本發(fā)明屬于半導體功率器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三端自帶防護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廣泛。恒流源用于保護整個電路，即使出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定或負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，可靠性大大提高。

技術(shù)實現(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型重摻雜區(qū)，第一P型重摻雜區(qū)下方的第二金屬陰極，P型輕摻雜襯底內(nèi)部上方的擴散N型阱區(qū)，擴散N型阱區(qū)內(nèi)部上方從左至右依次為第一N型重摻雜區(qū)、第二P型重摻雜區(qū)、第三P型輕摻雜區(qū)、第二N型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)和第二P型重摻雜區(qū)上表面的第一金屬陰極，位于第二N型重摻雜區(qū)上方的金屬陽極；第二P型重摻雜區(qū)和第一N型重摻雜區(qū)與第一金屬陰極形成歐姆接觸，第二N型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)，第一P型重摻雜區(qū)下方的第二金屬陰極，P型輕摻雜襯底內(nèi)部上方的擴散N型阱區(qū)，位于擴散N型阱區(qū)內(nèi)部右端的第二N型重摻雜區(qū)，覆蓋P型輕摻雜襯底上表面的氧化介質(zhì)層，第二N型重摻雜區(qū)上方的金屬陽極，所述第二N型重摻雜區(qū)與金屬陽極形成歐姆接觸，所述的第一P型重摻雜區(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型重摻雜區(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型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)。

作為優(yōu)選方式，P型輕摻雜襯底和第一P型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)摻雜濃度為1.2×10¹⁹cm^-3；擴散N型阱區(qū)摻雜濃度為3×10¹⁵cm^-3，結(jié)深為8微米；第二P型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)和第二N型重摻雜區(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型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)；

步驟2：進行擴散N型阱區(qū)的注入前預氧，進行窗口刻蝕；

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

步驟3：進行第二P型重摻雜區(qū)注入前預氧，進行窗口刻蝕；

步驟4：進行第二P型重摻雜區(qū)注入，然后進第二P型重摻雜區(qū)擴散，刻蝕多余的氧化層；

步驟5：進行第三P型輕摻雜區(qū)注入前預氧，進行窗口刻蝕；

步驟6：進行第三P型輕摻雜區(qū)注入和退火，刻蝕多余的氧化層；

步驟7：進行第一N型重摻雜區(qū)和第二N型重摻雜區(qū)注入前預氧，進行窗口刻蝕；

步驟8：進行第一N型重摻雜區(qū)和第二N型重摻雜區(qū)注入，刻蝕多余的氧化層；

步驟9：淀積前預氧，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，進一步通過第一P型重摻雜區(qū)與擴散N型阱區(qū)以及第二N型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)，4為第二P型重摻雜區(qū)，5為第三P型輕摻雜區(qū)，6為第二N型重摻雜區(qū)，7為擴散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型重摻雜區(qū)。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，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)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

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型重摻雜區(qū)11，第一P型重摻雜區(qū)11下方的第二金屬陰極9，P型輕摻雜襯底8內(nèi)部上方的擴散N型阱區(qū)7，擴散N型阱區(qū)7內(nèi)部上方從左至右依次為第一N型重摻雜區(qū)3、第二P型重摻雜區(qū)4、第三P型輕摻雜區(qū)5、第二N型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)3和第二P型重摻雜區(qū)4上表面的第一金屬陰極1，位于第二N型重摻雜區(qū)6上方的金屬陽極10；第二P型重摻雜區(qū)4和第一N型重摻雜區(qū)3與第一金屬陰極1形成歐姆接觸，第二N型重摻雜區(qū)6和金屬陽極10形成歐姆接觸；且第二P型重摻雜區(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型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)11，第一P型重摻雜區(qū)11下方的第二金屬陰極9，P型輕摻雜襯底8內(nèi)部上方的擴散N型阱區(qū)7，位于擴散N型阱區(qū)7內(nèi)部右端的第二N型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)6上方的金屬陽極10，所述第二N型重摻雜區(qū)6與金屬陽極10形成歐姆接觸，所述的第一P型重摻雜區(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型重摻雜區(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型重摻雜區(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型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)11摻雜濃度為1.2×10¹⁹cm^-3；擴散N型阱區(qū)7摻雜濃度為3×10¹⁵cm^-3，結(jié)深為8微米；第二P型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)3和第二N型重摻雜區(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型重摻雜區(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型重摻雜區(qū)11；

步驟2：進行擴散N型阱區(qū)7的注入前預氧，進行窗口刻蝕；

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

步驟3：進行第二P型重摻雜區(qū)4注入前預氧，進行窗口刻蝕；

步驟4：進行第二P型重摻雜區(qū)4注入，然后進第二P型重摻雜區(qū)4擴散，刻蝕多余的氧化層；

步驟5：進行第三P型輕摻雜區(qū)5注入前預氧，進行窗口刻蝕；

步驟6：進行第三P型輕摻雜區(qū)5注入和退火，刻蝕多余的氧化層；

步驟7：進行第一N型重摻雜區(qū)3和第二N型重摻雜區(qū)6注入前預氧，進行窗口刻蝕；

步驟8：進行第一N型重摻雜區(qū)3和第二N型重摻雜區(qū)6注入，刻蝕多余的氧化層；

步驟9：淀積前預氧，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功能的橫向恒流器件的工作原理為：

三端自帶防護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，當陽極電壓為10V時恒流二極管電流達到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型重摻雜區(qū)11接第二金屬陰極9，第二N型重摻雜區(qū)6接金屬陽極10，因此擴散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，對上述實施例進行修飾或改變。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。