本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三端自帶防護(hù)功能的橫向型恒流器件及其制造方法。

背景技術(shù)：

恒流源是一種常用的電子設(shè)備和裝置，在電子線路中使用相當(dāng)廣泛。恒流源用于保護(hù)整個電路，即使出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定或負(fù)載電阻變化很大的情況，都能確保供電電流的穩(wěn)定。但是，目前恒流二極管的擊穿電壓高位普遍為30～100V，因此存在擊穿電壓較低的問題，同時能提供的恒定電流也較低，而且多數(shù)的恒流二極管并不能應(yīng)對惡劣的外界環(huán)境，在受到雷擊，或電網(wǎng)波動產(chǎn)生的大電壓，大電流的情況很容易燒毀，導(dǎo)致后續(xù)的驅(qū)動電路的安全也難以保障，在恒流二極管外集成了瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS，Transient Voltage Suppressor)后，恒流二極管和整個驅(qū)動系統(tǒng)的抗浪涌能力都能得到增強(qiáng)，可靠性大大提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是將瞬態(tài)電壓抑制二極管集成到恒流二極管外圍，形成一個三端器件來驅(qū)動電路，提高抗浪涌能力，進(jìn)一步保障了器件和電路的可靠性。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流器件，包括橫向恒流二極管結(jié)構(gòu)與瞬態(tài)電壓抑制二極管結(jié)構(gòu)；

所述橫向恒流二極管結(jié)構(gòu)包括P型輕摻雜襯底，位于P型輕摻雜襯底下方的第一P型重?fù)诫s區(qū)，第一P型重?fù)诫s區(qū)下方的第二金屬陰極，P型輕摻雜襯底內(nèi)部上方的擴(kuò)散N型阱區(qū)，擴(kuò)散N型阱區(qū)內(nèi)部上方從左至右依次為第一N型重?fù)诫s區(qū)、第二P型重?fù)诫s區(qū)、第三P型輕摻雜區(qū)、第二N型重?fù)诫s區(qū)，覆蓋P型輕摻雜襯底上表面的氧化介質(zhì)層，覆蓋第一N型重?fù)诫s區(qū)和第二P型重?fù)诫s區(qū)上表面的第一金屬陰極，位于第二N型重?fù)诫s區(qū)上方的金屬陽極；第二P型重?fù)诫s區(qū)和第一N型重?fù)诫s區(qū)與第一金屬陰極形成歐姆接觸，第二N型重?fù)诫s區(qū)和金屬陽極形成歐姆接觸；

所述的瞬態(tài)電壓抑制二極管結(jié)構(gòu)包括P型輕摻雜襯底，位于P型輕摻雜襯底下方的第一P型重?fù)诫s區(qū)，第一P型重?fù)诫s區(qū)下方的第二金屬陰極，P型輕摻雜襯底內(nèi)部上方的擴(kuò)散N型阱區(qū)，位于擴(kuò)散N型阱區(qū)內(nèi)部右端的第二N型重?fù)诫s區(qū)，覆蓋P型輕摻雜襯底上表面的氧化介質(zhì)層，第二N型重?fù)诫s區(qū)上方的金屬陽極，所述第二N型重?fù)诫s區(qū)與金屬陽極形成歐姆接觸，所述的第一P型重?fù)诫s區(qū)與第二金屬陰極形成歐姆接觸。

作為優(yōu)選方式，所述橫向恒流器件接入LED驅(qū)動電路的方式為：金屬陽極與市電經(jīng)整流橋整流后的輸出端相連，第一金屬陰極接LED燈串的輸入端，第二金屬陰極與LED燈串輸出端相接，構(gòu)成一個瞬態(tài)電壓抑制二極管與恒流二極管和LED燈串并聯(lián)的電路。

作為優(yōu)選方式，第二P型重?fù)诫s區(qū)的結(jié)深和摻雜濃度與第三P型輕摻雜區(qū)的結(jié)深和摻雜濃度不同。

作為優(yōu)選方式，第二P型重?fù)诫s區(qū)的結(jié)深和摻雜濃度與第三P型輕摻雜區(qū)的結(jié)深和摻雜濃度相同，即等效于沒有第二P型重?fù)诫s區(qū)。

