CN102623453A

CN102623453A - 功率器件、制备方法及使用其的节能电子照明电路

Info

Publication number: CN102623453A
Application number: CN2011100371741A
Authority: CN
Inventors: 蒋正勇
Original assignee: Wuxi China Resources Huajing Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Wuxi China Resources Huajing Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: CN102623453B

Abstract

本发明提供一种功率器件、制备方法及使用其的节能电子照明电路，属于功率器件技术领域。该功率器件集成二极管和三极管，其包括第一电极、第二电极和第三电极；该功率器件的半导体衬底上设置有：N型掺杂的第一区域，在第一区域中掺杂形成的P型掺杂的第二区域和第三区域，以及分别在第二区域和第三区域中掺杂形成的N型掺杂的第四区域和第五区域；第一区域电性连接至第一电极，第二区域和第五区域均电性连接至第二电极，第四区域和第三区域均电性连接至第三电极。该功率器件的制备方法简单、成本低，该功率器件的稳定性、可靠性以及适应性好。使用该功率器件的节能电子照明电路结构简单、成本低，并且一致性、可靠性、稳定性好。

Description

功率器件、制备方法及使用其的节能电子照明电路

技术领域

本发明属于功率器件技术领域，具体涉及一种集成二极管和三极管的功率器件、该功率器件的制备方法以及使用该功率器件的节能电子照明电路。

背景技术

功率器件是一种常用的电子器件，其中，三极管是最常见的一种基本功率器件。图1所示为现有的三极管功率器件的基本结构和基本电路示意图，其中图1(a)为三极管功率器件的基本结构图，图1(b)为三极管功率器件的基本电路的示意图。如图1所示，以NPN型三极管进行示意图说明，其中，衬底基板上包括用于形成集电极(C)的N型掺杂的□区、用于形成发射极(E)的N型掺杂的III区、以及用于形成基极(B)的P型掺杂的II区；I区、II区和III区是在N/N+衬底<111>上采用多次扩散工艺(或离子注入工艺)形成两个相互关联的PN结从而形成三极管。集电极C设置在衬底基板的下面，发射极E和基极B设置在衬底基板的上面。图1(a)中仅示出了在部分衬底基板上的一个三极管，在实际应用中，衬底基板上可以形成多个三极管，从而实现衬底基板内多个三极管并联实现大功率应用。

三极管的基本工作原理是，当基极-发射极电压V_FBE大于器件的开启电压(通常硅器件为0.7V)时，晶体管的BE结(PN结)开始导通，电子由发射区注入到基区形成堆积，此时，如果在集电极基极之间加一个电压，集电极为正，基极为负，则在该电场作用下，堆积在基区的电子被加速移动到集电区，这样就形成从发射区到集电区的电子流，即从集电极到发射极的电流。通常地，基极的基区宽度影响该器件的电流放大系数β，也即影响电流放大能力。器件的基区宽度具体根据其用途不同通常设置为1μm宽到几十μm宽不等。

当这种三极管应用于节能电子照明电路时，通常需要在三极管的集电极和发射极之间反向并联一只二极管(D)、并在基极和发射极之间反向并联一只二极管。其典型应用电路如图2所示。

图2所示为现有技术的节能电子照明电路示意图。如图2所示，该电子照明电路包括电源电路模块110、启动回路模块120以及电子照明灯模块130。其中，其中回路模块120应用了两个如图1所示的三极管功率器件Q1、Q2。以Q1为例，其集电极和发射极之间反向并联了一个二极管D5，D5可以用于防止集电极和发射极之间的电压反向偏置损坏Q1；Q1的基极和发射极之间反向并联了一个二极管D9，D9可以改善电路启动性能并防止基极和发射极之间的电压反向偏置损坏Q1。因此，二极管D5和D9对三极管Q1具有保护作用，同样地，二极管D6和D10对三极管Q2也具有保护作用。

但是，图2所示节能电子照明电路使用图1所示的三极管时，其驱动回路120电路复杂，使用元器件较多，并且还需要使用脉冲变压器T1和触发二极管DB3，其中，脉冲变压器T1需要手工制作、一致性差，触发二极管DB3易损坏。因此，电路整体可靠性差。

