专利名称：分布式多原胞集成半导体放电管及制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体放电管。
背景技术：
通信行业中最常运用的半导体放电管是单元胞固体放电管。主要是通过NPNPN五层结构制成的半导体放电管。图2是单元胞半导体放电管的剖面图。从图2可以看出，放电管是在抛光的N型硅片上进行P型参杂，再在硅片上进行N型的重掺杂，并在进行N型的重掺杂过程中保留一些P型的短路点(图1中的圆圈)，以此形成的NPNPN五层结构。以图 2为例，其中N为放电管的长基区、Pla和Ph均为放电管的短基区(或硼基区)、Nla和N3a 均为放电管的阴极发射区。Da为短路点。图1为单元胞半导体放电管的表面结构示意图。图1中，Ia为N型阴极发射区，2a 为短基区(即硼基区或P型基区)。在图2中，Tla、T2a分别为上下金属电极，J2a、J3a是N 型硅片上第一次P型扩散形成的PN结，Jla、Ba是第二次N型重掺杂扩散形成的PN结，Da 是阴极发射区ma、N3a上的短路点结构。当电流从Tla流入时，此时放电管的右边处于工作状态，由PNPN工作，由于Jh和 J4a两个PN结正偏，故电压主要加在PN结J3a上，此时J3a发生雪崩击穿，雪崩电流流过较宽的P型区Ph和重掺杂N型区N3a结面，达到放电的目的。由于阴极发射区集中在放电管的一侧，导致雪崩击穿的电流流过放电管的面积较大，从而，导致导通时间较长。另外，由于放电管的阴极发射区集中在放电管的一侧，造成放电管放电时产生的热量不能均勻地分布与放电管上，从而容易烧坏放电管。有人对多元胞半导体放电管进行研究，提出了 “半导体放电管多元胞结构模型研究”(《华中理工大学学报》1999年第12期)。文中提到的多元胞半导体放电管是将重掺杂 N区进行分割之后均勻地排布在P区上面。图4为放电管的纵向结构示意图，当雷电浪涌产生的正向电压加在器件两端时，J2结和J3结正偏，J2结承受正向电压，其反向漏电流沿着 P基区横向流动，由于短路点电流向T2电极。当浪涌电压上升时，J2结的反向漏电流增加， P基区的横向电压降随之增加。一旦该压降大于J3结的开启电压，器件部分开通。N+区向 P区注入电子，电流放大系数α 2开始逐渐增大。当α +α 2=1时，器件全面开通，进入低阻大电流状态。但是，如图3所示，由于分割的N区没有合理地排布。导致放电管在低阻大电流状态时放电管不能迅速导通，并且由于是将阴极发射区均勻地排布，并且较为密集。只能将放电管的热量大致分散，但不能有效地将放电管的热量均勻开。上述多元胞半导体放电管可以维持电流和抗雷电浪涌能力的协调，但在低阻大电流状态时放电管导通时间长，不能迅速导通，长期工作后散热不均勻两个主要问题。
发明内容
本发明针对现有半导体放电管多元胞结构中重掺杂N区排布不合理，存在导通时间长和散热不均勻的问题，提出一种分布式多元胞集成半导体放电管结构。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种分布式多元胞集成半导体放电管，该半导体放电管包括金属电极、阴极发射区、硼基区以及长基区，放电管的纵向剖面为 m、Pl、N2、P2、N3五层结构，在纵向长基区位于半导体放电管区域的中心，在长基区的上下两面进行硼扩撒，形成硼基区PI、P2，然后在硼基区上进行阴极发射区的扩散，将阴极发射区进行分布式扩散，构成二维对称的多元胞结构，最后再在其表面覆盖金属。在不增加放电管器件表面的总面积并且放电管的纵向剖面保持Ni、PI、N2、P2、N3五层结构不变的情况下，将阴极发射区W和N3的面积分别都按照2 (N+1)2的原则进行等分，分割成多个正方形阴极发射区形成新阴极发射区，将多个正方形阴极发射区在硼基区上横向和纵向展开扩散，并分别呈中心对称地分布在对应的硼基区Pl和P2上，构成二维对称的多元胞结构(如八元胞、十八元胞、三十二元胞等)，每个多元胞结构中的两个阴极发射区W和N3面积相等，其中，N依据元胞数决定，元胞数=2 (N+1)2。