專利名稱：分布式多原胞集成半導(dǎo)體放電管及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體放電管。
背景技術(shù)：
通信行業(yè)中最常運用的半導(dǎo)體放電管是單元胞固體放電管。主要是通過NPNPN五層結(jié)構(gòu)制成的半導(dǎo)體放電管。圖2是單元胞半導(dǎo)體放電管的剖面圖。從圖2可以看出，放電管是在拋光的N型硅片上進行P型參雜，再在硅片上進行N型的重摻雜，并在進行N型的重摻雜過程中保留一些P型的短路點(圖1中的圓圈)，以此形成的NPNPN五層結(jié)構(gòu)。以圖 2為例，其中N為放電管的長基區(qū)、Pla和Ph均為放電管的短基區(qū)(或硼基區(qū))、Nla和N3a 均為放電管的陰極發(fā)射區(qū)。Da為短路點。圖1為單元胞半導(dǎo)體放電管的表面結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，Ia為N型陰極發(fā)射區(qū)，2a 為短基區(qū)(即硼基區(qū)或P型基區(qū))。在圖2中，Tla、T2a分別為上下金屬電極，J2a、J3a是N 型硅片上第一次P型擴散形成的PN結(jié)，Jla、Ba是第二次N型重摻雜擴散形成的PN結(jié)，Da 是陰極發(fā)射區(qū)ma、N3a上的短路點結(jié)構(gòu)。當(dāng)電流從Tla流入時，此時放電管的右邊處于工作狀態(tài)，由PNPN工作，由于Jh和 J4a兩個PN結(jié)正偏，故電壓主要加在PN結(jié)J3a上，此時J3a發(fā)生雪崩擊穿，雪崩電流流過較寬的P型區(qū)Ph和重摻雜N型區(qū)N3a結(jié)面，達到放電的目的。由于陰極發(fā)射區(qū)集中在放電管的一側(cè)，導(dǎo)致雪崩擊穿的電流流過放電管的面積較大，從而，導(dǎo)致導(dǎo)通時間較長。另外，由于放電管的陰極發(fā)射區(qū)集中在放電管的一側(cè)，造成放電管放電時產(chǎn)生的熱量不能均勻地分布與放電管上，從而容易燒壞放電管。有人對多元胞半導(dǎo)體放電管進行研究，提出了 “半導(dǎo)體放電管多元胞結(jié)構(gòu)模型研究”(《華中理工大學(xué)學(xué)報》1999年第12期)。文中提到的多元胞半導(dǎo)體放電管是將重摻雜 N區(qū)進行分割之后均勻地排布在P區(qū)上面。圖4為放電管的縱向結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)雷電浪涌產(chǎn)生的正向電壓加在器件兩端時，J2結(jié)和J3結(jié)正偏，J2結(jié)承受正向電壓，其反向漏電流沿著 P基區(qū)橫向流動，由于短路點電流向T2電極。當(dāng)浪涌電壓上升時，J2結(jié)的反向漏電流增加， P基區(qū)的橫向電壓降隨之增加。一旦該壓降大于J3結(jié)的開啟電壓，器件部分開通。N+區(qū)向 P區(qū)注入電子，電流放大系數(shù)α 2開始逐漸增大。當(dāng)α +α 2=1時，器件全面開通，進入低阻大電流狀態(tài)。但是，如圖3所示，由于分割的N區(qū)沒有合理地排布。導(dǎo)致放電管在低阻大電流狀態(tài)時放電管不能迅速導(dǎo)通，并且由于是將陰極發(fā)射區(qū)均勻地排布，并且較為密集。只能將放電管的熱量大致分散，但不能有效地將放電管的熱量均勻開。