一種限流控制二極管結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種限流控制二極管結構，屬于半導體器件技術領域。
技術背景
[0002]半導體大功率二極管器件的安全可靠性是電子裝備領域最關注的問題。目前解決這個問題的方法主要采用擴大器件自身的電流和功率容量，或采取各種保護措施。這些方法既不經濟，又會帶來新的不可靠因素(各種保護措施自身的可靠性就需要得到保障)，保護措施的漏洞也是不可避免的。因此，現(xiàn)有的半導體大功率二極管器件的制作方式或結構還是不夠理想，不能滿足使用的需要。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型的實用新型目的在于:提供一種限流控制二極管結構，以提高電子器件的自我保護能力，使電子設備的安全得到可靠保障，從而克服現(xiàn)有技術的不足。
[0004]本實用新型的技術方案是這樣實現(xiàn)的:
[0005]本實用新型的一種限流控制二極管結構為，該限流控制二極管結構包括N-外延層，N-外延層四周設有P+擴散墻，N-外延層內設有一組相互平行的條狀P+隱埋層，所有條狀P+隱埋層均與P+擴散墻相通；N-外延層底面和頂面均設有η+擴散層，N-外延層底面的η+擴散層與P+硅襯層連接，P+硅襯層底面設有陽極層；Ν-外延層頂面的η+擴散層經厚二氧化硅層與P+擴散墻頂面連接，P+擴散墻、厚二氧化硅層和N-外延層頂面的η+擴散層上覆蓋有陰極層。
[0006]由于采用了上述技術方案，本實用新型與現(xiàn)有技術相比較，本實用新型采用自我限流控制保護的理念，使得二極管器件超過電流閥值時，具有電子器件的自我保護能力，能夠快速限定電流，避免損壞二極管。經試驗證明，在本實用新型的器件超過電流閥值時，異質半導體內空間電荷區(qū)的變化(稱作耗盡層)，阻礙、限制電流增長，其空間電荷區(qū)的變化速度是10_12秒(PS)數(shù)量級，快于目前所有的保護措施，可快速限定電流，從而有效地避免電子器件損壞。因此，本實用新型能使電子設備的安全得到可靠保障。
【附圖說明】
[0007]圖1是本實用新型的結構示意圖；
[0008]圖2是圖1的橫截面示意圖；
[0009]圖3是各半導體材料層的摻雜類型示意圖；
[0010]圖4是耗盡層開啟時的示意圖；
[0011]圖5是耗盡層關斷時的不意圖；
[0012]圖6是本實用新型的等效電路圖；
[0013]圖7是本實用新型等效原理圖。
[0014]附圖中的標記為:1-陰極層，2-厚二氧化硅層，3-Ρ+擴散墻，4-Ρ+隱埋層，5_Ν_外延層，6-P+娃襯層，7-陽極層，8-n+擴散層，9-耗盡層。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的詳細說明，但不作為對本實用新型的任何限制。
[0016]本實用新型是根據(jù)下述的一種限流控制二極管的制作方法所構建的，如圖1所示，該方法是在P+硅襯層之上的N-外延層采用離子注入工藝或埋層擴散工藝形成一組相互平行的條狀P+雜質，然后在P+雜質之上再進行外延覆蓋，將條狀P+雜質掩埋在N-外延層內，形成P+隱埋層；另外在N-外延層四周同樣采用離子注入工藝或埋層擴散工藝形成一道P+擴散墻，P+擴散墻與所有P+隱埋層兩端連通；通過多個P+隱埋層在外延層內形成的多個并聯(lián)的N溝道的開啟和關斷實現(xiàn)對二極管的限流控制。P+硅襯層與N-外延層之間通過擴散形成η+擴散層作為高反向電壓二極管的PN結，使二極管與限流控制合為一體，構成限流控制二極管。P+硅襯層底面的金屬層作為限流控制二極管的陽極；Ρ+擴散墻頂面經厚二氧化硅層與N-外延層頂面的η+擴散層連接，覆蓋在P+擴散墻、厚二氧化硅層和η+擴散層上的金屬層作為限流控制二極管的陰極。