有鉴于此，有必要提出一种新型的功率器件以提高节能电子照明电路的一致性、稳定性、可靠性，并降低成本。

发明内容

针对以上所描述的现有技术的问题，本发明提出一种新型的功率器件。

按照本发明的一个方面，提供一种集成二极管和三极管的功率器件，其包括第一电极(1)、第二电极(2)和第三电极(3)；所述功率器件的半导体衬底上设置有：

N型掺杂的第一区域(13)，

在所述第一区域中掺杂形成的P型掺杂的第二区域(31)和第三区域(33)，以及

分别在所述第二区域和第三区域中掺杂形成的N型掺杂的第四区域(51)和第五区域(53)；

其中，所述第一区域(13)、第二区域(31)和第四区域(51)用于形成第一三极管(Tr1)，所述第二区域(31)、第一区域(13)和第三区域(33)用于形成第二三极管(Tr2)，所述第三区域(33)和第一区域(13)用于形成第二二极管(D2)，所述第三区域(33)和第五区域(53)用于形成第一二极管(D1)；

并且，所述第一区域(13)电性连接至第一电极(1)，所述第二区域(31)和所述第五区域(53)均电性连接至第二电极(2)，所述第四区域(51)和所述第三区域(33)均电性连接至第三电极(3)。

按照本发明提供的功率器件，其中，所述第一区域、第二区域和第四区域分别用于形成所述第一三极管的集电极、基极和发射极，所述第二区域、第一区域和第三区域分别用于形成所述第二三极管的发射极、基极和集电极，所述第三区域、第一区域分别用于形成第二二极管的正极和负极，所述第三区域、第五区域分别用于形成所述第一二极管的正极和负极。

所述第一二极管并联偏置于所述第一三极管的基极和发射极之间，所述第二二极管并联偏置于所述第一三极管的集电极和发射极之间。

较佳地，所述第四区域和第五区域的掺杂浓度范围基本为1×10¹⁹cm^-3～1×10²¹cm^-3，所述第二区域和第三区域的掺杂浓度范围基本为1×10¹⁷cm^-3～2×10¹⁸cm^-3。

较佳地，所述第一区域包括第一掺杂类型的第一子区域和第二子区域，所述第二子区域形成于第一子区域之上，并且所述第二子区域的掺杂浓度小于所述第一子区域的掺杂浓度。

较佳地，所述第二子区域的掺杂浓度范围基本为5×10¹³cm^-3～5×10¹⁴cm^-3。

较佳地，在所述第一区域中的第二区域和第三区域之间的相邻间距范围基本为40μm～70μm。

较佳地，用于形成所述第一三极管的基极的所述第二区域的厚度范围基本为10μm～60μm。

较佳地，所述第三区域的截面积相应地小于所述第二区域的截面积；所述第五区域的截面积相应地小于所述第四区域的截面积。

按照本发明的又一方面，提供一种用于制备以上所述的功率器件的方法，其包括以下步骤：

(1)选择N型半导体衬底上，在所述N型半导体衬底上形成N型掺杂的第一区域；

(2)在所述第一区域上构图进行P型掺杂、以形成P型掺杂的第二区域和第三区域；

(3)分别在所述第二区域和所述第三区域上构图进行N型掺杂、以形成N型掺杂的第四区域和第五区域；以及

(4)在所述半导体衬底的背面引出第一电极，在所述半导体衬底上面的所述第二区域上和所述第五区域上引出第二电极，在半导体衬底上面的所述第四区域上和所述第三区域上引出第三电极。

较佳地，在所述第一区域上构图进行P掺杂时，构图以设置所述第二区域和所述第三区域之间的相邻间距范围基本为40μm～70μm。

较佳地，所述第二区域的厚度被构图基本设置在10μm～60μm的范围。

按照本发明的再一方面，提供一种节能电子照明电路，其包括电源电路模块，启动回路模块以及电子照明灯模块，其中，所述启动回路模块中设置有如以上所述及的功率器件。

本发明的技术效果是，该功率器件同时实现两个三极管和两个二极管的集成，结构简单、制备成本低；特别地应用了二极管后，该功率器件不易损坏，稳定性、可靠性好；并且该功率器件集成的共基极的三极管，其可以调控三极管Tr1的输出特性(例如饱和深度等)，从而可以使该功率器件与外围应用电路的匹配性可以提高，功率器件的适应性好。使用该功率器件的电子照明电路结构简单、成本低，并且一致性、可靠性、稳定性好。

附图说明

图1是现有的三极管功率器件的基本结构和基本电路示意图；

图2是现有技术的节能电子照明电路示意图；

图3是按照本发明实施例提供的功率器件的结构示意图；

图4是图3所示功率器件的等效电路图；

图5是图3所示实施例的功率器件的制备方法流程图；

图6是本发明提供的使用图3所示实施例的功率器件的节能电子照明电路图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解。并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其它实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