新阴极发射区具体为，在半导体放电管硼基区Pl左上角扩散第一个正方形阴极发射区，横排和竖排方向均空一个正方形空格再扩散一个正方形阴极发射区，剩下部分以第一横排和第一竖排为基准，空一个正方形空格再扩散一个正方形阴极发射区，硼基区P2 上扩散的正方形阴极发射区与硼基区Pl上扩散的正方形阴极发射区位置错开，在正面没有扩散正方形阴极发射区的区域背面扩散正方形阴极发射区。当一个浪涌电流经过多元胞半导体放电管时，电流首先从金属电极Tl流入，PU Nl构成的PN结J2和P2、N3构成的PN结J4正偏，主要由P2、N2构成的PN结J3承受反向电压，其反向漏电流沿着硼基区P2横向流动，由短路点D流向T2电极。当浪涌电压继续上升时，J3结反向电流增加，硼基区P2横向电压降随之增加。一旦该压降大于J4结的开启电压，多元胞半导体放电管部分导通，N3区开始向硼基区P2注入电子，N3P2N1晶体管的电流放大系数α 2开始逐渐增大；同时，Ρ1Ν2Ρ2晶体管的发射极向N-基区注入空穴，其电流放大系数α 1也开始逐渐增大。当α1+α2>1时，J2结由反向偏置转为正向偏置，多元胞半导体放电管开通，进入低阻大电流状态。本发明还提出一种分布式多元胞集成半导体放电管制造方法，具体为，在N型衬底Ν2上进行硼扩散，在N型衬底两面形成硼基区Pl和Ρ2，将硼基区Pl和Ρ2分别等分为面积相等的小正方形基区，每个硼基区的小正方形基区个数等于二倍元胞数，再在硼扩散基区Pl和Ρ2上进行N的重掺杂扩散，形成阴极发射区m和N3，将阴极发射区m和N3的面积分别按照2(N+1)2的原则进行等分，分割成多个面积相等的正方形阴极发射区，将正方形阴极发射区分别在硼基区Pl和P2上横向和纵向展开复用，并分别呈中心对称地分布在对应的基区Pl和P2上，构成二维对称的多元胞结构，其中，N依据多元胞的个数决定，元胞数 =2(N+1)2。所述展开复用具体为，在半导体放电管硼基区Pl左上角扩散第一个正方形阴极发射区，横排和竖排方向均空一个正方形空格再扩散一个正方形阴极发射区，剩下部分以第一横排和第一竖排为基准，空一个正方形空格再扩散一个正方形阴极发射区，硼基区P2 上扩散的正方形阴极发射区与硼基区Pl上扩散的正方形阴极发射区位置错开，正面没有扩散正方形阴极发射区的区域背面扩散正方形阴极发射区
本发明的多元胞半导体放电管主要提高了 α 增大速率。由于将阴极发射区进行了分割，增大了电流流过第二个晶体管的密度。从而使电流迅速增大，减少了放电管的开通时间。当浪涌电流下降，α 、α 2随之下降，若al+a2<l，J2结又处于反偏，则该多元胞半导体放电管自动恢复到高阻状态。本发明提供的分布式集成结构使浪涌电流在任何方向上都趋于均勻，浪涌电流流过器件时引起的发热也更加均勻，从而减小由于热量过于集中而造成放电管的永久性损坏的概率。其次，由于分布式多元胞结构的使用增加了发射区初始导通面积，从而减少了放电管开通时间。多元胞半导体放电管工作的时候，由于将阴极发射区的面积进行了等分，故增加了阴极发射区的周长，而电流正是通过阴极发射区的边缘再通过放电管剩下的四层结构进行电流的泄放。最终实现均勻散热、快速放电的效果。
图1为单元胞半导体放电管的表面结构示意图； 图2为单元胞半导体放电管的纵向结构示意图3为普通多元胞集成半导体放电管的表面结构示意图； 图4为普通多元胞集成半导体放电管的纵向结构示意图； 图5为本发明分布式八元胞集成半导体放电管的表面结构示意图； 图6为本发明分布式八元胞集成半导体放电管的纵向结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