作為優(yōu)選方式，P型輕摻雜襯底和第一P型重?fù)诫s區(qū)的摻雜濃度相同，即等效于沒有第一P型高摻雜區(qū)。

作為優(yōu)選方式，P型輕摻雜襯底8的摻雜濃度和第一P型高摻雜區(qū)不同。

作為優(yōu)選方式，器件所用半導(dǎo)體材料為硅或碳化硅。

作為優(yōu)選方式，P型輕摻雜襯底摻雜濃度為8×10¹⁴cm^-3；第一P型重?fù)诫s區(qū)摻雜濃度為1.2×10¹⁹cm^-3；擴(kuò)散N型阱區(qū)摻雜濃度為3×10¹⁵cm^-3，結(jié)深為8微米；第二P型重?fù)诫s區(qū)摻雜濃度為2×10¹⁷cm^-3，結(jié)深為4微米；第三P型輕摻雜區(qū)摻雜濃度為3×10¹⁶，結(jié)深為1微米；第一N型重?fù)诫s區(qū)和第二N型重?fù)诫s區(qū)摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3，結(jié)深為2微米。

本發(fā)明還提供一種上述三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流器件的制造方法，包括以下步驟：

步驟1：采用帶第一P型重?fù)诫s區(qū)的P型硅片作為襯底；或者采用P型輕摻雜襯底，再通過背面注入形成第一P型重?fù)诫s區(qū)；

步驟2：進(jìn)行擴(kuò)散N型阱區(qū)的注入前預(yù)氧，進(jìn)行窗口刻蝕；

步驟2：進(jìn)行擴(kuò)散N型阱區(qū)注入，然后進(jìn)行擴(kuò)散N型阱區(qū)推結(jié)，刻蝕多余的氧化層；

步驟3：進(jìn)行第二P型重?fù)诫s區(qū)注入前預(yù)氧，進(jìn)行窗口刻蝕；

步驟4：進(jìn)行第二P型重?fù)诫s區(qū)注入，然后進(jìn)第二P型重?fù)诫s區(qū)擴(kuò)散，刻蝕多余的氧化層；

步驟5：進(jìn)行第三P型輕摻雜區(qū)注入前預(yù)氧，進(jìn)行窗口刻蝕；

步驟6：進(jìn)行第三P型輕摻雜區(qū)注入和退火，刻蝕多余的氧化層；

步驟7：進(jìn)行第一N型重?fù)诫s區(qū)和第二N型重?fù)诫s區(qū)注入前預(yù)氧，進(jìn)行窗口刻蝕；

步驟8：進(jìn)行第一N型重?fù)诫s區(qū)和第二N型重?fù)诫s區(qū)注入，刻蝕多余的氧化層；

步驟9：淀積前預(yù)氧，淀積氧化物，致密；

步驟10：光刻歐姆孔；

步驟11：淀積金屬層，刻蝕，形成第一金屬陰極、第二金屬陰極和金屬陽極。

本發(fā)明的有益效果如下：1、保持原橫向恒流器件的特性的同時，進(jìn)一步通過第一P型重?fù)诫s區(qū)與擴(kuò)散N型阱區(qū)以及第二N型重?fù)诫s區(qū)構(gòu)成瞬態(tài)電壓抑制二極管，在浪涌波動襲擊恒流器件時率先擊穿，泄放大電流，來保護(hù)恒流二極管以及其后驅(qū)動的LED燈串，提高了恒流器件及整個系統(tǒng)的可靠性，2、本發(fā)明通過一套工藝將瞬態(tài)電壓抑制二極管和垂直型恒流二極管做在一個硅基上，與外接分立的瞬態(tài)電壓抑制二極管相比，大大縮減了面積，降低了研發(fā)成本。

附圖說明

圖1(a)、(b)、(c)分別是傳統(tǒng)的兩端橫向的器件結(jié)構(gòu)圖、恒流二極管件符號圖、應(yīng)用的LED驅(qū)動電路；

圖2(a)、(b)、(c)分別是本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)圖、恒流二極管件符號圖、應(yīng)用的LED驅(qū)動電路；

圖3本發(fā)明的三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流器件的正向恒流器件特性曲線；

圖4本發(fā)明的三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流器件的浪涌條件下的擊穿特性曲線；

圖5本發(fā)明的三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流器件的工藝制作流程圖；

圖6本發(fā)明的三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流器件的工藝制作流程的工藝仿真圖。

1為第一金屬陰極，2為氧化介質(zhì)層，3為第一N型重?fù)诫s區(qū)，4為第二P型重?fù)诫s區(qū)，5為第三P型輕摻雜區(qū)，6為第二N型重?fù)诫s區(qū)，7為擴(kuò)散N型阱區(qū)，8為P型輕摻雜襯底，9為第二金屬陰極，10為金屬陽極，11為第一P型重?fù)诫s區(qū)。