[0017]根據(jù)上述方法構成的本實用新型的一種限流控制二極管結構，如圖1和圖2所示，該限流控制二極管結構包括N-外延層5，Ν-外延層5四周設有P+擴散墻3，N-外延層5內設有一組相互平行的條狀P+隱埋層4，所有條狀P+隱埋層4均與P+擴散墻3相通；Ν-外延層5底面和頂面均設有η+擴散層8，N-外延層5底面的η+擴散層8與P+娃襯層6連接，
P+硅襯層6底面設有陽極層7;Ν-外延層5頂面的η+擴散層8經厚二氧化硅層2與P+擴散墻3頂面連接，P+擴散墻3、厚二氧化硅層2和N-外延層5頂面的η+擴散層8上覆蓋有陰極層I。
[0018]下面對本實用新型的工作原理再進一步詳細說明:
[0019]本實用新型的等效電路如圖6所示，本實用新型中P+硅襯層6與N-外延層5之間的η+擴散層相當于一個二極管D;N-外延層5內的多個P+隱埋層4相當于多個并聯(lián)的場效應管，陰極層相當于場效應管的漏極，N-外延層5相當于場效應管的源極，P+隱埋層相當于場效應管的柵極(相當于控制極)。由于所有的P+隱埋層兩端均與P+擴散墻3相通，因此構成共柵極的多N溝道場效應管并聯(lián)電路，圖中的電阻Rs相當于場效應管的源極寄生電阻，Rd相當于場效應管的漏極寄生電阻。
[0020]本實用新型的電流控制原理如圖4和5所示，圖中相鄰P+隱埋層4之間的空間電荷區(qū)稱為耗盡層9，當P+隱埋層4與異質N-外延層5之間的電位差發(fā)生變化時，耗盡層9的溝道寬度也隨之發(fā)生變化，電流正常時，電位差在限流控制閥值以內，耗盡層9的溝道處于開啟狀態(tài)，二極管正常工作；電流超出時，電位差超出限流控制閥值，造成耗盡層9的溝道寬度變小，阻礙，限制電流增長，直至完全關斷。PN結耗盡層的變化速度是10 _12秒(ps)數(shù)量級，快于目前所有的保護措施。當電路中的電流正常后，器件恢復正常工作狀態(tài)，可以認為，這是一種帶有自恢復保險功能的電子器件。
[0021]由于本實用新型中的P+隱埋層是與陰極層連接的，其自偏置電壓-Ves處于最低電位，由于自偏置作用，本實用新型器件的最大電流是固定的(即最大恒定電流)。當器件受到電流浪涌沖擊(比如負載短路)時，寄生電阻上的電壓升高，P+隱埋層(柵極)和源極負偏壓升高，空間電荷區(qū)(耗盡層)擴展造成電流溝道深度夾斷，使電流受到限定控制。當電路中的電流回到器件的最大固定電流值以內，空間電荷區(qū)(耗盡層)恢復常態(tài)，器件正常工作，相當于快速自恢復保險功能。
實施例
[0022]具體實施時，采用如圖1?3所示，通過改變P+隱埋層4結構可以獲得不同的效果?？芍瞥刹煌蘖骺刂莆锢硖匦缘南盗挟a品。P+隱埋層4可采用離子流入或埋層擴散工藝實現(xiàn)。
