CN103400863B - 一种横向恒流二极管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术，具体的说是涉及一种横向恒流二极管。本发明所述的横向恒流二极管，通过在N型阱区引入轻掺杂的P型区和重掺杂的P型区构成P型阱区，从而调制表面电场，提高击穿电压，同时轻掺杂的P型区可辅助耗尽N型阱区，使沟道更易夹断，快速进入恒流区，使得恒流二极管具有较低夹断电压，较深的重掺杂P型区缩短了沟道长度，提高了恒流二极管的恒定电流。本发明的有益效果为，有效提高横向恒流二极管的击穿电压，同时使沟道更易夹断，能快速进入恒流区，使得横向恒流二极管具有较低夹断电压，并有效提高了横向恒流二极管的恒定电流。本发明尤其适用于横向恒流二极管。

Description

一种横向恒流二极管

技术领域

本发明涉及半导体技术，具体的说是涉及一种横向恒流二极管。

背景技术

恒流源是一种常用的电子设备和装置，在电子线路中使用相当广泛。恒流源用于保护整个电路，即使出现电压不稳定或负载电阻变化很大的情况，都能确保供电电流的稳定。恒流二极管CRD（CurrentRegulatorDiodes），即用二极管作为恒流源来代替普通的由晶体管、稳压管和电阻等多个元件组成的恒流源，目前恒流二极管的输出电流在几毫安到几十毫安之间，可以直接驱动负载，实现了简化电路结构，缩小体积，提高器件的可靠性的目的。另外恒流二极管的外围电路非常简单，使用方便，广泛应用于自动控制，仪表仪器、保护电路等领域。目前的恒流二极管的击穿电压高位普遍在30-100V，因此存在击穿电压较低的问题，同时能提供的恒定电流也较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对目前的恒流二极管击穿电压较低以及提供的恒定电流较低的问题，提出一种新的横向恒流二极管。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种横向恒流二极管，包括P型衬底9、阴极1、阳极11、第一P型重掺杂区3和N型阱区8，所述第一P型重掺杂区3和N型阱区8设置在阴极1和P型衬底9之间并与阴极1和P型衬底9连接，所述N型阱区8包括第一N型重掺杂区4、第二P型重掺杂区5和第二N型重掺杂区7，阴极1覆盖在第一P型重掺杂区3、第一N型重掺杂区4和第二P型重掺杂区5的顶部和P型衬底9的底部，阴极1与第一P型重掺杂区3形成欧姆接触，阳极11覆盖在第二N型重掺杂区7的顶部与第二N型重掺杂区7形成欧姆接触，且阴极1与阳极11之间、阴极1与第一P型重掺杂区3、第一N型重掺杂区4和第二P型重掺杂区5的接触面均通过氧化层2隔开，其特征在于，所述N型阱区8还包括P型轻掺杂区6，所述P型轻掺杂区6和第二P型重掺杂区5连接构成P型阱区，且P型轻掺杂区6设置在第二P型重掺杂区5靠近第二N型重掺杂区7的一侧，在本方案中，构成N型阱区的P型轻掺杂区6和第二P型重掺杂区5的浓度和面积为可调的，以得到不同恒定电流值和耐压值的横向恒流二极管。

本发明总的技术方案，通过在N型阱区引入轻掺杂的P型区和重掺杂的P型区构成P型阱区，从而调制表面电场，提高击穿电压，同时轻掺杂的P型区可辅助耗尽N型阱区，使沟道更易夹断，快速进入恒流区，使得横向恒流二极管具有较低夹断电压，较深的重掺杂P型区缩短了沟道长度，提高了横向恒流二极管的恒定电流，同时两个P阱可以提供大量空穴，由于电荷平衡，N阱浓度相应提供，从而进一步增大了横向恒流二极管的恒定电流。

