阅读说明：本技术 一种可控硅门极与阳极短接的低正向钳位电压开关二极管 (Low forward clamping voltage switch diode with silicon controlled rectifier gate and anode in short circuit ) 是由 赵德益 苏海伟 吕海凤 王允 赵志方 叶毓明 冯星星 李亚文 吴青青 张利明 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种可控硅门极与阳极短接的低正向钳位电压开关二极管,包括由衬底材料或衬底材料外延层、N型阱、P型阱、N型重掺杂和P型重掺杂构成的半导体主体,通过适当设计N型阱、P型阱、N型掺杂和P型掺杂的尺寸和间距构成可控硅结构,其特征在于,通过金属连接将控硅结构的门极和阳极短接形成开关二极管。利用门极到阴极的电流为阳极到阴极提供触发电流,形成正反馈,提前使可控硅结构开启,降低可控硅结构的开启电压,获得低正向钳位电压,本发明通过金属连接将控硅结构的门极和阳极短接形成开关二极管,获得低正向钳位电压。(the invention provides a low forward clamping voltage switch diode with a silicon controlled gate electrode and an anode in short circuit, which comprises a semiconductor body consisting of a substrate material or a substrate material epitaxial layer, an N-type trap, a P-type trap, N-type heavy doping and P-type heavy doping, wherein a silicon controlled structure is formed by properly designing the sizes and the intervals of the N-type trap, the P-type trap, the N-type doping and the P-type doping, and the low forward clamping voltage switch diode is characterized in that the gate electrode and the anode of the silicon controlled structure are in short circuit through metal connection to form the switch diode. The invention uses the current from the gate pole to the cathode to provide the trigger current from the anode to the cathode to form positive feedback, so as to lead the silicon controlled structure to be started in advance, reduce the starting voltage of the silicon controlled structure and obtain low forward clamping voltage.)

一种可控硅门极与阳极短接的低正向钳位电压开关二极管

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种可控硅门极与阳极短接的低正向钳位电压开关二极管。

背景技术

随着工艺尺寸的缩小，片上集成电路的防护等级越来越弱，而电压和电流的瞬态干扰无时不在，随时会给设备带来致命损害，对瞬态电压抑制器(TVS)的需求和依赖随之增加。应用在数据接口电路中的TVS，电容是至关重要的参数，电容太大会衰减传输信号，因此低电容的保护器件需求日益紧迫。

开关二极管是半导体二极管的一种，是为在电路上进行“开”(正向导通)、“关”(反向截至)而特殊设计制造的一类二极管。开关二极管具有开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高、低电容等特点，广泛应用于电子设备的开关电路、检波电路、高频和脉冲整流电路及自动控制电路中。其中，高频应用的一种形式是与TVS二极管搭配使用，通过使用开关二极管与TVS二极管的串并联，端口电容从TVS二极管的大电容降低至接近开关二极管的低电容，降低TVS产品的电容，从而可适应高速端口的应用。开关二极管可通过封装与TVS二极管集成，也可通过芯片工艺设计集成到同一个芯片上。

包括TVS二极管和开关二极管(D1和D2)的低电容TVS产品如附图1，TVS用于电位的控制，工作时处于击穿状态，通过调节击穿电压以适应不同的应用场景，一般击穿电压大于工作电压的1.2倍。与TVS串并联后，由于开关二极管的击穿电压为几十伏至上百伏，远高于TVS二极管，电荷泄放时无法从击穿方向泄放，而是通过正向导通方向至TVS二极管反向击穿的路径泄放掉，如附图1，开关二极管两端Pin2-Pin1施加正向电压时，电流通过D2正向和TVS击穿方向，泄放到Pin1(一般为GND)；开关二极管两端Pin2-Pin1施加负向电压时，电流通过D1正向泄放。虽然增加了电流路径，但是由于其优良的电容性能，被广泛应用。

TVS产品方面的参数与两类二极管的关系：

击穿电压——TVS二极管决定；

电容——开关二极管决定；

钳位电压、动态电阻——TVS二极管和开关二极管共同决定；

通过缩小开关二极管的面积可以获得低电容，但瞬态电荷泄放能力和也与开关二极管的面积成正比，在获得较低电容的同时，瞬态电荷泄放能力也会降低，且动态电阻增大。

为了降低开关二极管的电容，通常用高阻外延材料制作开关二极管，或将开关二极管制作在低浓度的阱里，将开关二极管的耗尽区增宽，达到降低电容的目的，同时带来的负面影响是开关二极管的正向开态动态电阻增大，影响了TVS器件的保护效果。

