一种新型触发方式的可控硅结构及其制作方法

技术领域

本申请涉及功率半导体器件技术领域，具体而言，涉及一种新型触发方式的可控硅结构及其制作方法。

背景技术

可控硅是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。可控硅可应用在冰箱、空调、电风扇、直发器、智能马桶、工业设备、国家电网等各种电器设备，是重要的功率半导体器件。

相关技术中，如图1所示，晶闸管10’通常包括控制极701以及依次叠层设置的第一电极101、第一发射极201、第一基区301、第二基区401、第二发射极501和第二电极601。所述控制极701设置于所述第一发射极201远离所述第二电极601一侧，并与所述第一发射极201相接触。由于控制极701与所述第一电极101同侧设置，这导致第一电极101与第一发射极201之间的接触面积相对减小，这样会使得晶闸管在导通后的通态压降增大，不利于晶闸管的稳定高效运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型触发方式的可控硅结构及其制作方法，用于改善相关技术中所提到的上述问题中的至少一个。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种新型触发方式的可控硅结构，所述可控硅结构包括主体结构、电极结构和隔离结构。主体结构包括沿第一方向依次叠加设置的第一发射层、第一基区、第二基区、第二发射层；其中，所述第一发射层包括第一发射极，所述第二发射层包括第二发射极。电极结构包括在第一方向上位于主体结构两侧的第一电极和第二电极；所述第一电极被配置为与所述第二电极配合，以驱动所述主体结构导通。隔离结构包括第三基区和门极构件；所述第三基区覆盖主体结构的至少一侧，所述第三基区在第一方向上与所述第一发射极接触设置，且在第二方向上与所述第二基区接触设置，所述第三基区与所述第二基区中掺杂元素特性相同；所述门极构件与所述第三基区接触设置，所述门极构件被配置为向所述第三基区中注入电流，以触发主体结构导通。其中，所述第一发射极分别与所述第一电极和所述第一基区接触，所述第二发射极分别与第二电极和第二基区接触；第一方向与第二方向交叉设置；所述第一发射极、所述第一基区、所述第二基区和所述第二发射极依次为P发射极、N基区、P基区和N发射极；或者，所述第一发射极、所述第一基区、所述第二基区和所述第二发射极依次为N发射极、P基区、N基区和P发射极。

在一些实施例中，所述第三基区中的元素掺杂浓度大于所述第二基区中的元素掺杂浓度。

在一些实施例中，所述第三基区与所述第一基区接触设置。

在一些实施例中，所述门极构件位于所述第三基区远离所述第二发射极的一侧。

在一些实施例中，所述可控硅结构还包括位于所述第三基区与所述第一发射极之间的隔离槽；所述第三基区与所述第一发射极通过所述隔离槽隔离设置。

在一些实施例中，所述门极构件包括第一触发电极，所述第一触发电极与所述第三基区、所述第二发射极和所述第二电极共同构成二极管结构。

在一些实施例中，所述门极构件还包括辅助基区，所述第一触发电极、所述辅助基区、所述第三基区、所述第二发射极和所述第二电极共同构成三极管结构。

在一些实施例中，所述第一发射层还包括第三发射极，所述第三发射极在所述第一方向上分别与所述第一电极和所述第一发射极接触设置。所述第二发射层还包括第四发射极，所述第四发射极在所述第一方向上分别与所述第二基区和第二电极接触设置，所述第四发射极在所述第二方向上与所述第二发射极接触设置。所述第一触发电极在第二方向上覆盖所述辅助基区和所述第三基区。

在一些实施例中，所述第三基区围绕所述主体结构设置。

另一方面，本申请还提供一种可控硅结构的制作方法。该制作方法包括：

制作第二发射层；

基于第二发射层在第一方向上的一侧依次制作第二基区、第一基区以及第一发射层，以形成主体结构；

基于所述主体结构在第二方向上的至少一侧制作第三基区；

在所述第三基区远离所述第二发射层的一侧制作门极构件；

在所述第一发射层远离所述第二发射层的一侧制作第一电极；以及

在所述第二发射层远离所述第二基区的一侧制作第二电极。

上述可控硅结构及其制作方法，至少具有如下的有益效果。

上述可控硅结构能够有效提升第一电极与第一发射极之间的接触面积，从而有效提升第一发射极的发射面积，提高工作稳定性。此外，由于第一电极与第一发射极之间的接触面积增大，载流子扩散面积增大，使得其维持电流增大。而第一电极与第一发射极之间的接触面积增大还导致其间的接触电阻减小，可以避免该部分电阻在可控硅结构在工作过程中的消耗，进而能够有效降低可控硅结构的通态压降。而且，由于增设了第三基区，导致门极构件在触发主体结构导通的过程中，第三基区所占用的无效部分增大，使得总的触发电流增大，从而可以提升可控硅结构的抗干扰能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为相关技术中一种晶闸管的结构示意图；

