專利名稱：分布式多原胞集成半導體放電管及制造方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種半導體放電管。
背景技術：
通信行業中最常運用的半導體放電管是單元胞固體放電管。主要是通過NPNPN五層結構制成的半導體放電管。圖2是單元胞半導體放電管的剖面圖。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五層結構。以圖 2為例，其中N為放電管的長基區、Pla和Ph均為放電管的短基區(或硼基區)、Nla和N3a 均為放電管的陰極發射區。Da為短路點。圖1為單元胞半導體放電管的表面結構示意圖。圖1中，Ia為N型陰極發射區，2a 為短基區(即硼基區或P型基區)。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，Jla、Ba是第二次N型重摻雜擴散形成的PN結，Da 是陰極發射區ma、N3a上的短路點結構。當電流從Tla流入時，此時放電管的右邊處于工作狀態，由PNPN工作，由于Jh和 J4a兩個PN結正偏，故電壓主要加在PN結J3a上，此時J3a發生雪崩擊穿，雪崩電流流過較寬的P型區Ph和重摻雜N型區N3a結面，達到放電的目的。由于陰極發射區集中在放電管的一側，導致雪崩擊穿的電流流過放電管的面積較大，從而，導致導通時間較長。另外，由于放電管的陰極發射區集中在放電管的一側，造成放電管放電時產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。有人對多元胞半導體放電管進行研究，提出了 “半導體放電管多元胞結構模型研究”(《華中理工大學學報》1999年第12期)。文中提到的多元胞半導體放電管是將重摻雜 N區進行分割之后均勻地排布在P區上面。圖4為放電管的縱向結構示意圖，當雷電浪涌產生的正向電壓加在器件兩端時，J2結和J3結正偏，J2結承受正向電壓，其反向漏電流沿著 P基區橫向流動，由于短路點電流向T2電極。當浪涌電壓上升時，J2結的反向漏電流增加， P基區的橫向電壓降隨之增加。一旦該壓降大于J3結的開啟電壓，器件部分開通。N+區向 P區注入電子，電流放大系數α 2開始逐漸增大。當α +α 2=1時，器件全面開通，進入低阻大電流狀態。但是，如圖3所示，由于分割的N區沒有合理地排布。導致放電管在低阻大電流狀態時放電管不能迅速導通，并且由于是將陰極發射區均勻地排布，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。上述多元胞半導體放電管可以維持電流和抗雷電浪涌能力的協調，但在低阻大電流狀態時放電管導通時間長，不能迅速導通，長期工作后散熱不均勻兩個主要問題。

發明內容
本發明針對現有半導體放電管多元胞結構中重摻雜N區排布不合理，存在導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體放電管結構。
本發明解決上述技術問題的技術方案是，設計一種分布式多元胞集成半導體放電管，該半導體放電管包括金屬電極、陰極發射區、硼基區以及長基區，放電管的縱向剖面為 m、Pl、N2、P2、N3五層結構，在縱向長基區位于半導體放電管區域的中心，在長基區的上下兩面進行硼擴撒，形成硼基區PI、P2，然后在硼基區上進行陰極發射區的擴散，將陰極發射區進行分布式擴散，構成二維對稱的多元胞結構，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、N3五層結構不變的情況下，將陰極發射區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射區形成新陰極發射區，將多個正方形陰極發射區在硼基區上橫向和縱向展開擴散，并分別呈中心對稱地分布在對應的硼基區Pl和P2上，構成二維對稱的多元胞結構(如八元胞、十八元胞、三十二元胞等)，每個多元胞結構中的兩個陰極發射區W和N3面積相等，其中，N依據元胞數決定，元胞數=2 (N+1)2。新陰極發射區具體為，在半導體放電管硼基區Pl左上角擴散第一個正方形陰極發射區，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射區，剩下部分以第一橫排和第一豎排為基準，空一個正方形空格再擴散一個正方形陰極發射區，硼基區P2 上擴散的正方形陰極發射區與硼基區Pl上擴散的正方形陰極發射區位置錯開，在正面沒有擴散正方形陰極發射區的區域背面擴散正方形陰極發射區。當一個浪涌電流經過多元胞半導體放電管時，電流首先從金屬電極Tl流入，PU Nl構成的PN結J2和P2、N3構成的PN結J4正偏，主要由P2、N2構成的PN結J3承受反向電壓，其反向漏電流沿著硼基區P2橫向流動，由短路點D流向T2電極。當浪涌電壓繼續上升時，J3結反向電流增加，硼基區P2橫向電壓降隨之增加。一旦該壓降大于J4結的開啟電壓，多元胞半導體放電管部分導通，N3區開始向硼基區P2注入電子，N3P2N1晶體管的電流放大系數α 2開始逐漸增大；同時，Ρ1Ν2Ρ2晶體管的發射極向N-基區注入空穴，其電流放大系數α 1也開始逐漸增大。當α1+α2>1時，J2結由反向偏置轉為正向偏置，多元胞半導體放電管開通，進入低阻大電流狀態。