上述多元胞半導(dǎo)體放電管可以維持電流和抗雷電浪涌能力的協(xié)調(diào)，但在低阻大電流狀態(tài)時放電管導(dǎo)通時間長，不能迅速導(dǎo)通，長期工作后散熱不均勻兩個主要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有半導(dǎo)體放電管多元胞結(jié)構(gòu)中重摻雜N區(qū)排布不合理，存在導(dǎo)通時間長和散熱不均勻的問題，提出一種分布式多元胞集成半導(dǎo)體放電管結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，設(shè)計一種分布式多元胞集成半導(dǎo)體放電管，該半導(dǎo)體放電管包括金屬電極、陰極發(fā)射區(qū)、硼基區(qū)以及長基區(qū)，放電管的縱向剖面為 m、Pl、N2、P2、N3五層結(jié)構(gòu)，在縱向長基區(qū)位于半導(dǎo)體放電管區(qū)域的中心，在長基區(qū)的上下兩面進行硼擴撒，形成硼基區(qū)PI、P2，然后在硼基區(qū)上進行陰極發(fā)射區(qū)的擴散，將陰極發(fā)射區(qū)進行分布式擴散，構(gòu)成二維對稱的多元胞結(jié)構(gòu)，最后再在其表面覆蓋金屬。在不增加放電管器件表面的總面積并且放電管的縱向剖面保持Ni、PI、N2、P2、N3五層結(jié)構(gòu)不變的情況下，將陰極發(fā)射區(qū)W和N3的面積分別都按照2 (N+1)2的原則進行等分，分割成多個正方形陰極發(fā)射區(qū)形成新陰極發(fā)射區(qū)，將多個正方形陰極發(fā)射區(qū)在硼基區(qū)上橫向和縱向展開擴散，并分別呈中心對稱地分布在對應(yīng)的硼基區(qū)Pl和P2上，構(gòu)成二維對稱的多元胞結(jié)構(gòu)(如八元胞、十八元胞、三十二元胞等)，每個多元胞結(jié)構(gòu)中的兩個陰極發(fā)射區(qū)W和N3面積相等，其中，N依據(jù)元胞數(shù)決定，元胞數(shù)=2 (N+1)2。新陰極發(fā)射區(qū)具體為，在半導(dǎo)體放電管硼基區(qū)Pl左上角擴散第一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，橫排和豎排方向均空一個正方形空格再擴散一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，剩下部分以第一橫排和第一豎排為基準(zhǔn)，空一個正方形空格再擴散一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，硼基區(qū)P2 上擴散的正方形陰極發(fā)射區(qū)與硼基區(qū)Pl上擴散的正方形陰極發(fā)射區(qū)位置錯開，在正面沒有擴散正方形陰極發(fā)射區(qū)的區(qū)域背面擴散正方形陰極發(fā)射區(qū)。當(dāng)一個浪涌電流經(jīng)過多元胞半導(dǎo)體放電管時，電流首先從金屬電極Tl流入，PU Nl構(gòu)成的PN結(jié)J2和P2、N3構(gòu)成的PN結(jié)J4正偏，主要由P2、N2構(gòu)成的PN結(jié)J3承受反向電壓，其反向漏電流沿著硼基區(qū)P2橫向流動，由短路點D流向T2電極。當(dāng)浪涌電壓繼續(xù)上升時，J3結(jié)反向電流增加，硼基區(qū)P2橫向電壓降隨之增加。一旦該壓降大于J4結(jié)的開啟電壓，多元胞半導(dǎo)體放電管部分導(dǎo)通，N3區(qū)開始向硼基區(qū)P2注入電子，N3P2N1晶體管的電流放大系數(shù)α 2開始逐漸增大；同時，Ρ1Ν2Ρ2晶體管的發(fā)射極向N-基區(qū)注入空穴，其電流放大系數(shù)α 1也開始逐漸增大。當(dāng)α1+α2>1時，J2結(jié)由反向偏置轉(zhuǎn)為正向偏置，多元胞半導(dǎo)體放電管開通，進入低阻大電流狀態(tài)。本發(fā)明還提出一種分布式多元胞集成半導(dǎo)體放電管制造方法，具體為，在N型襯底Ν2上進行硼擴散，在N型襯底兩面形成硼基區(qū)Pl和Ρ2，將硼基區(qū)Pl和Ρ2分別等分為面積相等的小正方形基區(qū)，每個硼基區(qū)的小正方形基區(qū)個數(shù)等于二倍元胞數(shù)，再在硼擴散基區(qū)Pl和Ρ2上進行N的重摻雜擴散，形成陰極發(fā)射區(qū)m和N3，將陰極發(fā)射區(qū)m和N3的面積分別按照2(N+1)2的原則進行等分，分割成多個面積相等的正方形陰極發(fā)射區(qū)，將正方形陰極發(fā)射區(qū)分別在硼基區(qū)Pl和P2上橫向和縱向展開復(fù)用，并分別呈中心對稱地分布在對應(yīng)的基區(qū)Pl和P2上，構(gòu)成二維對稱的多元胞結(jié)構(gòu)，其中，N依據(jù)多元胞的個數(shù)決定，元胞數(shù) =2(N+1)2。