在附图中，为了清楚、放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。

在以下实施例中，X坐标的方向为平行于衬底的表面中的一个方向，Y坐标的方向为平行于衬底的表面中的另一个方向，Z坐标方向为垂直于衬底表面的方向，也即上下方向或厚度方向。但是，本文中所提到的“上面”、“下面”、“背面”、“正面”等是相对Z坐标而言的，并且它们是相对的概念，其可以根据功率器件的放置方位不同而相应地变化。

图3所示为按照本发明实施例提供的功率器件的结构示意图，其中图3(a)表示功率器件的剖面图，图3(b)表示功率器件的俯视平面图，其中图3(a)是对应于图3(b)中的A-A截面的剖面图。图4所示为图3所示功率器件的等效电路图。以下结合图3和图4对该实施例的功率器件进行说明。

如图3和图4所示，该功率器件为三端器件，其包括电极1、2和3。从等效电路图中可以看出，该功率器件集成了两个三极管Tr1和Tr2、两个二极管D1和D2。在该实施例中，两个三极管和两个二极管均形成于半导体衬底(例如硅片)上，在该实施例中，选择N型半导体衬底，首先，在N型半导体衬底的N+阱11上形成N型掺杂区域13，N型掺杂区域13的掺杂浓度范围基本为5×10¹³cm^-3-5×10¹⁴cm^-3，该掺杂浓度远小于N+阱11中的掺杂浓度，通过在半导体衬底的下面形成电极1，电极1连接于N+阱11并且相互之间形成欧姆接触从而减小串联电阻。因此电极1的信号可以输入至N型掺杂区域13。

继续如图3所示，在N型掺杂区域13中构图进行P型掺杂、从而形成两个P型掺杂区域31和33。较佳地，P型掺杂区域31和33的P型掺杂浓度范围基本为1×10¹⁷cm^-3-2×10¹⁸cm^-3。区域31与区域33的掺杂浓度可以相同，如果相同，则两者可以通过一次构图掺杂形成；区域31与区域33的掺杂浓度可以不相同，如果不相同，则两者需要通过两次分别构图掺杂形成。P型掺杂区域31和P型掺杂区域33的具体形状(XY截面的形状或XZ截面的形状)不是限制性的，本领域技术人员可以根据具体器件参数要求来设置，例如，在XZ截面，P型掺杂区域33的截面积小于P型掺杂区域31的截面积。这是由于区域33与区域13之间主要用于形成二极管D2，其可以相对使集成的二极管占用的面积较小。此时，P型掺杂区域31、N型掺杂区域13和P型掺杂区域33可以形成一个PNP型的三极管Tr2(如图中虚线所示)，三者分别用于形成三极管Tr2的发射极、基极和集电极。因此，为满足P型掺杂区域31和33之间的N型掺杂区域13可用来形成三极管Tr2的基极，P型掺杂区域31和33之间的相邻宽度L应设置为满足基极宽度的要求(该要求为本领域技术人员所知)，L不宜太大或太小，较佳地，L的尺寸范围为40微米到70微米。

继续如图3所示，该功率器件还包括两个N型掺杂区域51和53，N型掺杂区域51和53通过分别在P型掺杂区域31和33中N型掺杂形成。较佳地，N型掺杂区域51和53的N型掺杂浓度范围基本为1×10¹⁹cm^-3-1×10²¹cm^-3，其有利于提高所形成三极管的发射效率。区域51与区域53的掺杂浓度可以相同，如果相同，则两者可以通过一次构图掺杂形成；区域51与区域53的掺杂浓度可以不相同，如果不相同，则两者需要通过两次分别构图掺杂形成。N型掺杂区域51和N型掺杂区域53的具体形状(XY截面的形状或XZ截面的形状)不是限制性的，本领域技术人员可以根据具体器件参数要求来设置，例如，在XZ截面，N型掺杂区域53的截面积小于N型掺杂区域31的截面积。这是由于区域53与区域33之间主要用于形成二极管D2，其可以相对使集成的二极管占用的面积较小。此时，N型掺杂区域51、P型掺杂区域31和N型掺杂区域13可以形成一个NPN型的三极管Tr1(如图中虚线所示)，三者分别用于形成三极管Tr1的发射极、基极和集电极。因此，为满足P型掺杂区域31可用来形成三极管Tr1的基极，P型掺杂区域31的厚度H应设置为满足基极宽度的要求(该要求为本领域技术人员所知)，H不宜太大，较佳地，H的尺寸范围为5微米到30微米。