具体的，所述P型轻掺杂区6的厚度小于第二P型重掺杂区5且长度大于第二P型重掺杂区5。

P型轻掺杂区6相比第二P型重掺杂区5更易于导通并达到平衡，因此本方案的目的在于提供一种具有较高耐压性的P型阱结构。

具体的，所述阴极1上设置有阴极场板12，所述阳极11上设置有阳极场板13。

阴极场板和阳极场板用于进一步提高器件的耐压性。

进一步的，所述阴极场板12和阳极场板13具有多种尺寸。

在实际应用中，可根据实际的耐压性需求对阴极场板12和阳极场板13的长度进行调节。

具体的，所述第二N型重掺杂区7和N型阱区8之间设置有缓冲层10，所述缓冲层10的浓度在第二N型重掺杂区7和N型阱区8的掺杂浓度之间。

缓冲层用于在第二N型重掺杂区7和N型阱区8之间形成缓冲带，从而降低电场尖峰，提高器件的稳定性。

进一步的，所述P型轻掺杂区6和第二P型重掺杂区5具有相同的掺杂浓度和深度。

本方案的目的在于提供一种降低成本的P型阱结构，将其做成doubleRESURF的结构，在P型轻掺杂区6和第二P型重掺杂区5具有相同的掺杂浓度和深度时，采用一张光刻板即可，从而节省一张光刻板的成本。

具体的，所述P型轻掺杂区6由多个场限环结构组成。

本方案提高一种多可降低表面电场的P型轻掺杂区6结构，由多个场限环构成，并可根据不同耐压和恒定电流值改变场限环的数目，具有高度的灵活性。

进一步的，P型阱区采用RESURF结构、tripleRESURF结构和场限环结构中的一种结构构成。

RESURF(ReducedSURfaceField)结构、tripleRESURF（三倍RESURF）结构可有效降低器件夹断电压，并增大N型阱区的浓度，从而提高恒定电流。

本发明的有益效果为，可有效提高横向恒流二极管的击穿电压，可达200V，同时使沟道更易夹断，能快速进入恒流区，使得横向恒流二极管具有较低夹断电压，夹断电压可在5V以内，并有效提高了横向恒流二极管的恒定电流，还提供了一种通过调整P阱的浓度和面积，便能得到不同恒定电流值和耐压值的横向恒流二极管的方法。

附图说明

图1为实施例1的横向恒流二极管的结构示意图；

图2为实施例1的横向恒流二极管的等势线分布图；

图3为实施例1的横向恒流二极管的正向导通曲线图；

图4为实施例2的横向恒流二极管的结构示意图；

图5为实施例3的横向恒流二极管的结构示意图；

图6为实施例4的横向恒流二极管的结构示意图；

图7为实施例5的横向恒流二极管的结构示意图；

图8为实施例6的横向恒流二极管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

恒流二极管为两端结型场效应恒流器件，为在一块N型（或P型）半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P型区（或N型区），形成两个不对称的PN结，夹在两个PN结中间的N区（或P区）是电流的通道，称为导电沟道，其工作原理为：当阳极加上正电压后，在两个PN结附近形成耗尽区，阳极和阴极之间的电流在耗尽层间的N区（或P区）中流动，当阳极电压增加到一定值，阳极端附近耗尽层变厚，以致两个耗尽区相连，沟道夹断，这一电压称为恒流二极管的夹断电压，沟道夹断后，电流不再随电压增大而变化，恒流二极管进入恒流区，所达到的电流称为恒流二极管的恒定电流。

本发明提出的横向恒流二极管，通过对P型阱的结构进行改进，将传统的P阱改进为由重掺杂的P型区和轻掺杂的P型区构成，通过轻掺杂的P型区调节表面电场，并辅助耗尽N型阱区，使得击穿电压提高，同时轻掺杂P型区引入更多空穴，使N型阱区浓度相应增大，从而提高了横向恒流二极管的恒定电流，解决了传统的横向恒流二极管的击穿电压小、恒定电流低等问题，并通过重掺杂的P型区缩短沟道长度，可进一步提高横向恒流二极管的恒定电流。

实施例1：

如图1所示，本例包括P型衬底9、金属化阴极1、金属化阳极11、第一P型重掺杂区3和N型阱区8，其中，第一P型重掺杂区3和N型阱区8分别设置在金属化阴极1和P型衬底9之间并与金属化阴极1和P型衬底9连接，N型阱区8包括第一N型重掺杂区4、第二P型重掺杂区5、P型轻掺杂区6和第二N型重掺杂区7，P型轻掺杂区6和第二P型重掺杂区5连接构成P型阱区，且P型轻掺杂区6设置在第二P型重掺杂区5靠近第二N型重掺杂区7的一侧，金属化阴极1覆盖在第一P型重掺杂区3、第一N型重掺杂区4、P型轻掺杂区6和第二P型重掺杂区5的顶部和P型衬底的底部，金属化阴极1与第一P型重掺杂区3形成欧姆接触，金属化阳极11覆盖在第二N型重掺杂区7的顶部且与第二N型重掺杂区7形成欧姆接触，且金属化阴极1与金属化阳极11之间、金属化阴极1与第一P型重掺杂区3、第一N型重掺杂区4和第二P型重掺杂区5的接触面均通过氧化层2隔开。