因此，鉴于上述方案于实际制作及实施使用上的缺失之处，而加以修正、改良，同时本着求好的精神及理念，并由专业的知识、经验的辅助，以及在多方巧思、试验后，方创设出本发明，特再提供一种利用可控硅结构获得低正向钳位电压的方法及开关二极管，在具有优良电容能力的同时，其正向导通电流能力得到增强，动态电阻得到降低，获得低正向钳位电压。在与TVS二极管串并联应用时，获得低电容和低正向钳位电压的保护器件。

发明内容

本发明提出一种可控硅门极与阳极短接的低正向钳位电压开关二极管，获得低正向钳位电压的方法，解决了现有技术中的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种可控硅门极与阳极短接的低正向钳位电压开关二极管，包括由衬底材料或衬底材料外延层、N型阱、P型阱、N型重掺杂和P型重掺杂构成的半导体主体，通过适当设计N型阱、P型阱、N型掺杂和P型掺杂的尺寸和间距构成可控硅结构，其特征在于，通过金属连接将控硅结构的门极和阳极短接形成开关二极管。

优选地，所述可控硅包括两个门极，均与阳极短接。

优选地，所述衬底材料为P型衬底或N型衬底，衬底材料外延层为在衬底材料上形成的P外延层或在衬底材料上形成的N外延层，可控硅结构制作在P型衬底、N型衬底内、在衬底材料上形成的P外延内或在衬底材料上形成的N外延内。

优选地，所述P型衬底、N型衬底、在衬底材料上形成的P外延层及在衬底材料上形成的N外层，其电阻率均大于等于1Ω·cm。

优选地，通过N型重掺杂和P型重掺杂与金属形成欧姆接触。

优选地，通过N阱与P阱与金属形成欧姆接触。

利用可控硅结构获得低正向钳位电压的方法，包括如下步骤：

A：使可控硅结构的门极到阴极的路径具有开关二极管的“开关”特性和低电容特性；

B：使可控硅结构的阳极到阴极的路径具有开关二极管的“关”态特性和低电容特性并通过“开”态特性的开启电压范围；

C：利用门极到阴极的电流为阳极到阴极提供触发电流，形成正反馈，提前使可控硅结构开启，降低可控硅结构的开启电压，获得低正向钳位电压。

作为一种优选的实施方式，步骤C中利用门极到阴极的电流为阳极到阴极提供触发电流，包括第一门极到阴极的电流为阳极到阴极提供触发电流，还包括利用第二参与电荷输运，加速阳极到阴极电流的正反馈。

作为一种优选的实施方式，所述可控硅结构制作在结合浓度可在一定范围内调节的N阱和P阱内，其中，N阱和P阱间距、浓度及结深以能够调节阳极至阴极的电压和触发电流。

作为一种优选的实施方式，所述N阱和P阱形成结的注入剂量在1E13至1E15，推结温度1050℃至1200℃。

作为一种优选的实施方式，步骤A中使可控硅结构的门极到阴极的路径具有开关二极管的“开关”特性和低电容特性，和步骤B中使可控硅结构的阳极到阴极的路径具有开关二极管的“关”态特性和低电容特性并通过“开”态特性的开启电压范围，均包括采用调节结浓度搭配以及尺寸间距。

本发明的开关二极管在具有优良电容能力的同时，其正向导通电流能力得到增强，动态电阻得到降低，获得低正向钳位电压。在与TVS二极管串并联应用时，获得低电容和低正向钳位电压的保护器件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1普遍使用的低电容TVS电路结构图；

图2普遍使用的低电容TVS中D1电路图形符号和一般剖面结构示意图；

图3可控硅结构的电路图形符号和一般剖面结构示意图；

图4可控硅门极与阳极短接结构的电连接示意图和IV曲线图；

图5使用了可控硅门极与阳极短接结构的低正向钳位电压开关二极管的低电容TVS电路结构图；

图6可控硅门极与阳极短接结构开关二极管的剖面示意图；

图7可控硅门极与阳极短接结构开关二极管的剖面及电连接示意图；

图8多组插指的可控硅门极与阳极短接结构开关二极管的剖面及电连接示意图；

图9带门极G2的可控硅门极与阳极短接结构开关二极管的剖面示意图；

图10带门极G2的可控硅门极与阳极短接结构开关二极管的剖面及电连接示意图；

图11多组插指的带门极G2的可控硅门极与阳极短接结构开关二极管的剖面及电连接示意图。

图中：Nwell-N阱；Pwell-P阱；Nepi-N外延；Pepi-P外延；Nsub-N型衬底；Psub-P型衬底；P+-P型重掺杂；N+-N型重掺杂；G1-第一门极；G2-第二门极；A-阳极；K-阴极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本利用可控硅结构获得低正向钳位电压的方法，包括如下步骤：

