專利名稱:Mos柵控橫向晶閘管的制作方法
本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，是一種新型結(jié)構(gòu)的晶閘管。
現(xiàn)有的晶閘管采用縱向PNPN四層結(jié)構(gòu)，是一種電流控制器件。它不能用低壓的數(shù)字電路直接控制其導(dǎo)通，由于縱向結(jié)構(gòu)晶閘管的三個(gè)電極不是從一個(gè)平面上引出，因此不利于實(shí)現(xiàn)電路集成化。
本實(shí)用新型的目的在于研制一種可以用低壓數(shù)字電路控制導(dǎo)通，而且便于實(shí)現(xiàn)電路集成化的新型結(jié)構(gòu)晶閘管。
本實(shí)用新型由PNPN四層結(jié)構(gòu)組成，其特點(diǎn)在于組成晶閘管的PNPN層為橫向結(jié)構(gòu)，采用MOS管和雙極型晶體管復(fù)合構(gòu)成，MOS管的源、漏區(qū)和雙極型晶體管的發(fā)射區(qū)及收集區(qū)組成橫向晶閘管的四層結(jié)構(gòu)，其中MOS管的漏區(qū)與雙極型晶體管的基區(qū)為公用區(qū)。MOS柵控晶閘管可分為PMOS型和NMOS型兩類，它們分別采用PMOS管和NPN雙極型晶體管復(fù)合構(gòu)成，或者采用NMOS管和PNP雙極型晶體管復(fù)合構(gòu)成。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有控制電路簡(jiǎn)單，制造方便等優(yōu)點(diǎn)。由于晶閘管三個(gè)電極都從表面引出，它的輸入阻抗高，采用電壓控制，只要有MOS管的開啟電壓就能控制其導(dǎo)通，故可以通過(guò)介質(zhì)隔離實(shí)現(xiàn)與常規(guī)CMOS低壓邏輯控制電路集成化，有利于制造各種高壓功率集成電路，用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和工業(yè)控制等場(chǎng)合。
圖1是PMOS柵控晶閘管的等效電路圖。
圖2是PMOS柵控晶閘管的剖面示意圖。
本實(shí)用新型可以采取以下方式實(shí)施一種高壓PMOS柵控橫向晶閘管，它由PMOS管和雙極型NPN晶體管復(fù)合而成，其等效電路和剖面示意圖如圖1和圖2所示。當(dāng)PMOS柵控晶閘管的陽(yáng)極A與陰極K之間加上正向電壓，即A接地，K接負(fù)電位時(shí)，由于陽(yáng)極A與襯底短路，J1結(jié)(陽(yáng)極與襯底間的P＋N結(jié))處于零偏，而J3結(jié)(NPN晶體管的發(fā)射結(jié))處于正偏，J2結(jié)(NPN晶體管的收集結(jié))則處于反偏，外加電壓基本上降落在J2結(jié)上。在J2結(jié)擊穿以前，通過(guò)晶閘管的電流只是J2結(jié)的反向飽和電流，晶閘管呈現(xiàn)正向阻斷狀態(tài)。為了提高正向阻斷能力，就要提高J2結(jié)的反向擊穿電壓，除了采用高阻襯底材料(一般選電阻率為5～30Ω－cm)以外，還必須盡可能消除表面效應(yīng)和PN結(jié)曲率半徑對(duì)擊穿電壓的影響。本實(shí)用新型采取漂移區(qū)和場(chǎng)極板結(jié)構(gòu)，即PMOS柵控管漏區(qū)和雙極晶體管N＋PN－基區(qū)的公用區(qū)采用離子注入形成輕摻雜的P－漂移區(qū)，而且在漂移區(qū)上面設(shè)置了延伸的源場(chǎng)極板。為了進(jìn)一步提高晶閘管的正向阻斷能力，還可以通過(guò)延伸MOS管的柵電極形成柵場(chǎng)極板。除了以上措施外，在圖形設(shè)計(jì)中用曲率半徑較大的半圓形或類似于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的弧形結(jié)構(gòu)作為MOS管漏區(qū)和雙極晶體管基區(qū)的公用區(qū)。PMOS管的溝道長(zhǎng)度L取(10～20)微米，溝道寬長(zhǎng)比W／L取(200～1000)；漂移區(qū)長(zhǎng)度LR取(50～70)微米，延伸源場(chǎng)極板長(zhǎng)度Lsf＝Ls′f＋Ls″f取(30～40)微米，延伸多晶硅柵場(chǎng)極板長(zhǎng)度Ls′f取(12～18)微米，Ls″f為源場(chǎng)極板大于柵場(chǎng)極板的長(zhǎng)度。MOS管的柵采用多晶硅全摻磷；漂移區(qū)二次離子注入，第一次在整個(gè)漂移區(qū)注入(劑量為2×1012／cm2)，第二次為柵場(chǎng)極板以外的漂移區(qū)注入(劑量為3×1012／cm2)，結(jié)深為(4～5)微米；雙極型N＋PN－晶體管的基區(qū)擴(kuò)散結(jié)深為(10～15)微米，發(fā)射區(qū)擴(kuò)散結(jié)深為(4～8)微米。選用襯底電阻率為(10～15)Ω－cm的(100)N型硅材料，采用硅柵PMOS和雙極晶體管常規(guī)工藝即可制備出晶閘管，其反向阻斷電壓為350伏以上。