图2为根据一些实施例的一种可控硅结构的结构示意图；

图3为根据一些实施例的一种可控硅结构的结构示意图；

图4为根据一些实施例的一种可控硅结构的结构示意图；

图5为根据一些实施例的一种可控硅结构的结构示意图；

图6为根据一些实施例的一种可控硅结构的结构示意图；

图7为图2的俯视图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明一些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。基于本发明所提供的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非上下文另有要求，否则，在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”被解释为开放、包含的意思，即为“包含，但不限于”。在说明书的描述中，术语“一些实施例”、“一些示例”或“示例性”等旨在表明与该实施例或示例相关的特定特征、结构、材料或特性包括在本发明的至少一个实施例或示例中。上述术语的示意性表示不一定是指同一实施例或示例。此外，所述的特定特征、结构、材料或特点可以以任何适当方式包括在任何一个或多个实施例或示例中。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本文参照作为理想化示例性附图的剖视图和/或平面图描述了示例性实施方式。在附图中，为了清楚，放大了层和区域的厚度。因此，可设想到由于例如制造技术和/或公差引起的相对于附图的形状的变动。因此，示例性实施方式不应解释为局限于本文示出的区域的形状，而是包括因例如制造而引起的形状偏差。例如，示为矩形的蚀刻区域通常将具有弯曲的特征。因此，附图中所示的区域本质上是示意性的，且它们的形状并非旨在示出设备的区域的实际形状，并且并非旨在限制示例性实施方式的范围。

本申请一些实施例提供一种新型触发方式的可控硅结构，如图2所示，该可控硅结构10包括主体结构、电极结构和隔离结构。电极结构包括在第一方向X上位于主体结构两侧的第一电极1和第二电极6。第一电极1被配置为与第二电极6相配合，以驱动主体结构导通。也即，在第一电极1和第二电极6的配合作用下，主体结构能够形成或者保持导通的状态。

主体结构包括沿第一方向依次叠层设置的第一发射层2、第一基区3、第二基区4、第二发射层5。其中，第一发射层2包括分别与第一电极1和第一基区3接触的第一发射极21；第二发射层5包括分别与第二基区4和第二电极6接触的第二发射极51。

第一发射极21、第一基区3、第二基区4、第二发射极51可形成PNPN型或者NPNP型的四层结构。示例性的，如图3、图5和图6所示，第一发射极21、第一基区3、第二基区4、第二发射极51依次为P发射极、N基区、P基区、N发射极，从而形成PNPN型的四层结构。又示例性的，如图4所示，第一发射极21、第一基区3、第二基区4、第二发射极51依次为N发射极、P基区、N基区、P发射极，从而形成NPNP型的四层结构。

在主体结构仅包括PNPN型的四层结构的情况下，第一电极1为阳极，第二电极6为阴极；在主体结构仅包括NPNP型的四层结构的情况下，第一电极1为阴极，第二电极6为阳极。

以PNPN型的四层结构为例，以下对可控硅结构10的工作原理进行说明。

如图3所示，第一发射极21(即P发射极)与第一基区3(即N基区)之间形成J1结，第一基区3与第二基区4(即P基区)之间形成J2结，第二基区4和第二发射极51(即N发射极)之间形成J3结。在第一电极1为阳极，第二电极6为阴极的情况下，J1结和J3结处于正向，J2结处于反向，此时，外接电压几乎全部落在J2结上，其流过的电流很小，可控硅结构10处于关断状态。当电压增加到J2结的击穿电压时，J2结发生雪崩倍增效应，在J2结区产生大量的电子和空穴，进入N基区的电子与P发射区通过J1结注入的空穴复合；而进入P基区的空穴和N发射区通过J3结注入的电子复合。在雪崩击穿发生后，进入N基区的电子和进入P基区的空穴各自不能全部复合，导致N基区产生电子积累，P基区产生空穴积累，结果使得P基区的电位升高，N基区的电位下降，起了抵消外加电压的作用。随着积累的增加，电压迅速下降，出现了负阻特性(电压下降电流上升)。电压下降到雪崩击穿完全停止时，如N基区和P基区的积累仍能维持，则P基区相对于N基区是正的，也即，J2呈正向偏置状态，这时，J1、J2和J3结都处于正向偏置，可控硅结构10即处于导通状态。