所述展開復(fù)用具體為，在半導(dǎo)體放電管硼基區(qū)Pl左上角擴散第一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，橫排和豎排方向均空一個正方形空格再擴散一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，剩下部分以第一橫排和第一豎排為基準(zhǔn)，空一個正方形空格再擴散一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，硼基區(qū)P2 上擴散的正方形陰極發(fā)射區(qū)與硼基區(qū)Pl上擴散的正方形陰極發(fā)射區(qū)位置錯開，正面沒有擴散正方形陰極發(fā)射區(qū)的區(qū)域背面擴散正方形陰極發(fā)射區(qū)
本發(fā)明的多元胞半導(dǎo)體放電管主要提高了 α 增大速率。由于將陰極發(fā)射區(qū)進行了分割，增大了電流流過第二個晶體管的密度。從而使電流迅速增大，減少了放電管的開通時間。當(dāng)浪涌電流下降，α 、α 2隨之下降，若al+a2<l，J2結(jié)又處于反偏，則該多元胞半導(dǎo)體放電管自動恢復(fù)到高阻狀態(tài)。本發(fā)明提供的分布式集成結(jié)構(gòu)使浪涌電流在任何方向上都趨于均勻，浪涌電流流過器件時引起的發(fā)熱也更加均勻，從而減小由于熱量過于集中而造成放電管的永久性損壞的概率。其次，由于分布式多元胞結(jié)構(gòu)的使用增加了發(fā)射區(qū)初始導(dǎo)通面積，從而減少了放電管開通時間。多元胞半導(dǎo)體放電管工作的時候，由于將陰極發(fā)射區(qū)的面積進行了等分，故增加了陰極發(fā)射區(qū)的周長，而電流正是通過陰極發(fā)射區(qū)的邊緣再通過放電管剩下的四層結(jié)構(gòu)進行電流的泄放。最終實現(xiàn)均勻散熱、快速放電的效果。


圖1為單元胞半導(dǎo)體放電管的表面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為單元胞半導(dǎo)體放電管的縱向結(jié)構(gòu)示意圖3為普通多元胞集成半導(dǎo)體放電管的表面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為普通多元胞集成半導(dǎo)體放電管的縱向結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明分布式八元胞集成半導(dǎo)體放電管的表面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本發(fā)明分布式八元胞集成半導(dǎo)體放電管的縱向結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進一步說明。以分布式八元胞半導(dǎo)體放電管為例，圖5為本發(fā)明的分布式八元胞集成半導(dǎo)體放電管的表面結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為圖5的分布式八元胞集成半導(dǎo)體放電管的縱向結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示，首先在N型襯底N2上進行硼擴散，在N型襯底的兩面都形成硼基區(qū) Pl和P2以及兩個PN結(jié)J2和J3，然后再在硼擴散基區(qū)Pl和P2上進行N型的重摻雜擴散， 