PMOS柵控橫向晶閘管的陽(yáng)極A接地，陰極K接負(fù)電位時(shí)，J1結(jié)處于零偏、J2結(jié)處于反偏、J3結(jié)處于正偏，如果此時(shí)在PMOS管的柵極G上加負(fù)電位，使PMOS管開啟，其源漏電流IDS成為雙極型N＋PN－晶體管的基極電流，使該晶體管處于放大狀態(tài)，由于通過(guò)J2結(jié)流向襯底的電子電流在襯底電阻上產(chǎn)生電壓降，使J1結(jié)由零偏變?yōu)檎?，從而使由PMOS管源區(qū)P＋、襯底N－和PMOS管漏區(qū)P構(gòu)成的寄生雙極晶體管滿足放大狀態(tài)的偏置條件，從P＋區(qū)經(jīng)J1結(jié)向襯底N－區(qū)注入空穴，并被J2結(jié)的反向電場(chǎng)掃入P區(qū)形成空穴電流。由于N＋PN－晶體管的電子電流和P＋N－P寄生晶體管的空穴電流在J2結(jié)兩側(cè)的積累，逐步使J2結(jié)的反向偏壓降低，變成正向偏壓，晶閘管的J1結(jié)、J2結(jié)和J3結(jié)都處于正向偏置，從而使晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)。
PMOS柵控橫向晶閘管的陽(yáng)極與陰極間加上反向電壓，即陽(yáng)極A接地，陰極K接正電位時(shí)，由于PMOS管的源與襯底相聯(lián)，故J1結(jié)處于零偏，而J2結(jié)處于正偏，J3結(jié)則處于反偏。由于外加電壓基本上都降落在J3結(jié)，故晶閘管的反向阻斷電壓決定于J3結(jié)的擊穿電壓。由于PMOS柵控橫向晶閘管的J3結(jié)擊穿電壓較低，因此，通常在晶閘管的陰極K端增加高壓大電流反向二極管，以便提高晶閘管的反向阻斷電壓。
權(quán)利要求
1.一種新型結(jié)構(gòu)的晶閘管，由PNPN四層結(jié)構(gòu)組成，其特征在于組成晶閘管的PNPN層為橫向結(jié)構(gòu)，采用MOS管和雙極型晶體管復(fù)合構(gòu)成，MOS管的源、漏區(qū)和雙極型晶體管的發(fā)射區(qū)及收集區(qū)組成橫向晶閘管的四層結(jié)構(gòu)，其中MOS管的漏區(qū)與雙極型晶體管的基區(qū)為公用區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的晶閘管，其特征在于晶閘管由PMOS管和NPN雙極型晶體管復(fù)合構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的晶閘管，其特征在于晶閘管由NMOS管和PNP雙極型晶體管復(fù)合構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的晶閘管，其特征在于晶閘管采取漂移區(qū)和場(chǎng)極板結(jié)構(gòu)，即PMOS柵控管漏區(qū)和雙極型晶體管N＋PN－基區(qū)的公用區(qū)P－采用離子注入形成輕摻雜的漂移區(qū)，而且在漂移區(qū)上面設(shè)置了延伸的源場(chǎng)極板和由MOS管柵電極的延伸形成柵場(chǎng)極板。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的晶閘管，其特征在于PMOS管的溝道長(zhǎng)度L＝(10～20)微米，溝道寬長(zhǎng)比(W／L)＝(200～1000)，漂移區(qū)長(zhǎng)度LR＝(50～70)微米，源場(chǎng)極板長(zhǎng)度Lsf＝(30～40)微米，柵場(chǎng)極板長(zhǎng)度Ls′f＝(12～18)微米。
專利摘要
MOS柵控橫向晶閘管是一種新型結(jié)構(gòu)的晶閘管。組成晶閘管的PNPN層為橫向結(jié)構(gòu)。采用MOS管和雙極型晶體管復(fù)合構(gòu)成，MOS管的漏區(qū)和雙極型晶體管的基區(qū)為公用區(qū)。由于采用MOS管的柵控制晶閘管的導(dǎo)通，故可以用低壓數(shù)字電路直接控制；由于晶閘管的三個(gè)電極都從表面引出，故可以通過(guò)介質(zhì)隔離實(shí)現(xiàn)與常規(guī)CMOS低壓邏輯控制電路集成化，有利于制造各種高壓功率集成電路，它可廣泛應(yīng)用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和工業(yè)控制等場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H01L29/66GK87209110SQ87209110
公開日1988年6月8日 申請(qǐng)日期1987年6月10日
發(fā)明者謝世健, 張會(huì)珍, 朱靜遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:南京工學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan