一种平面型双向触发二极管及其制备方法与流程

本发明涉及一种平面型双向触发二极管及其制备方法，属于半导体技术领域。

背景技术：

双极交流开关(diac，diodeacswitch)，又称双向触发二极管，是一种传统半导体器件。由于其特殊的电流—电压特性，使其在正或负的阳极电压下皆可以实现器件的开关，是一种用途广泛的开关器件，主要应用于自动控制、家用电器等方面。目前，diac器件主要采用双扩散的体加工工艺制作，典型产品有db3。

传统diac器件通常是分立器件，主要采用纵向五层结构，如图1所示；图1为双向触发二极管的剖面图，在该五层结构的基础上将发射极短路(可采用金属电极覆盖p2区和n2区的方式)，可改善其温度特性，diac器件结构可以等效为两个互补的三极管，如图2所示，每个三极管的集电极都接到对方的基极，从电流角度来说，电流在集电极—基极—集电极—基极构成放大循环，从而在diac器件内部组成了强烈的正反馈，对电流进行不断放大，当电流值放大到一定值时，在i-v特性曲线上出现转折点，继而表现为负阻性，器件由关断状态变为导通状态。

但是传统diac器件为分立器件，其无法直接集成到集成电路中，若按照集成电路制备方法将其集成到集成电路中，如图3所示，则会造成其热容量小，热容量小势必导致其散热性能差，应用中会导致集成电路易被烧坏。

技术实现要素：

为了解决传统diac器件作为分立器件无法集成到集成电路中去的问题，本发明提供了一种平面型双向触发二极管及其制备方法；

本发明的第一个目的在于提供一种平面型双向触发二极管，所述平面型双向触发二极管的结构是自下而上包括：p型衬底和n型外延层；在n型外延层上掺杂两个p阱，在两个p阱上分别再掺杂一个n阱。

可选的，所述两个p阱间距10-300μm，结深0.5-10μm，宽度10-200μm。

可选的，两个n阱的结深0.1-5μm，宽度0.5-200μm。

可选的，所述p型衬底和/或p阱为p型杂质，包括硼、铝、镓，其中p型衬底的浓度量级1e13cm^-3-1e15cm^-3，p阱的掺杂浓度为1e15cm^-3-1e18cm^-3；n型外延层和/或n阱为n型si掺杂为氮、磷、砷中的任意一种，其中n型外延层的浓度量级为1e13cm^-3-1e15cm^-3，n阱的浓度量级为1e17cm^-3-1e20cm^-3。

本发明的第二个目的在于提供一种平面型双向触发二极管，所述平面型双向触发二极管的结构是自下而上包括：n型衬底和p型外延层；在p型外延层上掺杂两个n阱，在两个n阱上再分别掺杂一个p阱。

可选的，所述两个n阱间距10-300μm，结深0.5-10μm，宽度10-200μm；两个p阱宽度0.5-200μm，p阱的结深不超过n阱的结深。

可选的，所述n型衬底和/或n阱为n型杂质，包括氮、磷、砷，其中n型衬底的浓度量级1e13cm^-3-1e15cm^-3，n阱的掺杂浓度为1e15cm^-3-1e18cm^-3；p型外延层和/或p阱为p型si掺杂为硼、铝、镓中的任意一种，其中p型外延层的浓度量级为1e13cm^-3-1e15cm^-3；p阱的浓度量级为1e17cm^-3-1e20cm^-3。

本发明的第三个目的在于提供一种上述平面型双向触发二极管的制备方法，所述方法包括：

1)选择p衬底si，厚度300μm以上，掺杂为硼、铝、镓中的任意一种，浓度量级1e13cm^-3-1e15cm^-3；

2)在p衬底外延一层厚度为10μm以上的n型si，掺杂为氮、磷、砷中的任意一种，浓度量级1e13cm^-3-1e15cm^-3；

3)在n外延层掺杂形成两块p阱，两个p阱间距10-300μmμm，结深0.5-10μm，宽度为10-200μm，杂质为硼、铝、镓中的任意一种，掺杂浓度为1e15cm^-3-1e18cm^-3；

4)在每个p阱上分别进行n掺杂形成n阱，结深0.1-5μm，宽度为0.5-200μm，杂质为氮、磷、砷中的任意一种，浓度量级1e17cm^-3-1e20cm^-3。

本发明的第四个目的在于提供一种上述平面型双向触发二极管的制备方法，所述方法包括：

一、选择n衬底si，厚度300μm以上，掺杂为氮、磷、砷中的任意一种，浓度量级1e13cm^-3-1e15cm^-3,；

二、在n衬底外延一层厚度为10μm以上的p型si，掺杂为硼、铝、镓，浓度量级1e13cm^-3至1e15cm^-3；

三、在p外延层掺杂形成两块n阱，两个n阱间距10-300μm，结深0.5-10μm，宽度为10-200μm，杂质为氮、磷、砷中的任意一种，掺杂浓度为1e15cm^-3-1e18cm^-3；

四、在每个n阱上分别进行p掺杂形成p阱，结深0.1-5μm，宽度为0.5-200μm，杂质为硼、铝、镓中的任意一种，浓度量级1e17cm^-3-1e20cm^-3。