[0023]具體做法是:在P+雜質的娃襯底上擴散一層η+層，在η+層上進行N-外延，在N-外延層上擴散P+雜質，再進行第二次外延，構成P+隱埋層。在外延層四周擴散P+雜質的擴散墻，P+隱埋層與P+擴散墻連通。整個形成一個如圖6所述的底層PN結與多N溝道并聯(lián)自身可調節(jié)的JFET場效應管結構，場效應管類似一個共柵極(Ρ+隱埋層)的多N溝道JFET并聯(lián)。由于P+擴散墻3和陰極層I直接連接和N-外延層5頂部的寄生電阻R s的存在，P+隱埋層4和P+擴散墻3處于最低電位，相當于一個自偏置電壓-V GSo圖5中Rd是漏極寄生電阻，Rs是源極寄生電阻，P+隱埋層柵電位最低。由于自身負偏置電壓作用，這個器件的最大電流是固定的(即最大恒定電流)。當器件受到電流浪涌沖擊(比如負載短路)時，圖6中源極寄生電阻Rs±的電壓升高，P+隱埋層柵和源極負偏壓升高，此時如圖5所示，位于兩個P+隱埋層4之間耗盡層9的空間電荷區(qū)擴展造成電流溝道深度夾斷，使電流無法通過。當電路中的電流回到器件的最大固定電流值以內，耗盡層9的空間電荷區(qū)如圖4所示恢復常態(tài)，器件正常工作。P+隱埋層4之間耗盡層相當于快速自恢復保險。形成了如圖6所示的帶二極管特性的快速自恢復保險。圖7二極管D (PN結)的正向最大電流通過限流元件X (JFET)限定，一旦通過二極管的電流超過限流元件X的限定值，本實用新型的二極管就會立即限定電流保護，相當于二極管具有自適應負載電流的能力。本例限流控制二極管的技術參數(shù)可以通過埋層柵的多少，芯片尺寸、埋層柵結構的不同、各半導體材料層的雜質濃度等因素確定。
[0024]以下是對本實用新型的一些補充說明:
[0025]1、本實用新型中如果用N+硅襯底，則是一個具有最大電流限定的快速自恢復保護器件。
[0026]、本實用新型中P+擴散墻可以采取和陰極不連接，單獨成為控制極引出，在電路中設定控制閥值。
[0027]、本實用新型也可以采用P溝道結構實現(xiàn)，P區(qū)和N區(qū)互換，陰極和陽極互換，即電流-電壓極性相反。
【主權項】
1.一種限流控制二極管結構，其特征在于:包括N-外延層(5)，N-外延層(5)四周設有P+擴散墻(3)，N-外延層(5)內設有一組相互平行的條狀P+隱埋層(4)，所有條狀P+隱埋層(4)均與P+擴散墻(3)相通；N-外延層(5)底面和頂面均設有η+擴散層(8)，N-外延層(5)底面的η+擴散層(8)與P+娃襯層(6)連接，P+娃襯層(6)底面設有陽極層(7)；N-外延層(5)頂面的η+擴散層(8)經厚二氧化硅層(2)與P+擴散墻(3)頂面連接，P+擴散墻(3 )、厚二氧化硅層(2 )和N-外延層(5 )頂面的η+擴散層(8 )上覆蓋有陰極層(I)。
【專利摘要】本實用新型公開了一種限流控制二極管結構，該結構包括N-外延層，N-外延層四周設有P+擴散墻，N-外延層內設有一組相互平行的條狀P+隱埋層，所有條狀P+隱埋層均與P+擴散墻相通；N-外延層底面和頂面均設有n+擴散層，N-外延層底面的n+擴散層與P+硅襯層連接，P+硅襯層底面設有陽極層；N-外延層頂面的n+擴散層經厚二氧化硅層與P+擴散墻頂面連接，P+擴散墻、厚二氧化硅層和N-外延層頂面的n+擴散層上覆蓋有陰極層。本實用新型采用自我限流控制保護的理念，設置限流控制閥值，使得二極管器件超過電流閥值時，具有電子器件的自我保護能力，由于PN結耗盡層變化速度極快能夠快速限定電流，避免損壞二極管。使電子設備的安全得到可靠保障。
【IPC分類】H01L29/861
【公開號】CN204696124
【申請?zhí)枴緾N201520423050
【發(fā)明人】劉橋
【申請人】貴州煜立電子科技有限公司
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年6月18日