进一步说明。以分布式八元胞半导体放电管为例，图5为本发明的分布式八元胞集成半导体放电管的表面结构示意图。图6为图5的分布式八元胞集成半导体放电管的纵向结构示意图。如图6所示，首先在N型衬底N2上进行硼扩散，在N型衬底的两面都形成硼基区 Pl和P2以及两个PN结J2和J3，然后再在硼扩散基区Pl和P2上进行N型的重掺杂扩散， 形成阴极发射区W和N3以及PN结Jl和J4，将放电管的阴极发射区m和N3按照2 (N+1)2 的原则进行了等分，在Pl和P2上分别有2 (N+1)2个m和N3发射区和PN结Jl和J4 (具体的阴极发射区分散方式如图5所示)，其中，N依据多元胞的个数决定，元胞数=2(N+1)2， 又由于阴极发射区里有短路点，考虑到短路点的分布，并兼顾光刻的可实现性，根据经验通常N取0、1、2、3、4，这样可分别得到二元胞、八元胞、十八元胞、三十二元胞以及五十元胞放电管。在扩散每一个阴极发射区时都有一些小孔没有进行N型的重掺杂，仍然是P型材料，这样的小孔形成短路点。最后，扩散完成以后，再在芯片的两面都进行金属电极Tl和T2 的沉积。图5为本发明分布式八元胞集成半导体放电管的表面结构示意图，可以看出元胞数为8，将阴极发射区m和N3层分别等分为8个正方形阴极发射区，正方形阴极发射区分别间隔放置在硼基区Pl和P2上，形成八元胞结构。多元胞集成半导体放电管是将单元胞放电管的阴极发射区m和N3按照2(N+1)2 的原则进行等分(其中N=O、1、2、3、4时，元胞数=2、8、18、32、50)，即将附和N3层分别等分为2 (N+1)2份形成多个正方形阴极发射区，将等分分割之后形成的正方形阴极发射区在基区上面横向和纵向展开复用。
具体复用可采用以下方式。先将硼基区划分成2 (N+1)2个小方块，即将硼基区Pl和P2均勻地划分为二倍元胞数个小方块。如制作二元胞放电管则将硼基区划分成 4个小方块，八元胞放电管则将硼基区划分成16个小方块，以此类推，再在划分好的硼基区上进行N型重掺杂扩散，放电管正面硼基区的左上角的小方块扩散第一个正方形阴极发射区，然后横排和竖排都按照空一个正方形空格(正方形空格面积等于正方形阴极发射区面积)再扩散一个正方形阴极发射区，剩下的部分再以第一横排和第一竖排为基准，按照空一个正方形空格扩散一个正方形阴极发射区的方式，在正面的硼基区上均勻扩散正方形阴极发射区，放电管背面硼基区上扩散阴极发射区方式采用，与正面扩散阴极发射区同样的分布方式，间隔一个正方形阴极发射区区域放置一个正方形阴极发射区，且与正面正方形阴极发射区位置错开放置的方式，即正面没有扩散阴极发射区的区域背面扩散阴极发射区。图6为分布式八元胞集成半导体放电管的纵向结构示意图，图6是图5的八元胞半导体放电管的剖面图。图6中，多元胞半导体放电管上、下两面分别是金属化层Ml、M2， 上、下金属电极是Tl、T2，以及四个PN结Jl、J2、J3、J4，发射区Ni、N3上的短路点D。将阴极发射区按照上述原则分散之后，即将Jl结和J4结进行了平均、规律地分散，当浪涌电流来到时J4和Jl结导通更快、散热更均勻。相比于传统的半导体放电管，达到均勻散热和减少放电管开通时间的效果。本发明将阴极发射区面积等分成多个阴极发射区，呈中心对称地分布在硼基区上，这样每个多元胞结构中的阴极发射区面积相等，此分布式集成结构使浪涌电流在任何方向上都趋于均勻，提高了器件在工作时的浪涌上升率，分散了工作器件面积从而分散了反向电流横向流动时引起的热量，浪涌电流流过器件时引起的发热也更加均勻，避免了热量的高度集中，降低器件的工作温度，从而减小由于热量过于集中而造成放电管的永久性损坏的概率，提高了单原胞半导体放电管的散热均勻性。由于采用分布式多元胞结构，阴极发射区的总体面积没有发生改变，但是阴极发射区的周长增加了，又由于半导体放电管的电流主要是在阴极发射区的边上流过，因而相比于单元胞半导体放电管，增加了发射区的周长，即增加了发射区初始导通面积，从而减少了放电管开通时间，明显提高了器件的稳定性和可靠性。本发明可直接应用于通信领域中的防雷击电子设备。以5kA半导体放电管为例，采用常规结构和取N为0进行对比，采用8/20US冲击电流测试方案(1)阶梯递增方法以IkA为基准，测试对象常规结构和本发明分布式多元胞结构，以5kA为基准测试，冲击10次；测试中，样品的工作状态正常；(每两次间的测试间隔冷却一分钟)，在5kA测试后，再以6kA为基准测试；常规结构，冲击1次，样品断路，而采用分布式多元胞结构，冲击10次；测试中，样品的工作状态正常；(每两次间的测试间隔冷却一分钟)，在6kA测试后，再以7kA为基准测试；样品在冲击第一次的测试中出现闪络， 样品短路；因此，采用分布式多元胞结构，导通更快，抗电涌能力提高了 20%。
