掺杂区的P型硅片作为衬底；或者采用P型轻掺杂衬底，再通过背面注入形成第一P型重掺杂区；

步骤2：进行扩散N型阱区的注入前预氧，进行窗口刻蚀；

步骤2：进行扩散N型阱区注入，然后进行扩散N型阱区推结，刻蚀多余的氧化层；

步骤3：进行第二P型重掺杂区注入前预氧，进行窗口刻蚀；

步骤4：进行第二P型重掺杂区注入，然后进第二P型重掺杂区扩散，刻蚀多余的氧化层；

步骤5：进行第三P型轻掺杂区注入前预氧，进行窗口刻蚀；

步骤6：进行第三P型轻掺杂区注入和退火，刻蚀多余的氧化层；

步骤7：进行第一N型重掺杂区和第二N型重掺杂区注入前预氧，进行窗口刻蚀；

步骤8：进行第一N型重掺杂区和第二N型重掺杂区注入，刻蚀多余的氧化层；

步骤9：淀积前预氧，淀积氧化物，致密；

步骤10：光刻欧姆孔；

步骤11：淀积金属层，刻蚀，形成第一金属阴极、第二金属阴极和金属阳极。

本发明的有益效果如下：1、保持原横向恒流器件的特性的同时，进一步通过第一P型重掺杂区与扩散N型阱区以及第二N型重掺杂区构成瞬态电压抑制二极管，在浪涌波动袭击恒流器件时率先击穿，泄放大电流，来保护恒流二极管以及其后驱动的LED灯串，提高了恒流器件及整个系统的可靠性，2、本发明通过一套工艺将瞬态电压抑制二极管和垂直型恒流二极管做在一个硅基上，与外接分立的瞬态电压抑制二极管相比，大大缩减了面积，降低了研发成本。

附图说明

图1(a)、(b)、(c)分别是传统的两端横向的器件结构图、恒流二极管件符号图、应用的LED驱动电路；

图2(a)、(b)、(c)分别是本发明的器件结构图、恒流二极管件符号图、应用的LED驱动电路；

图3本发明的三端自带防护功能的横向恒流器件的正向恒流器件特性曲线；

图4本发明的三端自带防护功能的横向恒流器件的浪涌条件下的击穿特性曲线；

图5本发明的三端自带防护功能的横向恒流器件的工艺制作流程图；

图6本发明的三端自带防护功能的横向恒流器件的工艺制作流程的工艺仿真图。

1为第一金属阴极，2为氧化介质层，3为第一N型重掺杂区，4为第二P型重掺杂区，5为第三P型轻掺杂区，6为第二N型重掺杂区，7为扩散N型阱区，8为P型轻掺杂衬底，9为第二金属阴极，10为金属阳极，11为第一P型重掺杂区。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图1为传统的垂直型恒流二极管，图1有3个子图(a)、(b)、(c)分别是传统的两端横向的器件结构图、恒流二极管件符号图、应用的LED驱动电路；图2为本发明的三端自带防护功能的横向恒流器件，图2也有3个子图(a)、(b)、(c)分别是传统的两端横向的器件结构图、恒流二极管件符号图、应用的LED驱动电路；从器件符号可以看出新型三端自带防护功能的横向恒流器件比传统的横向恒流二极管多出一端为第二金属阴极9，此外从器件结构中可以看出，本发明的三端自带防护功能的横向恒流二极管比传统的横向恒流二极管多出了瞬态电压抑制二极管的部分，所以本发明的三端自带防护功能的横向恒流二极管包括横向恒流二极管结构和瞬态电压抑制二极管结构；

所述横向恒流二极管结构包括P型轻掺杂衬底8，位于P型轻掺杂衬底8下方的第一P型重掺杂区11，第一P型重掺杂区11下方的第二金属阴极9，P型轻掺杂衬底8内部上方的扩散N型阱区7，扩散N型阱区7内部上方从左至右依次为第一N型重掺杂区3、第二P型重掺杂区4、第三P型轻掺杂区5、第二N型重掺杂区6，覆盖P型轻掺杂衬底8上表面的氧化介质层2，覆盖第一N型重掺杂区3和第二P型重掺杂区4上表面的第一金属阴极1，位于第二N型重掺杂区6上方的金属阳极10；第二P型重掺杂区4和第一N型重掺杂区3与第一金属阴极1形成欧姆接触，第二N型重掺杂区6和金属阳极10形成欧姆接触；且第二P型重掺杂区4和第三P型轻掺杂区5的引入调节了表面电场从而调制表面电场，提高击穿电压，同时第三P型轻掺杂区5可辅助耗尽N型阱区，使沟道更易夹断，快速进入恒流区，使得横向恒流二极管具有较低夹断电压，较深的第二P型重掺杂区4缩短了沟道长度，提高了横向恒流二极管的恒定电流，同时两个P阱可以提供大量空穴，由于电荷平衡，N阱浓度相应提供，从而进一步增大了横向恒流二极管的恒定电流。