形成陰極發(fā)射區(qū)W和N3以及PN結(jié)Jl和J4，將放電管的陰極發(fā)射區(qū)m和N3按照2 (N+1)2 的原則進行了等分，在Pl和P2上分別有2 (N+1)2個m和N3發(fā)射區(qū)和PN結(jié)Jl和J4 (具體的陰極發(fā)射區(qū)分散方式如圖5所示)，其中，N依據(jù)多元胞的個數(shù)決定，元胞數(shù)=2(N+1)2， 又由于陰極發(fā)射區(qū)里有短路點，考慮到短路點的分布，并兼顧光刻的可實現(xiàn)性，根據(jù)經(jīng)驗通常N取0、1、2、3、4，這樣可分別得到二元胞、八元胞、十八元胞、三十二元胞以及五十元胞放電管。在擴散每一個陰極發(fā)射區(qū)時都有一些小孔沒有進行N型的重摻雜，仍然是P型材料，這樣的小孔形成短路點。最后，擴散完成以后，再在芯片的兩面都進行金屬電極Tl和T2 的沉積。圖5為本發(fā)明分布式八元胞集成半導(dǎo)體放電管的表面結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出元胞數(shù)為8，將陰極發(fā)射區(qū)m和N3層分別等分為8個正方形陰極發(fā)射區(qū)，正方形陰極發(fā)射區(qū)分別間隔放置在硼基區(qū)Pl和P2上，形成八元胞結(jié)構(gòu)。多元胞集成半導(dǎo)體放電管是將單元胞放電管的陰極發(fā)射區(qū)m和N3按照2(N+1)2 的原則進行等分(其中N=O、1、2、3、4時，元胞數(shù)=2、8、18、32、50)，即將附和N3層分別等分為2 (N+1)2份形成多個正方形陰極發(fā)射區(qū)，將等分分割之后形成的正方形陰極發(fā)射區(qū)在基區(qū)上面橫向和縱向展開復(fù)用。
具體復(fù)用可采用以下方式。先將硼基區(qū)劃分成2 (N+1)2個小方塊，即將硼基區(qū)Pl和P2均勻地劃分為二倍元胞數(shù)個小方塊。如制作二元胞放電管則將硼基區(qū)劃分成 4個小方塊，八元胞放電管則將硼基區(qū)劃分成16個小方塊，以此類推，再在劃分好的硼基區(qū)上進行N型重摻雜擴散，放電管正面硼基區(qū)的左上角的小方塊擴散第一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，然后橫排和豎排都按照空一個正方形空格(正方形空格面積等于正方形陰極發(fā)射區(qū)面積)再擴散一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，剩下的部分再以第一橫排和第一豎排為基準(zhǔn)，按照空一個正方形空格擴散一個正方形陰極發(fā)射區(qū)的方式，在正面的硼基區(qū)上均勻擴散正方形陰極發(fā)射區(qū)，放電管背面硼基區(qū)上擴散陰極發(fā)射區(qū)方式采用，與正面擴散陰極發(fā)射區(qū)同樣的分布方式，間隔一個正方形陰極發(fā)射區(qū)區(qū)域放置一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，且與正面正方形陰極發(fā)射區(qū)位置錯開放置的方式，即正面沒有擴散陰極發(fā)射區(qū)的區(qū)域背面擴散陰極發(fā)射區(qū)。圖6為分布式八元胞集成半導(dǎo)體放電管的縱向結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是圖5的八元胞半導(dǎo)體放電管的剖面圖。圖6中，多元胞半導(dǎo)體放電管上、下兩面分別是金屬化層Ml、M2， 上、下金屬電極是Tl、T2，以及四個PN結(jié)Jl、J2、J3、J4，發(fā)射區(qū)Ni、N3上的短路點D。將陰極發(fā)射區(qū)按照上述原則分散之后，即將Jl結(jié)和J4結(jié)進行了平均、規(guī)律地分散，當(dāng)浪涌電流來到時J4和Jl結(jié)導(dǎo)通更快、散熱更均勻。