权利要求
1.一种分布式多元胞集成半导体放电管，包括金属电极、阴极发射区、硼基区以及长基区，其特征在于，放电管的纵向为Ni、PI、N2、P2、N3五层结构，长基区位于半导体放电管区域的中心，在长基区的上下两面进行硼扩撒，形成硼基区P1、P2，在硼基区上将阴极发射区m和N3进行分布式扩散形成多元胞结构，再在其表面覆盖金属。
2.根据权利要求1所述分布式多元胞集成半导体放电管，其特征在于，所述多元胞结构具体为，将阴极发射区W和N3的面积分别按照2 (N+1)2的原则进行等分，分割成多个正方形阴极发射区，将多个正方形阴极发射区在硼基区上横向和纵向展开扩散，并分别呈中心对称地分布在对应的硼基区Pl和P2上，构成二维对称的多元胞结构，每个多元胞结构中的两个阴极发射区m和N3面积相等，其中，N依据元胞数决定，元胞数=2(N+1)2，N=0、1、2、 3、4。
3.根据权利要求1所述分布式多元胞集成半导体放电管，其特征在于，在半导体放电管硼基区Pl左上角扩散第一个正方形阴极发射区，横排和竖排方向均空一个正方形空格再扩散一个正方形阴极发射区，剩下部分以第一横排和第一竖排为基准，空一个正方形空格再扩散一个正方形阴极发射区，硼基区P2上扩散的正方形阴极发射区与硼基区Pl上扩散的正方形阴极发射区位置错开，正面没有扩散正方形阴极发射区的区域背面扩散正方形阴极发射区。
4.一种分布式多元胞集成半导体放电管制造方法，其特征在于，在N型衬底N2上进行硼扩散，在N型衬底两面形成硼基区Pl和P2，将硼基区Pl和P2分别等分为面积相等的小正方形基区，每个硼基区的小正方形基区个数等于二倍元胞数，再在硼扩散基区Pl和P2 上进行N的重掺杂扩散，形成阴极发射区Μ和N3，将阴极发射区m和N3的面积分别按照 2 (N+1)2的原则进行等分，分割成多个面积相等的正方形阴极发射区，将正方形阴极发射区分别在硼基区Pl和P2上横向和纵向展开复用，并分别呈中心对称地分布在对应的基区Pl 和P2上，构成二维对称的多元胞结构，其中，N依据多元胞的个数决定，元胞数=2(N+1)2。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述展开复用具体为，在半导体放电管硼基区Pl左上角扩散第一个正方形阴极发射区，横排和竖排方向均空一个正方形空格再扩散一个正方形阴极发射区，剩下部分以第一横排和第一竖排为基准，空一个正方形空格再扩散一个正方形阴极发射区，硼基区P2上扩散的正方形阴极发射区与硼基区Pl上扩散的正方形阴极发射区位置错开，正面没有扩散正方形阴极发射区的区域背面扩散正方形阴极发射区。
全文摘要
本发明公开一种分布式多原胞集成半导体放电管及制造方法，涉及半导体技术领域，本发明将单元胞放电管的阴极发射区N1和N3的面积进行等分，分割成多个正方形的阴极发射区，将等分分割之后形成的正方形的阴极发射区在基区上横向和纵向展开复用，并分别呈中心对称地分布在对应的基区P1和P2上，构成二维对称的多元胞集成结构，每个多元胞结构中的两个阴极短路区面积相等。本发明提高了单原胞半导体放电管的散热均匀性，减少了放电管开通时间，明显提高了器件的稳定性和可靠性。本发明可广泛应用于通信领域中的防雷击电子设备。
文档编号H01L29/06GK102569420SQ20121000613
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者向导, 唐政维, 左娇, 张志华, 张盼盼, 徐佳, 李文富, 罗嵘, 蒋龙, 谢欢, 赵卫峰 申请人:重庆邮电大学