所述的瞬态电压抑制二极管结构包括P型轻掺杂衬底8，位于P型轻掺杂衬底8下方的第一P型重掺杂区11，第一P型重掺杂区11下方的第二金属阴极9，P型轻掺杂衬底8内部上方的扩散N型阱区7，位于扩散N型阱区7内部右端的第二N型重掺杂区6，覆盖P型轻掺杂衬底8上表面的氧化介质层2，第二N型重掺杂区6上方的金属阳极10，所述第二N型重掺杂区6与金属阳极10形成欧姆接触，所述的第一P型重掺杂区11与第二金属阴极9形成欧姆接触。且瞬态电压二极管的击穿电压和脉冲峰值电流可以根据P型轻参杂衬底8和扩散N型阱区7的掺杂浓度来调节，同时元胞的宽度来会影响瞬态电压抑制二极管电容的大小。

所述横向恒流器件接入LED驱动电路的方式为：金属阳极与市电经整流桥整流后的输出端相连，第一金属阴极1接LED灯串的输入端，第二金属阴极9与LED灯串输出端相接，构成一个瞬态电压抑制二极管与恒流二极管和LED灯串并联的电路。

第二P型重掺杂区4的结深和掺杂浓度与第三P型轻掺杂区5的结深和掺杂浓度可以不同，也可以相同，第二P型重掺杂区4的结深和掺杂浓度与第三P型轻掺杂区5的结深和掺杂浓度相同时即等效于没有第二P型重掺杂区4。

P型轻掺杂衬底8的掺杂浓度和第一P型高掺杂区11不同，也可以相同，相同时即等效于没有第一P型高掺杂区11。

器件所用半导体材料为硅或碳化硅。

P型轻掺杂衬底8掺杂浓度为8×10¹⁴cm^-3；第一P型重掺杂区11掺杂浓度为1.2×10¹⁹cm^-3；扩散N型阱区7掺杂浓度为3×10¹⁵cm^-3，结深为8微米；第二P型重掺杂区4掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，结深为4微米；第三P型轻掺杂区5掺杂浓度为3×10¹⁶，结深为1微米；第一N型重掺杂区3和第二N型重掺杂区6掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3，结深为2微米。

本发明还提供一种上述三端自带防护功能的横向恒流器件的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：采用带第一P型重掺杂区11的P型硅片作为衬底；或者采用P型轻掺杂衬底8，再通过背面注入形成第一P型重掺杂区11；

步骤2：进行扩散N型阱区7的注入前预氧，进行窗口刻蚀；

步骤2：进行扩散N型阱区7注入，然后进行扩散N型阱区7推结，刻蚀多余的氧化层；

步骤3：进行第二P型重掺杂区4注入前预氧，进行窗口刻蚀；

步骤4：进行第二P型重掺杂区4注入，然后进第二P型重掺杂区4扩散，刻蚀多余的氧化层；

步骤5：进行第三P型轻掺杂区5注入前预氧，进行窗口刻蚀；

步骤6：进行第三P型轻掺杂区5注入和退火，刻蚀多余的氧化层；

步骤7：进行第一N型重掺杂区3和第二N型重掺杂区6注入前预氧，进行窗口刻蚀；

步骤8：进行第一N型重掺杂区3和第二N型重掺杂区6注入，刻蚀多余的氧化层；

步骤9：淀积前预氧，淀积氧化物，致密；

步骤10：光刻欧姆孔；

步骤11：淀积金属层，刻蚀，形成第一金属阴极1、第二金属阴极9和金属阳极10。

本发明所述三端自带防护功能的横向恒流器件的工作原理为：

三端自带防护功能的横向恒流器件接入LED驱动电路如图2(c)所示，恒流二极管金属阳极10连接市电经过整流后的高电位端，第一金属阴极1接LED灯串的输入端，第二金属阴极9接地为浪涌来了后泄放大电流。在没有浪涌的条件下，新型三端自带防护功能的横向恒流器件的恒流二极管的部分正常工作，恒流二极管元胞外围的瞬态电压抑制二极管部分不工作，如图3的电压电流曲线所示，随着阳极电压增加，器件的电流增加，当阳极电压为10V时恒流二极管电流达到3×10^-6A/μm的恒流值，阳极电压为10至100V时，器件都能保证横流特性来正常驱动后续的LED灯串；在有瞬态高能冲击恒流二极管和驱动电路时，第一P型重掺杂区11接第二金属阴极9，第二N型重掺杂区6接金属阳极10，因此扩散N型阱区7的电位高于P型轻掺杂衬底8，所以P型轻掺杂衬底8和扩散N型阱区7构成的PN结反偏，发生雪崩电离产生大电流从第二金属阴极9流到地，达到泄放大电流作用，快速从高阻态变为低阻态，如图4电压电流曲线所示，浪涌经过电路时，器件的瞬态电压抑制二极管部分能快速响应，将器件和驱动电路的两端钳位在160V的安全电压，避免器件的恒流二极管部分烧毁，吸收浪涌功率，使得恒流二极管和驱动电路免受浪涌脉冲的破坏。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。