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

圖1為傳統(tǒng)的垂直型恒流二極管，圖1有3個子圖(a)、(b)、(c)分別是傳統(tǒng)的兩端橫向的器件結(jié)構(gòu)圖、恒流二極管件符號圖、應(yīng)用的LED驅(qū)動電路；圖2為本發(fā)明的三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流器件，圖2也有3個子圖(a)、(b)、(c)分別是傳統(tǒng)的兩端橫向的器件結(jié)構(gòu)圖、恒流二極管件符號圖、應(yīng)用的LED驅(qū)動電路；從器件符號可以看出新型三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流器件比傳統(tǒng)的橫向恒流二極管多出一端為第二金屬陰極9，此外從器件結(jié)構(gòu)中可以看出，本發(fā)明的三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流二極管比傳統(tǒng)的橫向恒流二極管多出了瞬態(tài)電壓抑制二極管的部分，所以本發(fā)明的三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流二極管包括橫向恒流二極管結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)電壓抑制二極管結(jié)構(gòu)；

所述橫向恒流二極管結(jié)構(gòu)包括P型輕摻雜襯底8，位于P型輕摻雜襯底8下方的第一P型重?fù)诫s區(qū)11，第一P型重?fù)诫s區(qū)11下方的第二金屬陰極9，P型輕摻雜襯底8內(nèi)部上方的擴(kuò)散N型阱區(qū)7，擴(kuò)散N型阱區(qū)7內(nèi)部上方從左至右依次為第一N型重?fù)诫s區(qū)3、第二P型重?fù)诫s區(qū)4、第三P型輕摻雜區(qū)5、第二N型重?fù)诫s區(qū)6，覆蓋P型輕摻雜襯底8上表面的氧化介質(zhì)層2，覆蓋第一N型重?fù)诫s區(qū)3和第二P型重?fù)诫s區(qū)4上表面的第一金屬陰極1，位于第二N型重?fù)诫s區(qū)6上方的金屬陽極10；第二P型重?fù)诫s區(qū)4和第一N型重?fù)诫s區(qū)3與第一金屬陰極1形成歐姆接觸，第二N型重?fù)诫s區(qū)6和金屬陽極10形成歐姆接觸；且第二P型重?fù)诫s區(qū)4和第三P型輕摻雜區(qū)5的引入調(diào)節(jié)了表面電場從而調(diào)制表面電場，提高擊穿電壓，同時第三P型輕摻雜區(qū)5可輔助耗盡N型阱區(qū)，使溝道更易夾斷，快速進(jìn)入恒流區(qū)，使得橫向恒流二極管具有較低夾斷電壓，較深的第二P型重?fù)诫s區(qū)4縮短了溝道長度，提高了橫向恒流二極管的恒定電流，同時兩個P阱可以提供大量空穴，由于電荷平衡，N阱濃度相應(yīng)提供，從而進(jìn)一步增大了橫向恒流二極管的恒定電流。

所述的瞬態(tài)電壓抑制二極管結(jié)構(gòu)包括P型輕摻雜襯底8，位于P型輕摻雜襯底8下方的第一P型重?fù)诫s區(qū)11，第一P型重?fù)诫s區(qū)11下方的第二金屬陰極9，P型輕摻雜襯底8內(nèi)部上方的擴(kuò)散N型阱區(qū)7，位于擴(kuò)散N型阱區(qū)7內(nèi)部右端的第二N型重?fù)诫s區(qū)6，覆蓋P型輕摻雜襯底8上表面的氧化介質(zhì)層2，第二N型重?fù)诫s區(qū)6上方的金屬陽極10，所述第二N型重?fù)诫s區(qū)6與金屬陽極10形成歐姆接觸，所述的第一P型重?fù)诫s區(qū)11與第二金屬陰極9形成歐姆接觸。且瞬態(tài)電壓二極管的擊穿電壓和脈沖峰值電流可以根據(jù)P型輕參雜襯底8和擴(kuò)散N型阱區(qū)7的摻雜濃度來調(diào)節(jié)，同時元胞的寬度來會影響瞬態(tài)電壓抑制二極管電容的大小。

所述橫向恒流器件接入LED驅(qū)動電路的方式為：金屬陽極與市電經(jīng)整流橋整流后的輸出端相連，第一金屬陰極1接LED燈串的輸入端，第二金屬陰極9與LED燈串輸出端相接，構(gòu)成一個瞬態(tài)電壓抑制二極管與恒流二極管和LED燈串并聯(lián)的電路。

第二P型重?fù)诫s區(qū)4的結(jié)深和摻雜濃度與第三P型輕摻雜區(qū)5的結(jié)深和摻雜濃度可以不同，也可以相同，第二P型重?fù)诫s區(qū)4的結(jié)深和摻雜濃度與第三P型輕摻雜區(qū)5的結(jié)深和摻雜濃度相同時即等效于沒有第二P型重?fù)诫s區(qū)4。