A：使可控硅结构的门极到阴极的路径具有开关二极管的“开关”特性和低电容特性；

B：使可控硅结构的阳极到阴极的路径具有开关二极管的“关”态特性和低电容特性并通过“开”态特性的开启电压范围；

C：利用门极到阴极的电流为阳极到阴极提供触发电流，形成正反馈，提前使可控硅结构开启，降低可控硅结构的开启电压，获得低正向钳位电压。

请参照图3-图11，可控硅包括两个门极：第一门极G1和第二门极G2，第一门极G1与阳极A短接，第二门极G2与阳极A短接。

步骤C中利用门极到阴极K的电流为阳极A到阴极K提供触发电流，包括第一门极G1到阴极K的电流为阳极A到阴极K提供触发电流，还包括利用第二参与电荷输运，加速阳极A到阴极K电流的正反馈。

可控硅结构制作在P型衬底Psub、N型衬底Nsub内、在衬底材料上形成的P外延Pepi内或在衬底材料上形成的N外延Nepi内。

P型衬底Psub、N型衬底Nsub、在衬底材料上形成的P外延Pepi及在衬底材料上形成的N外延Nepi，其电阻率均大于等于1Ω·cm。

可控硅结构制作在结合浓度可在一定范围内调节的N阱Nwell和P阱Pwell内，其中，N阱Nwell和P阱Pwell间距、浓度及结深以能够调节阳极A至阴极K的电压和触发电流。

N阱Nwell和P阱Pwell形成结的注入剂量在1E13至1E15，推结温度1050℃至1200℃。

步骤A中使可控硅结构的门极到阴极K的路径具有开关二极管的“开关”特性和低电容特性，和步骤B中使可控硅结构的阳极A到阴极K的路径具有开关二极管的“关”态特性和低电容特性并通过“开”态特性的开启电压范围，均包括采用调节结浓度搭配以及尺寸间距。

N型重掺杂N+和P型重掺杂P+的浓度设计在能够与金属形成欧姆接触，或者N阱Nwell与P阱Pwell的浓度设计在能够与金属形成欧姆接触。

基于上述方法，制备成的利用可控硅门极与阳极A短接结构的低正向钳位电压开关二极管，该二极管为集成型开关二极管，包括由衬底材料、外延层、N阱Nwell、P阱Pwell、N型重掺杂N+和P型重掺杂P+构成的半导体主体，通过适当设计N阱Nwell、P阱Pwell、N型重掺杂N+和P型重掺杂P+的位置构成可控硅结构，通过金属连接将控硅结构的门极和阳极A短接形成开关二极管。

通过适当的结浓度搭配和尺寸间距设计，可控硅结构的门极到阴极K的路径具有开关二极管的“开关”特性和低电容特性，可作为开关二极管。可控硅结构的阳极A到阴极K的路径具有开关二极管的“关”态特性和低电容特性，通过控制“开”态特性的开启电压范围，也可作为开关二极管。

通过金属连接将控硅结构的门极和阳极A短接，在兼容了开关二极管的基础上，门极到阴极K的电流为阳极A到阴极K的开关二极管提供触发电流，触发形成正反馈，提前使可控硅结构开启，即降低了可控硅结构开启电压。由于两条路径的单位面积电流效率不同，阳极A到阴极K的电流路径变成了主要电流路径。并联的两个开关二极管在具有优良电容能力的同时，其正向导通电流能力得到增强，动态电阻得到降低，获得低正向钳位电压。

开关二极管在具有优良电容能力的同时，其正向导通电流能力得到增强，动态电阻得到降低，获得低正向钳位电压。在与TVS二极管串并联应用时，获得低电容和低正向钳位电压的保护器件。

衬底材料对器件结构影响较小，在P型衬底Psub或N型衬底Nsub内，或在衬底材料上形成的P外延Pepi或N外延Nepi，均可用于制造该类器件。作为优选，衬底或外延材料的电阻率具有较高的电阻率(1Ω·cm)及以上；

结构需制作在N阱Nwell和P阱Pwell内，N阱Nwell和P阱Pwell浓度结合不同版图尺寸设计，可以在一定范围内调节，以获得合适的电容值和开启电压及导通电阻；为获得良好特性，需要设计适当的结浓度，并搭配设计合适的尺寸间距。其中，N阱Nwell和P阱Pwell形成结的注入剂量在1E13至1E15，推结温度1050℃至1200℃，N阱Nwell和P阱Pwell间距、浓度及结深可调节阳极A至阴极K的击穿电压和触发电流。

形成阳极A、阴极K、门极G的N型重掺杂N+和P型重掺杂P+的浓度，结合不同版图尺寸设计，可以在一定范围内调节，以获得合适的电容值和开启电压及导通电阻；N型重掺杂N+和P型重掺杂P+可以与金属形成良好的欧姆接触；当为获得较大电阻时，可以使用适当掺杂浓度的N型重掺杂N+和P型重掺杂P+，或使用N阱Nwell和P阱Pwell与金属形成的欧姆接触。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。