相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體放電管，達到均勻散熱和減少放電管開通時間的效果。本發(fā)明將陰極發(fā)射區(qū)面積等分成多個陰極發(fā)射區(qū)，呈中心對稱地分布在硼基區(qū)上，這樣每個多元胞結(jié)構(gòu)中的陰極發(fā)射區(qū)面積相等，此分布式集成結(jié)構(gòu)使浪涌電流在任何方向上都趨于均勻，提高了器件在工作時的浪涌上升率，分散了工作器件面積從而分散了反向電流橫向流動時引起的熱量，浪涌電流流過器件時引起的發(fā)熱也更加均勻，避免了熱量的高度集中，降低器件的工作溫度，從而減小由于熱量過于集中而造成放電管的永久性損壞的概率，提高了單原胞半導(dǎo)體放電管的散熱均勻性。由于采用分布式多元胞結(jié)構(gòu)，陰極發(fā)射區(qū)的總體面積沒有發(fā)生改變，但是陰極發(fā)射區(qū)的周長增加了，又由于半導(dǎo)體放電管的電流主要是在陰極發(fā)射區(qū)的邊上流過，因而相比于單元胞半導(dǎo)體放電管，增加了發(fā)射區(qū)的周長，即增加了發(fā)射區(qū)初始導(dǎo)通面積，從而減少了放電管開通時間，明顯提高了器件的穩(wěn)定性和可靠性。本發(fā)明可直接應(yīng)用于通信領(lǐng)域中的防雷擊電子設(shè)備。以5kA半導(dǎo)體放電管為例，采用常規(guī)結(jié)構(gòu)和取N為0進行對比，采用8/20US沖擊電流測試方案(1)階梯遞增方法以IkA為基準(zhǔn)，測試對象常規(guī)結(jié)構(gòu)和本發(fā)明分布式多元胞結(jié)構(gòu)，以5kA為基準(zhǔn)測試，沖擊10次；測試中，樣品的工作狀態(tài)正常；(每兩次間的測試間隔冷卻一分鐘)，在5kA測試后，再以6kA為基準(zhǔn)測試；常規(guī)結(jié)構(gòu)，沖擊1次，樣品斷路，而采用分布式多元胞結(jié)構(gòu)，沖擊10次；測試中，樣品的工作狀態(tài)正常；(每兩次間的測試間隔冷卻一分鐘)，在6kA測試后，再以7kA為基準(zhǔn)測試；樣品在沖擊第一次的測試中出現(xiàn)閃絡(luò)， 樣品短路；因此，采用分布式多元胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)通更快，抗電涌能力提高了 20%。
權(quán)利要求
1.一種分布式多元胞集成半導(dǎo)體放電管，包括金屬電極、陰極發(fā)射區(qū)、硼基區(qū)以及長基區(qū)，其特征在于，放電管的縱向為Ni、PI、N2、P2、N3五層結(jié)構(gòu)，長基區(qū)位于半導(dǎo)體放電管區(qū)域的中心，在長基區(qū)的上下兩面進行硼擴撒，形成硼基區(qū)P1、P2，在硼基區(qū)上將陰極發(fā)射區(qū)m和N3進行分布式擴散形成多元胞結(jié)構(gòu)，再在其表面覆蓋金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述分布式多元胞集成半導(dǎo)體放電管，其特征在于，所述多元胞結(jié)構(gòu)具體為，將陰極發(fā)射區(qū)W和N3的面積分別按照2 (N+1)2的原則進行等分，分割成多個正方形陰極發(fā)射區(qū)，將多個正方形陰極發(fā)射區(qū)在硼基區(qū)上橫向和縱向展開擴散，并分別呈中心對稱地分布在對應(yīng)的硼基區(qū)Pl和P2上，構(gòu)成二維對稱的多元胞結(jié)構(gòu)，每個多元胞結(jié)構(gòu)中的兩個陰極發(fā)射區(qū)m和N3面積相等，其中，N依據(jù)元胞數(shù)決定，元胞數(shù)=2(N+1)2，N=0、1、2、 