P型輕摻雜襯底8的摻雜濃度和第一P型高摻雜區(qū)11不同，也可以相同，相同時即等效于沒有第一P型高摻雜區(qū)11。

器件所用半導(dǎo)體材料為硅或碳化硅。

P型輕摻雜襯底8摻雜濃度為8×10¹⁴cm^-3；第一P型重?fù)诫s區(qū)11摻雜濃度為1.2×10¹⁹cm^-3；擴(kuò)散N型阱區(qū)7摻雜濃度為3×10¹⁵cm^-3，結(jié)深為8微米；第二P型重?fù)诫s區(qū)4摻雜濃度為2×10¹⁷cm^-3，結(jié)深為4微米；第三P型輕摻雜區(qū)5摻雜濃度為3×10¹⁶，結(jié)深為1微米；第一N型重?fù)诫s區(qū)3和第二N型重?fù)诫s區(qū)6摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3，結(jié)深為2微米。

本發(fā)明還提供一種上述三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流器件的制造方法，包括以下步驟：

步驟1：采用帶第一P型重?fù)诫s區(qū)11的P型硅片作為襯底；或者采用P型輕摻雜襯底8，再通過背面注入形成第一P型重?fù)诫s區(qū)11；

步驟2：進(jìn)行擴(kuò)散N型阱區(qū)7的注入前預(yù)氧，進(jìn)行窗口刻蝕；

步驟2：進(jìn)行擴(kuò)散N型阱區(qū)7注入，然后進(jìn)行擴(kuò)散N型阱區(qū)7推結(jié)，刻蝕多余的氧化層；

步驟3：進(jìn)行第二P型重?fù)诫s區(qū)4注入前預(yù)氧，進(jìn)行窗口刻蝕；

步驟4：進(jìn)行第二P型重?fù)诫s區(qū)4注入，然后進(jìn)第二P型重?fù)诫s區(qū)4擴(kuò)散，刻蝕多余的氧化層；

步驟5：進(jìn)行第三P型輕摻雜區(qū)5注入前預(yù)氧，進(jìn)行窗口刻蝕；

步驟6：進(jìn)行第三P型輕摻雜區(qū)5注入和退火，刻蝕多余的氧化層；

步驟7：進(jìn)行第一N型重?fù)诫s區(qū)3和第二N型重?fù)诫s區(qū)6注入前預(yù)氧，進(jìn)行窗口刻蝕；

步驟8：進(jìn)行第一N型重?fù)诫s區(qū)3和第二N型重?fù)诫s區(qū)6注入，刻蝕多余的氧化層；

步驟9：淀積前預(yù)氧，淀積氧化物，致密；

步驟10：光刻歐姆孔；

步驟11：淀積金屬層，刻蝕，形成第一金屬陰極1、第二金屬陰極9和金屬陽極10。

本發(fā)明所述三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流器件的工作原理為：

三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流器件接入LED驅(qū)動電路如圖2(c)所示，恒流二極管金屬陽極10連接市電經(jīng)過整流后的高電位端，第一金屬陰極1接LED燈串的輸入端，第二金屬陰極9接地為浪涌來了后泄放大電流。在沒有浪涌的條件下，新型三端自帶防護(hù)功能的橫向恒流器件的恒流二極管的部分正常工作，恒流二極管元胞外圍的瞬態(tài)電壓抑制二極管部分不工作，如圖3的電壓電流曲線所示，隨著陽極電壓增加，器件的電流增加，當(dāng)陽極電壓為10V時恒流二極管電流達(dá)到3×10^-6A/μm的恒流值，陽極電壓為10至100V時，器件都能保證橫流特性來正常驅(qū)動后續(xù)的LED燈串；在有瞬態(tài)高能沖擊恒流二極管和驅(qū)動電路時，第一P型重?fù)诫s區(qū)11接第二金屬陰極9，第二N型重?fù)诫s區(qū)6接金屬陽極10，因此擴(kuò)散N型阱區(qū)7的電位高于P型輕摻雜襯底8，所以P型輕摻雜襯底8和擴(kuò)散N型阱區(qū)7構(gòu)成的PN結(jié)反偏，發(fā)生雪崩電離產(chǎn)生大電流從第二金屬陰極9流到地，達(dá)到泄放大電流作用，快速從高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，如圖4電壓電流曲線所示，浪涌經(jīng)過電路時，器件的瞬態(tài)電壓抑制二極管部分能快速響應(yīng)，將器件和驅(qū)動電路的兩端鉗位在160V的安全電壓，避免器件的恒流二極管部分燒毀，吸收浪涌功率，使得恒流二極管和驅(qū)動電路免受浪涌脈沖的破壞。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。