继续如图3所示，P型掺杂区33和N型掺杂区13之间相邻接触，因此，二者可以形成PN结二极管D2(如图中虚线所示)，同样地，P型掺杂区33和N型掺杂区53之间相邻接触，因此，二者可以形成PN结二极管D1(如图中虚线所示)。其中，P型掺杂区33和N型掺杂区13分别用于形成D2的正极和负极，P型掺杂区33和N型掺杂区53也分别用于形成D1的正极和负极。

继续如图3所示，N型掺杂区域53和P型掺杂区域31均引出连接至电极2，N型掺杂区域51和P型掺杂区域33均引出连接至电极3。通过在电极1、2、3之间选择性地偏置信号，可以实现各个区域之间的电压偏置。

图3中所示的功率器件可以等效为图4所示的电路，其中三极管Tr1为共射极连接，三极管Tr2为共基极连接。二极管D1反向并联偏置于Tr1的基极和发射极之间，也即并联于电极2和3之间；二极管D1可以用来实现对Tr1的基极(也即区域31)和发射极(也即区域51)之间的反向保护，也即并联于电极1和3之间。二极管D2反向并联偏置于Tr1的集电极和发射极之间，也即并联于电极1和3之间，二极管D2可以用来实现对Tr2的集电极(也即区域12)和发射极(也即区域51)之间的反向保护。这样，该功率器件的工作稳定性好。并且，将多个器件集成于一个功率器件，特别是二极管不易损坏，功率器件可靠性好，并且制造成本低。另外，该功率器件还集成了PNP三极管Tr2，其可以调控三极管Tr1的输出特性(例如饱和深度等)，从而可以使该功率器件与外围应用电路的匹配性提高，功率器件的适应性好。

以下对图3所示实例的功率器件的具体制备方法进行说明。

图5所示为图3所示实施例的功率器件的制备方法流程图。图5中仅列出了制备该实施例功率器件的主要步骤，但这不应认为是对该方法的限制，本领域技术人员还可以选择应用其它的制备该功率器件的一些常规步骤。结合图3和图5对该实施例制备方法作如下说明：

首先，步骤S71，选择N型半导体衬底，在该半导体衬底上形成N型掺杂区域13。其中N+阱位于半导体衬底的底部，该功率器件通过N+阱11、也即衬底的背面引出第一电极。在该实施例中，选择N型半导体衬底的掺杂浓度为5×10¹³cm^-3-5×10¹⁴cm^-3，也即N型掺杂区域13的掺杂浓度，N+阱掺杂可以通过离子注入的方式实现，掺杂浓度可以大于或等于1×10¹⁹cm^-3，在掺杂后可以通过磨片加工将半导体衬底的背面磨至N+阱的位置。

进一步，步骤S72，在N型掺杂区域13中构图掺杂形成两个P型掺杂区域31和33。

在该步骤中，选择在N型掺杂区域13上进行P型掺杂从而在N型掺杂区域13上形成两个P型掺杂区域31和33，两个区域31和33在区域形状上是独立的，相互之间的相邻间隔如图3中所示的L所示。在该步骤中，可以通过一步掺杂形成两个区域31和33；也可以通过两次分别掺杂形成区域31和33，这样，区域31和33的掺杂浓度可以不相同。P型掺杂区域31和33的掺杂浓度范围基本为1×10¹⁷cm^-3-2×10¹⁸cm^-3。

进一步，步骤S73，分别在两个P型掺杂区域31和33中构图掺杂形成N型掺杂区域51和53。

在该步骤中，分别在两个P型掺杂区域31和33中进行N型掺杂、从而在分别在P型掺杂区域31和33上形成N型掺杂区域51和53。在该步骤中，可以通过一步掺杂形成两个区域51和53；也可以通过两次分别掺杂形成区域51和53，这样，区域51和53的掺杂浓度可以不相同。P型掺杂区域31和33的掺杂浓度范围基本为1×10¹⁹cm^-3-1×10²¹cm^-3。

进一步，步骤S74，在半导体衬底的背面引出电极1，在半导体衬底上面的P型掺杂区域31上和N型掺杂区域53上引出电极2，在半导体衬底上面的P型掺杂区域33上和N型掺杂区域51上引出电极3。通过该步骤，可以使P型掺杂区域31上和N型掺杂区域53上同时电性连接于电极2、P型掺杂区域33上和N型掺杂区域51上同时电性连接于电极3。在实施例中，电极的引出连接是通过器件的后端互连技术实现，其具体的引出方式不是限制性的。

至此，图3所示实施例的功率器件基本制备形成。在以上过程中，掺杂可以采用本领域技术人员所公知的扩散掺杂、离子注入掺杂等方法，N型掺杂时可以采用磷等V族元素，P型掺杂时可以采用硼等III族元素。