本發明還提出一種分布式多元胞集成半導體放電管制造方法，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Pl和Ρ2，將硼基區Pl和Ρ2分別等分為面積相等的小正方形基區，每個硼基區的小正方形基區個數等于二倍元胞數，再在硼擴散基區Pl和Ρ2上進行N的重摻雜擴散，形成陰極發射區m和N3，將陰極發射區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射區，將正方形陰極發射區分別在硼基區Pl和P2上橫向和縱向展開復用，并分別呈中心對稱地分布在對應的基區Pl和P2上，構成二維對稱的多元胞結構，其中，N依據多元胞的個數決定，元胞數 =2(N+1)2。所述展開復用具體為，在半導體放電管硼基區Pl左上角擴散第一個正方形陰極發射區，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射區，剩下部分以第一橫排和第一豎排為基準，空一個正方形空格再擴散一個正方形陰極發射區，硼基區P2 上擴散的正方形陰極發射區與硼基區Pl上擴散的正方形陰極發射區位置錯開，正面沒有擴散正方形陰極發射區的區域背面擴散正方形陰極發射區
本發明的多元胞半導體放電管主要提高了 α 增大速率。由于將陰極發射區進行了分割，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。當浪涌電流下降，α 、α 2隨之下降，若al+a2<l，J2結又處于反偏，則該多元胞半導體放電管自動恢復到高阻狀態。本發明提供的分布式集成結構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構的使用增加了發射區初始導通面積，從而減少了放電管開通時間。多元胞半導體放電管工作的時候，由于將陰極發射區的面積進行了等分，故增加了陰極發射區的周長，而電流正是通過陰極發射區的邊緣再通過放電管剩下的四層結構進行電流的泄放。最終實現均勻散熱、快速放電的效果。


圖1為單元胞半導體放電管的表面結構示意圖； 圖2為單元胞半導體放電管的縱向結構示意圖3為普通多元胞集成半導體放電管的表面結構示意圖； 圖4為普通多元胞集成半導體放電管的縱向結構示意圖； 圖5為本發明分布式八元胞集成半導體放電管的表面結構示意圖； 圖6為本發明分布式八元胞集成半導體放電管的縱向結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的具體實施方式
進一步說明。以分布式八元胞半導體放電管為例，圖5為本發明的分布式八元胞集成半導體放電管的表面結構示意圖。圖6為圖5的分布式八元胞集成半導體放電管的縱向結構示意圖。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 Pl和P2以及兩個PN結J2和J3，然后再在硼擴散基區Pl和P2上進行N型的重摻雜擴散， 形成陰極發射區W和N3以及PN結Jl和J4，將放電管的陰極發射區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發射區和PN結Jl和J4 (具體的陰極發射區分散方式如圖5所示)，其中，N依據多元胞的個數決定，元胞數=2(N+1)2， 又由于陰極發射區里有短路點，考慮到短路點的分布，并兼顧光刻的可實現性，根據經驗通常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射區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為本發明分布式八元胞集成半導體放電管的表面結構示意圖，可以看出元胞數為8，將陰極發射區m和N3層分別等分為8個正方形陰極發射區，正方形陰極發射區分別間隔放置在硼基區Pl和P2上，形成八元胞結構。多元胞集成半導體放電管是將單元胞放電管的陰極發射區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=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射區，將等分分割之后形成的正方形陰極發射區在基區上面橫向和縱向展開復用。
具體復用可采用以下方式。先將硼基區劃分成2 (N+1)2個小方塊，即將硼基區Pl和P2均勻地劃分為二倍元胞數個小方塊。如制作二元胞放電管則將硼基區劃分成 4個小方塊，八元胞放電管則將硼基區劃分成16個小方塊，以此類推，再在劃分好的硼基區上進行N型重摻雜擴散，放電管正面硼基區的左上角的小方塊擴散第一個正方形陰極發射區，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射區面積)再擴散一個正方形陰極發射區，剩下的部分再以第一橫排和第一豎排為基準，按照空一個正方形空格擴散一個正方形陰極發射區的方式，在正面的硼基區上均勻擴散正方形陰極發射區，放電管背面硼基區上擴散陰極發射區方式采用，與正面擴散陰極發射區同樣的分布方式，間隔一個正方形陰極發射區區域放置一個正方形陰極發射區，且與正面正方形陰極發射區位置錯開放置的方式，即正面沒有擴散陰極發射區的區域背面擴散陰極發射區。圖6為分布式八元胞集成半導體放電管的縱向結構示意圖，圖6是圖5的八元胞半導體放電管的剖面圖。圖6中，多元胞半導體放電管上、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Jl、J2、J3、J4，發射區Ni、N3上的短路點D。