本例所示的横向恒流二极管，类似一个栅源短接的场效应晶体管，栅源短接作为横向恒流二极管的阴极，漏极作为阳极，其工作原理为：

当金属化阳极11加上正电压后，P型轻掺杂区6与N型阱区8构成的PN结附近形成耗尽区，第二P型重掺杂区5与N型阱区8构成的PN结附近也形成耗尽区。外加电压越大，耗尽层越宽。金属化阳极11和金属化阴极1之间的电流在耗尽层间的N区中流动，这一电流通道即为沟道。电流流动使得沟道中不同位置上PN结反向电压不同，靠近金属化阴极1端的PN结反向电压为零，金属化阳极11端附近的PN结反向电压最大。当金属化阳极11加上很小的正电压时，PN结耗尽层厚度近似零偏压的情况，沟道像一个阻值一定的电阻，流过沟道的电流与外加电压成反比。随着金属化阳极11上电压逐渐增大，靠近金属化阳极11端的耗尽区显著变厚，沟道变薄，其阻值增大，电流随电压而增加的变化缓慢，在横向恒流二极管的伏安特性曲线中表现为零伏至夹断电压斜率逐渐变小的一段。由于P型轻掺杂区6辅助耗尽N型阱区8，使得沟道更易夹断，从而快速进入恒流区。当金属化阳极11上的电压增加到一定值后，金属化阳极11端附近耗尽层变得更厚，以致两个耗尽区相连，沟道夹断，这一电压称为横向恒流二极管的夹断电压。沟道夹断后，电流不再随电压增大而变化，横向恒流二极管进入恒流区，所达到的电流称为横向恒流二极管的恒定电流。由于本例采用较深的重掺杂P型区，缩短了沟道长度，增大恒流区的电流。同时两个P阱可提供大量的空穴，由于电荷平衡作用，N型阱区8浓度也相应可以做的更高，进一步提高了横向恒流二极管的恒定电流。当金属化阳极11电压达到一定值时，横向恒流二极管发生击穿，电流急剧上升。这一电压称为横向恒流二极管的击穿电压，由于P型轻掺杂区6可调制表面电场，使器件可耐更高的电压。

本例中P型轻掺杂区6的厚度小于第二P型重掺杂区5且长度大于第二P型重掺杂区5，这种结构特征使器件具备较好的耐压性，使击穿电压可达到200V。

通过MEDICI仿真软件对实施例1所述的横向恒流二极管进行仿真，仿真器件参数为：N型阱区8浓度为2.2×10¹⁶cm^-3,结深为3.5μm，横向纵向扩散系数为0.8；重掺杂P型阱区5浓度为5.0×10¹⁹cm^-3，厚度为1.5μm，长度为4μm，其左边界距离N型阱区8的左边缘为2.3μm；轻掺杂的P型区6位于重掺杂的P型区5右侧，浓度为3.0×10¹⁷cm^-3，厚度为1.0μm，长度为11μm，其右边界距离器件右边缘为3.0μm；器件顶部氧化层厚度为2.0μm，覆盖整个器件宽度；P型衬底浓度为8.0×10¹⁴cm^-3；元胞横向尺寸为25μm，纵向尺寸为40μm，其等势线分布图如图2所示，由于P型轻掺杂区6调节表面电场分布，使得等势线分布较均匀，器件可承受更高的耐压。如图3所述，为本例的横向恒流二极管正向导通曲线，根据图3可得，本例所示的横向恒流二极管的耐压可达到200V。另外，本例的横向恒流二极管具有较短的沟道长度和浓度较大的N型阱区8，使得横向恒流二极管的恒定电流得以提高。本例的横向恒流二极管的斜率较大，这是由于P型轻掺杂区6辅助耗尽N型阱区，使得沟道快速夹断，进入恒流区，从而器件的夹断电压低于10V。

实施例2：

如图4所示，本例在实施例1的基础上增加了阴极场板12和阳极场板13，增设阴极场板12和阳极场板13可进一步提高器件的耐压性，并可根据实际的耐压需求对阴极场板12和阳极场板13的长度进行调节。