图6所示为本发明提供的使用图3所示实施例的功率器件的节能电子照明电路图。该节能电子照明电路同样地包括电源电路模块210、启动回路模块220以及电子照明灯模块230。相比于图2所示的现有技术的节能电子照明电路图，其主要差异在于启动回路模块220。

如图6所示，启动回路模块220中应用了本发明的功率器件IC1和IC2(器件中的1、2、3代表电极)，IC1和IC2集成了两个三极管和两个二极管，IC1可以替代图2中所示的Q1、D5和D9，IC2可以替代图2中所示的Q2、D6和D10。因此，该启动回路模块相对使用更少器件。另外，启动回路模块220还设置了低压电容C2、C3和电感L1，并在扼流圈上增加了一个绕组L2-2。其中回路模块，并设置了用于分压的电阻R1-R4。相互之间的具体连接关系如图6中所示意。该电路在接通交流电源时，通过电源电路模块210整流、滤波后，输出的直流电压开始对C2、C3进行充电，当充电到一定程度时，C2上的电压使IC1导通，启动回路模块220开始启动。

相比于图2所示的启动回路模块120，启动回路模块120中的脉冲变压器T1、触发二极管DB3、C2、D7可以被省去，因此电路相对简单。尤其是脉冲变压器T1的省去，不但可以大大降低成本，还可以避免脉冲变压器T1带来的一致性差的问题。另外也避免了DB3易损坏的缺点，启动回路模块的一致性、可靠性、稳定性得到大大提高。

需要说明的是，图6中，二极管D5和D6所起的作用与图3中的二极管D2所起的作用基本相同，其可以加强对功率器件的保护，使其工作稳定性更好。但是，在其它实施例中，也是可以省去的。

需要说明的是，图6中，各个器件的具体参数不是限制性的，节能电子照明灯的类型可以为小功率的紧凑型灯，也可以是大功率的节能照明灯，启动回路模块的适用范围广。本领域技术人员还可以在以上图6所示的具体电路上做出一些等同变换。并且，本发明的功率器件并不限定应用于节能电子照明电路，其还可以应用于其它电路中。

以上例子主要说明了本发明功率器件、其制备方法以及使用该功率器件的节能电子照明电路。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims

1.一种集成二极管和三极管的功率器件，其特征在于，其包括第一电极(1)、第二电极(2)和第三电极(3)；所述功率器件的半导体衬底上设置有：

N型掺杂的第一区域(13)，

2.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述第一区域、第二区域和第四区域分别用于形成所述第一三极管的集电极、基极和发射极，所述第二区域、第一区域和第三区域分别用于形成所述第二三极管的发射极、基极和集电极，所述第三区域、第一区域分别用于形成第二二极管的正极和负极，所述第三区域、第五区域分别用于形成所述第一二极管的正极和负极。

3.如权利要求1或2所述的功率器件，其特征在于，所述第一二极管并联偏置于所述第一三极管的基极和发射极之间，所述第二二极管并联偏置于所述第一三极管的集电极和发射极之间。

4.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述第四区域和第五区域的掺杂浓度范围基本为1×10¹⁹cm^-3～1×10²¹cm^-3，所述第二区域和第三区域的掺杂浓度范围基本为1×10¹⁷cm^-3～2×10¹⁸cm^-3。

5.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述第一区域包括第一掺杂类型的第一子区域和第二子区域，所述第二子区域形成于第一子区域之上，并且所述第二子区域的掺杂浓度小于所述第一子区域的掺杂浓度。

6.如权利要求5所述的功率器件，其特征在于，所述第二子区域的掺杂浓度范围基本为5×10¹³cm^-3～5×10¹⁴cm^-3。

7.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，在所述第一区域中的第二区域和第三区域之间的相邻间距范围基本为40μm～70μm。

8.如权利要求2所述的功率器件，其特征在于，用于形成所述第一三极管的基极的所述第二区域的厚度范围基本为5μm～30μm。

9.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述第三区域的截面积相应地小于所述第二区域的截面积；所述第五区域的截面积相应地小于所述第四区域的截面积。

10.一种用于制备如权利要求1所述的功率器件的方法，其特征在于，包括步骤：

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述第一区域上构图进行P掺杂时，构图以设置所述第二区域和所述第三区域之间的相邻间距范围基本为40μm～70μm。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二区域的厚度被构图基本设置在10μm～60μm的范围。

13.一种节能电子照明电路，包括电源电路模块，启动回路模块以及电子照明灯模块，其特征在于，所述启动回路模块中设置有如权利要求1-10中任一项所述的功率器件。