本发明的第五个目的在于提供一种集成电路，所述集成电路包括上述平面型双向触发二极管。

可选的，所述集成电路用于家用电器、开关电源和电子开关、电子镇流器。

本发明的第六个目的在于提供一种上述平面型双向触发二极管、制备方法和/或集成电路在控制电路、家用电器中的应用。

本发明有益效果是：

本发明突破分立器件的设计限制，不再沿用垂直设计的思路，而是采用与双极型集成电路工艺兼容的方法，设计出一款平面型diac器件，通过自下而上p型衬底和n型外延层，且在n型外延层上掺杂两个处于同一水平位置的p阱，在两个p阱上分别掺杂一个n阱；将集成电路的整个p型衬底和平面型diac器件做成一体，改善了触发二极管的触发特性，且增强了热容量，使得其能够应用于集成电路中，且不存在易被烧坏的缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统diac的纵向结构图；

图2是传统diac的等效电路图；

图3是将传统diac按照集成电路制备方法集成至集成电路中的设想结构图；

图4是本发明提供的平面型双向触发二极管的结构图；

图5是本发明提供的平面型双向触发二极管的各部分构成尺寸示意图；

图6是传统diac不同工艺尺寸情况下的i-v特性曲线图，其中(a)为传统diac的正向导通i-v特性曲线图，(b)为传统diac的触发特性i-v特性曲线图；

图7是本发明提供的平面型双向触发二极管的器件不同工艺尺寸情况下的i-v特性曲线图，其中(a)为本发明提供的平面型双向触发二极管的正向导通i-v特性曲线图，(b)为本发明提供的平面型双向触发二极管的触发特性i-v特性曲线图；

图8是传统diac与本发明提供的平面型双向触发二极管的热容量分布对比图，其中上面所示为传统diac的热量分布；下图为本发明提供的平面型双向触发二极管的热量分布；

图9是典型的双向触发器件的应用电路图；

图10是包含本发明提供的平面型双向触发二极管的实际设计的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种平面型双向触发二极管，参见图4，所述平面型双向触发二极管的结构是自下而上包括：p型衬底和n型外延层；在n型外延层上掺杂两个p阱，在两个p阱上再分别掺杂一个n阱；

两个p阱间距10-300μm，结深0.5-10μm，宽度10-200μm。

两个n阱的结深0.1-5μm，宽度0.5-200μm

所述p型衬底和/或p阱为p型杂质，包括硼、铝、镓，其中p型衬底的浓度量级1e13cm^-3-1e15cm^-3，p阱的掺杂浓度为1e15cm^-3-1e18cm^-3；n型外延层和/或n阱为n型si掺杂为氮、磷、砷，其中n型外延层的浓度量级为1e13cm^-3-1e15cm^-3，n阱的浓度量级为1e17cm^-3-1e20cm^-3。

实施例二：

本实施例提供一种平面型双向触发二极管的制备方法，如图5所示，所述方法包括：

1)选择p衬底si，厚度300μm以上，掺杂为硼，浓度量级1e13cm^-3；

2)在p衬底外延一层厚度为10μm以上的n型si，掺杂为磷，浓度量级1e14cm^-3；

3)在n外延层掺杂形成两块p阱，两个p阱间距30μm，结深7μm，宽度为150μm，杂质为硼，浓度量级1e16cm^-3；

4)在p阱上进行n掺杂，结深3.5μm，宽度为110μm，杂质为磷，浓度量级1e18cm^-3。

通过本实施例提供的制备方法制备出实施例一所述的平面型双向触发二极管，将集成电路的整个p型衬底和平面型diac器件做成一体，改善了触发二极管的触发特性，且增强了热容量，使得其能够应用于集成电路中，且不存在易被烧坏的缺点。

由于另外一种平面型双向触发二极管只是将p型材料和n型材料对调，所以这里不再进行说明。

下面对传统diac器件和本发明提供的平面型双向触发二极管的i-v特性和热容量分布进行比较：

图6是传统diac不同工艺尺寸情况下的i-v特性曲线图；图7是本发明提供的平面型双向触发二极管的器件不同工艺尺寸情况下的i-v特性曲线图；

由图6和图7可知，本发明的平面双向触发二极管的触发特性明显得到提高，首先器件的一致性得到提高，另外，本发明的器件的导通维持电流比较低，图6中所示的传统器件的导通维持电流一般在0.2安培，而图7所示的本发明的导通维持电流仅为0.05安培以下，触发特性得到明显改善。

图8是传统diac与本发明提供的平面型双向触发二极管的热容量分布对比图，其中上面所示为传统diac的热量分布；下图为本发明提供的平面型双向触发二极管的热量分布；

由图8可知，上面所示的传统diac的热量分布主要集中在表面，其散热性不好；下面所示的本发明提供的平面型双向触发二极管的热量分布在整个衬底的分布更均匀，散热性能更好，这是因为本发明增加了n阱，使得平面型双向触发二极管和集成电路的整个衬底成为一体，从而增加了其热容量，散热性能更好。

需要进行说明的是，图8为在comsol软件上的模拟结果。

由此可知，本发明提供的平面型双向触发二极管可以集成在集成电路中使用，图9给出了典型的双向触发器件的应用电路图，该电路图实现了开关同步整流的功能；该电路图的实际电路构成如图10所示，其中diac1为本发明提供的平面型双向触发二极管，采用本发明提供的平面型双向触发二极管后，该电路的触发更为灵敏，整流效率得到提高，电源输出效率可达90％以上。

需要进行说明的是，本发明提供的平面型双向触发二极管还可以应用在光耦触发电路、电源管理电路等ac-dc变换的场合，也可应用在dc-dc变换的场合电路中，本发明仅以上述电路为例进行说明。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。