3、4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述分布式多元胞集成半導(dǎo)體放電管，其特征在于，在半導(dǎo)體放電管硼基區(qū)Pl左上角擴散第一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，橫排和豎排方向均空一個正方形空格再擴散一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，剩下部分以第一橫排和第一豎排為基準(zhǔn)，空一個正方形空格再擴散一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，硼基區(qū)P2上擴散的正方形陰極發(fā)射區(qū)與硼基區(qū)Pl上擴散的正方形陰極發(fā)射區(qū)位置錯開，正面沒有擴散正方形陰極發(fā)射區(qū)的區(qū)域背面擴散正方形陰極發(fā)射區(qū)。
4.一種分布式多元胞集成半導(dǎo)體放電管制造方法，其特征在于，在N型襯底N2上進行硼擴散，在N型襯底兩面形成硼基區(qū)Pl和P2，將硼基區(qū)Pl和P2分別等分為面積相等的小正方形基區(qū)，每個硼基區(qū)的小正方形基區(qū)個數(shù)等于二倍元胞數(shù)，再在硼擴散基區(qū)Pl和P2 上進行N的重摻雜擴散，形成陰極發(fā)射區(qū)Μ和N3，將陰極發(fā)射區(qū)m和N3的面積分別按照 2 (N+1)2的原則進行等分，分割成多個面積相等的正方形陰極發(fā)射區(qū)，將正方形陰極發(fā)射區(qū)分別在硼基區(qū)Pl和P2上橫向和縱向展開復(fù)用，并分別呈中心對稱地分布在對應(yīng)的基區(qū)Pl 和P2上，構(gòu)成二維對稱的多元胞結(jié)構(gòu)，其中，N依據(jù)多元胞的個數(shù)決定，元胞數(shù)=2(N+1)2。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述展開復(fù)用具體為，在半導(dǎo)體放電管硼基區(qū)Pl左上角擴散第一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，橫排和豎排方向均空一個正方形空格再擴散一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，剩下部分以第一橫排和第一豎排為基準(zhǔn)，空一個正方形空格再擴散一個正方形陰極發(fā)射區(qū)，硼基區(qū)P2上擴散的正方形陰極發(fā)射區(qū)與硼基區(qū)Pl上擴散的正方形陰極發(fā)射區(qū)位置錯開，正面沒有擴散正方形陰極發(fā)射區(qū)的區(qū)域背面擴散正方形陰極發(fā)射區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種分布式多原胞集成半導(dǎo)體放電管及制造方法，涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明將單元胞放電管的陰極發(fā)射區(qū)N1和N3的面積進行等分，分割成多個正方形的陰極發(fā)射區(qū)，將等分分割之后形成的正方形的陰極發(fā)射區(qū)在基區(qū)上橫向和縱向展開復(fù)用，并分別呈中心對稱地分布在對應(yīng)的基區(qū)P1和P2上，構(gòu)成二維對稱的多元胞集成結(jié)構(gòu)，每個多元胞結(jié)構(gòu)中的兩個陰極短路區(qū)面積相等。本發(fā)明提高了單原胞半導(dǎo)體放電管的散熱均勻性，減少了放電管開通時間，明顯提高了器件的穩(wěn)定性和可靠性。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域中的防雷擊電子設(shè)備。
文檔編號H01L29/06GK102569420SQ20121000613
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者向?qū)? 唐政維, 左嬌, 張志華, 張盼盼, 徐佳, 李文富, 羅嶸, 蔣龍, 謝歡, 趙衛(wèi)峰 申請人:重慶郵電大學(xué)