P 沟道恒流二极管的电流扩展方法＊

2015-11-22鲁冬梅杨发顺

贵州大学学报(自然科学版) 2015年2期

鲁冬梅，刘桥，杨发顺，陈睿

(贵州大学贵州省贵阳市微纳电子与软件重点实验室，贵州贵阳 550025)

恒流二极管(CRD，current regulative diode)具有稳定性好、恒流范围大、输出电导低等优点，其在放大器、基准源、稳压电源、LED 驱动电路等电路的应用广泛［1］。P-CRD(P 沟道恒流二极管)是一种特殊的二极管，利用它可以得到稳定电流，但是由于空穴的迁移率比较小，所以其恒流值比较小，其应用范围受到很大的限制。并联多个可以提高恒流值，却增大了芯片面积，增加成本。

NPN 双极型晶体管(BJT，Bipolar Junction Transistor)的电流放大倍数一般都能达到几十至一百以上。若能结合两者优点，采用一种半导体兼容制造工艺将两者在一块半导体上实现，就能得到一个恒流效果好，恒流值大的器件，在大功率领域得到好的应用。

1 P-CRD 的研究

在N-Si衬底上，外延一层P－区作为P 沟道，外延层上注入两个P+区作为源漏，注入一个N+区作为顶栅，衬底引出一个电极作为底栅，将底栅和顶栅连接在一起一个P-JFET 结构就出来了。将P-JFET 的栅源短接作为正极，漏端作为负极，即可得到P-CRD。它的工作原理是利用两个背靠背的PN 结分别反偏形成空间电荷区，将沟道夹断［2］。沟道夹断以后，由于沟道电阻增大，所以正极电压的增大，将全部降落在沟道区，以此达到恒流效果［3，4］。

工艺上，CRD 的沟道长度、沟道厚度、沟道杂质浓度、栅漏间距等参数对其恒定电流、起始电压、击穿电压等都有影响。在silvaco 仿真软件中对器件特性进行仿真，沟道长度增大，恒定电流减小，起始电压和击穿电压不变;沟道厚度增大，恒定电流增大，起始电压增大，击穿电压不变;沟道浓度增大，恒定电流增大，起始电压增大，击穿电压减小;栅漏间距增大，恒定电流减小，起始电压和击穿电压不变。通过调整这几个参数，减小沟道浓度、沟道厚度和栅漏间距，减小沟道长度进行结构优化，可以得到恒定电流值大、恒流范围大的恒流二极管［2，5］。

2 P-CRD 的电流扩展

在同一块半导体材料上，将P-CRD 和NPNBJT 同时制造，并把P-CRD 的恒定电流作为NPN的输入电流，那么经过NPN 的放大，将把P-CRD的恒定电流扩大β 倍［6］，如图1 所示。

对BJT 来说，共射电流放大倍数β，与基区宽度、基区杂质浓度都有关系。基区宽度越小，β 越大。但是，受基区宽度调制效应的影响，基区宽度太小，将会使同一基极电流下集电极输出电流的变化较大［7］。基区杂质浓度过大，发射结注入效率下降，β 减小。外延层杂质浓度过高，会使CE 击穿电压减小;外延层杂质浓度过小，越易发生纵向基区扩展效应［8］。

图1 P-CRD 的电流扩展原理图

CRD 是三层结构(衬底－外延－电极)，而NPN-BJT，将其发射区做在基区内部，则是四层结构［2］。本文做了两个改变。第一，保留BJT 的四层结构，从CRD 的外延区，引出一个电极作为底栅和顶栅、源极连接在一起，作为CRD 的正极。第二，将CRD 的沟道区和BJT 的基区、CRD 的顶栅和BJT 的发射区以及集电区、CRD 的源漏接触区和BJT 的基极接触区几个同时制造，且浓度一致，扩散时间和温度一致，大大简化了工艺步骤，降低了生产成本。

通常为了降低集电极的串联电阻，集电极一般都做成深集电极［9］。本文中，将BJT 的集电区和发射区同时制作，在进行温度扩散之后使集电极成为深集电极，少了一个单独制作深集电极的工艺步骤。两个器件间采用常见的PN 结隔离技术进行隔离，得到P-CRD 和NPN-BJT 的兼容结构，图2 即为P-CRD 与NPN-BJT 的兼容结构图。

图2 P-CRD 的电流扩展结构图

工艺上，减小发射极的扩散时间或温度，减小发射极注入浓度，基区宽度增大。考虑到减小集电区电阻的影响故在设计结构的时候，一般需要在衬底上做一层N+埋层。合理控制发射区、基区、集电区杂质浓度及扩散时间和温度，才能得到高性能的BJT。

主要工艺流程:衬底制备，埋层制备，外延层，隔离，氧化，硼注入，退火，氧化，磷注入，退火，氧化，硼注入，接触孔光刻，淀积铝，光刻铝合金，钝化。

3 各个参数影响及仿真结果

本文的难点:沟道厚度和基区宽度大小一致，沟道厚度增加恒定电流增大，基区宽度调制效应减小;另一方面，沟道厚度的增大，使电流放大倍数β减小。故沟道厚度过大或过小，都不能同时制作性能好的CRD 或BJT。这里，考虑到β 对输出电流大小的影响比较大，故侧重于小的沟道厚度。本文通过调整发射区、基区、集电区的掺杂浓度和扩散的时间及温度，对基区宽度分别为0.476 μm、0.492 μm、0.714 μm、0.952 μm 进行仿真，最终得到，当基区宽度为0.714 μm 时，兼容结构的输出电流比较大，起始电压比较低，击穿电压比较大。

在silvaco 公司的athena 和atlas 中分别作兼容结构，并对兼容结构进行特性仿真。图3为恒流二极管的输出电流，输出电流为7.7 μA(当V正极=5 V时)，起始电压为3.8 V。图4为NPN-BJT 的输出电流曲线，其中，基极电流为8 μA，集电极输出电流为583 μA(当VC=8 V 时)，β为72.88。图5为P-CRD 的电流扩展仿真图，其中，可以发现集电极输出电流为586 μA(当VC=5 V 时)，电流扩展了73.77 倍。这和理论值基本吻合，验证了理论的真实性。