將陰極發射區按照上述原則分散之后，即將Jl結和J4結進行了平均、規律地分散，當浪涌電流來到時J4和Jl結導通更快、散熱更均勻。相比于傳統的半導體放電管，達到均勻散熱和減少放電管開通時間的效果。本發明將陰極發射區面積等分成多個陰極發射區，呈中心對稱地分布在硼基區上，這樣每個多元胞結構中的陰極發射區面積相等，此分布式集成結構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，提高了單原胞半導體放電管的散熱均勻性。由于采用分布式多元胞結構，陰極發射區的總體面積沒有發生改變，但是陰極發射區的周長增加了，又由于半導體放電管的電流主要是在陰極發射區的邊上流過，因而相比于單元胞半導體放電管，增加了發射區的周長，即增加了發射區初始導通面積，從而減少了放電管開通時間，明顯提高了器件的穩定性和可靠性。本發明可直接應用于通信領域中的防雷擊電子設備。以5kA半導體放電管為例，采用常規結構和取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，測試對象常規結構和本發明分布式多元胞結構，以5kA為基準測試，沖擊10次；測試中，樣品的工作狀態正常；(每兩次間的測試間隔冷卻一分鐘)，在5kA測試后，再以6kA為基準測試；常規結構，沖擊1次，樣品斷路，而采用分布式多元胞結構，沖擊10次；測試中，樣品的工作狀態正常；(每兩次間的測試間隔冷卻一分鐘)，在6kA測試后，再以7kA為基準測試；樣品在沖擊第一次的測試中出現閃絡， 樣品短路；因此，采用分布式多元胞結構，導通更快，抗電涌能力提高了 20%。
權利要求
1.一種分布式多元胞集成半導體放電管，包括金屬電極、陰極發射區、硼基區以及長基區，其特征在于，放電管的縱向為Ni、PI、N2、P2、N3五層結構，長基區位于半導體放電管區域的中心，在長基區的上下兩面進行硼擴撒，形成硼基區P1、P2，在硼基區上將陰極發射區m和N3進行分布式擴散形成多元胞結構，再在其表面覆蓋金屬。
2.根據權利要求1所述分布式多元胞集成半導體放電管，其特征在于，所述多元胞結構具體為，將陰極發射區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射區，將多個正方形陰極發射區在硼基區上橫向和縱向展開擴散，并分別呈中心對稱地分布在對應的硼基區Pl和P2上，構成二維對稱的多元胞結構，每個多元胞結構中的兩個陰極發射區m和N3面積相等，其中，N依據元胞數決定，元胞數=2(N+1)2，N=0、1、2、 3、4。
3.根據權利要求1所述分布式多元胞集成半導體放電管，其特征在于，在半導體放電管硼基區Pl左上角擴散第一個正方形陰極發射區，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射區，剩下部分以第一橫排和第一豎排為基準，空一個正方形空格再擴散一個正方形陰極發射區，硼基區P2上擴散的正方形陰極發射區與硼基區Pl上擴散的正方形陰極發射區位置錯開，正面沒有擴散正方形陰極發射區的區域背面擴散正方形陰極發射區。
4.一種分布式多元胞集成半導體放電管制造方法，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Pl和P2，將硼基區Pl和P2分別等分為面積相等的小正方形基區，每個硼基區的小正方形基區個數等于二倍元胞數，再在硼擴散基區Pl和P2 上進行N的重摻雜擴散，形成陰極發射區Μ和N3，將陰極發射區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射區，將正方形陰極發射區分別在硼基區Pl和P2上橫向和縱向展開復用，并分別呈中心對稱地分布在對應的基區Pl 和P2上，構成二維對稱的多元胞結構，其中，N依據多元胞的個數決定，元胞數=2(N+1)2。
5.根據權利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述展開復用具體為，在半導體放電管硼基區Pl左上角擴散第一個正方形陰極發射區，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射區，剩下部分以第一橫排和第一豎排為基準，空一個正方形空格再擴散一個正方形陰極發射區，硼基區P2上擴散的正方形陰極發射區與硼基區Pl上擴散的正方形陰極發射區位置錯開，正面沒有擴散正方形陰極發射區的區域背面擴散正方形陰極發射區。
全文摘要
本發明公開一種分布式多原胞集成半導體放電管及制造方法，涉及半導體技術領域，本發明將單元胞放電管的陰極發射區N1和N3的面積進行等分，分割成多個正方形的陰極發射區，將等分分割之后形成的正方形的陰極發射區在基區上橫向和縱向展開復用，并分別呈中心對稱地分布在對應的基區P1和P2上，構成二維對稱的多元胞集成結構，每個多元胞結構中的兩個陰極短路區面積相等。本發明提高了單原胞半導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定性和可靠性。本發明可廣泛應用于通信領域中的防雷擊電子設備。
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 優先權日2012年1月6日
發明者向導, 唐政維, 左嬌, 張志華, 張盼盼, 徐佳, 李文富, 羅嶸, 蔣龍, 謝歡, 趙衛峰 申請人:重慶郵電大學