实施例3：

本例为具有N型buffer的横向恒流二极管，如图5所示，具体为在实施例1的基础上增加了缓冲区10，缓冲层10设置在第二N型重掺杂区7和N型阱区8之间，并且缓冲层10的浓度在第二N型重掺杂区7和N型阱区8的掺杂浓度之间，用于在第二N型重掺杂区7和N型阱区8之间起缓冲作用，降低电场尖峰。

实施例4：

本例为采用doubleRESURF（双倍RESURF）结构的横向恒流二极管，如图6所示，为在实施例1的基础上，将P型轻掺杂区6和第二P型重掺杂区5做成相同的掺杂浓度和深度，构成P型阱区14，从而节省一张光刻板，降低成本。P型阱区14辅助耗尽N型阱区8，由于电荷平衡，N型阱区8的浓度增大，电阻降低，使得恒定电流增大，同时由于P型阱区14的辅助耗尽，N型阱区8可以快速夹断，降低器件的夹断电压。另外，P型阱区14优化器件表面电场，从而提高器件的击穿电压。

实施例5：

本例提供一种具有多个场限环结构的横向恒流二极管，如图7所示，具体为在实施例1的基础上，P型轻掺杂区6由第一P型轻掺杂区6_（1）、第二P型轻掺杂区6_（2）…第iP型轻掺杂区6_（i）构成，即P型场限环，P型环中的空穴在电场作用下流进由第二P型重掺杂区5和N型阱区8构成的主结，使P型环由中性变成带负电荷，此负电荷分布在一个薄耗尽区内，负电荷在表面产生的电场在主结到P型环的区域中与原有的电场方向相反，因此使得该区电场减弱，从而减弱了表面电场。可根据不同耐压和恒定电流值改变场限环的数目。

实施例6：

本例提供一种tripleRESURF结构的横向恒流二极管，如图8所示，具体为在实施例1的基础上，P型阱由P型区14和P型区15构成，其工作原理与实施例4中提出的doubleRESURF类似。P型区14和P型区15共同辅助耗尽N型阱区8，相比实施例4，tripleRESURF结构可提供更大的恒定电流和更低的夹断电压，同时击穿电压也更高。另外，P型阱区14和P型阱区15可以用相同的掺杂浓度，与实施例4采用的doubleREFURF结构相比，可不增加额外的光刻板。

Claims (4)

1.一种横向恒流二极管，包括P型衬底(9)、阴极(1)、阳极(11)、第一P型重掺杂区(3)和N型阱区(8)，所述第一P型重掺杂区(3)和N型阱区(8)设置在阴极(1)和P型衬底(9)之间并与阴极(1)和P型衬底(9)连接，所述N型阱区(8)包括第一N型重掺杂区(4)、第二P型重掺杂区(5)和第二N型重掺杂区(7)，阴极(1)覆盖在第一P型重掺杂区(3)、第一N型重掺杂区(4)和第二P型重掺杂区(5)的顶部和P型衬底(9)的底部，阳极(11)覆盖在第二N型重掺杂区(7)的顶部，且阴极(1)与阳极(11)之间、阴极(1)与第一P型重掺杂区(3)、第一N型重掺杂区(4)和第二P型重掺杂区(5)的接触面均通过氧化层(2)隔开，其特征在于，所述N型阱区(8)还包括P型轻掺杂区(6)，所述P型轻掺杂区(6)和第二P型重掺杂区(5)连接构成P型阱区，且P型轻掺杂区(6)设置在第二P型重掺杂区(5)靠近第二N型重掺杂区(7)的一侧；所述P型轻掺杂区(6)的厚度小于第二P型重掺杂区(5)且长度大于第二P型重掺杂区(5)。

2.根据权利要求1所述的一种横向恒流二极管，其特征在于，所述阴极(1)上设置有阴极场板(12)，所述阳极上设置有阳极场板(13)。

3.根据权利要求2所述的一种横向恒流二极管，其特征在于，所述阴极场板(12)和阳极场板(13)具有多种尺寸。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种横向恒流二极管，其特征在于，所述第二N型重掺杂区(7)和N型阱区(8)之间设置有缓冲层(10)，所述缓冲层(10)的浓度在第二N型重掺杂区(7)和N型阱区(8)的掺杂浓度之间。