因此，在可控硅结构10所加电压未达到击穿前，J2结处于反向，其流过的电流很小；当雪崩击穿发生时，J2结流过的电流急增，可使得可控硅结构10进入导通状态。经发明人研究发现，通过增加J2结流过的电流，例如存在漏电流、电压上升率引起位移电流、光照或者在P基区或者N基区引出控制电极注入电流，均可使得主体结构形成导通。

而对于上述可控硅结构10，隔离结构包括第三基区7和门极构件8。

第三基区7覆盖主体结构的至少一侧，第三基区7在第一方向X上与第一发射极21接触设置，且在第二方向Y上与第二基区4接触设置。其中，第一方向X与第二方向Y交叉设置。例如，第一方向X与第二方向Y相互垂直。

第三基区7与第二基区4中掺杂元素特性相同。也即，在第二基区4为N基区的情况下，第三基区7也为N基区；在第二基区4为P基区的情况下，第三基区7也为P基区。这样可使得第三基区7与第二基区4能够形成载流子的传导。

示例性的，N基区所掺杂的元素为磷砷碲铋。

示例性的，P基区所掺杂的元素为硼铝镓铟铊。

门极构件8与第三基区7接触设置，门极构件8被配置为向第三基区7中注入电流，以触发主体结构导通。也即，若不存在门极构件8，第一电极1和第二电极6的配合作用下，主体结构并不能形成导通的状态；而当门极构件8向第三基区7中注入电流时，在第一电极1和第二电极6的配合作用下，主体结构能够形成导通的状态，并且维持该导通状态。

这样设置，由于将门极构件8设置于第三基区7上，这样可以避免相关技术中门极构件设置于第一发射层上而导致的第一电极与第一发射极之间的接触面积减小的问题。相反的，本申请所提供的可控硅结构10能够有效提升第一电极与第一发射极之间的接触面积，从而有效提升第一发射极的发射面积，提高工作稳定性。此外，由于第一电极与第一发射极之间的接触面积增大，载流子扩散面积增大，使得其维持电流增大。而第一电极与第一发射极之间的接触面积增大还导致其间的接触电阻减小，可以避免该部分电阻在可控硅结构10在工作过程中的消耗，进而能够有效降低可控硅结构10的通态压降。而且，由于增设了第三基区7，导致门极构件8在触发主体结构导通的过程中，第三基区7所占用的无效部分增大，使得总的触发电流增大，从而可以提升可控硅结构10的抗干扰能力。

在一些实施例中，第三基区7中的元素掺杂浓度大于第二基区4中的元素掺杂浓度。在第二基区4为N基区的情况下，第三基区7为N+基区；在第二基区4为P基区的情况下，第三基区7为P+基区。这样设置，可以更加有利于将第三基区7中的载流子扩散至第二基区4，从而更加有利于门极构件8对主体结构进行触发，使得主体结构形成导通。

在一些示例中，第三基区7覆盖主体结构的一侧。在另一些示例中，第三基区7覆盖主体结构的至少两侧。例如，第三基区7包覆于主体结构对侧。又例如，请参阅图7，第三基区7围绕主体结构设置，此时，主体结构任意一侧均覆盖有第三基区7，在此情况下，整体结构稳定性较好。

在一些实施例中，第三基区7还与第一基区3接触设置。

示例性的，在第一方向X上，第一基区3的厚度大于第一发射极21、第二基区4和第二发射极51的厚度，这样有利于使主体结构形成导通。

通过将第三基区7与第一基区3接触设置，一方面可以避免主体结构与隔离结构之间形成较大的高度落差，从而可以使可控硅结构10整体结构稳定性更好；另一方面，第三基区7与第一基区3和第二基区4同时形成接触，能够进一步提高第三基区7与主体结构之间的接触稳定性。

在一些实施例中，门极构件8位于第三基区7远离第二发射极51的一侧。这样可以避免使得门极构件8位于第三基区7的外周侧，从而导致整体所占的面积相对较大，进而不利于可控硅结构10的位置放置。

在一些示例中，可控硅结构10还包括位于第三基区7与第一发射层2之间的隔离槽9；第三基区7与第一发射层2通过隔离槽9隔离设置。在第三基区7围绕主体结构设置的情况下，隔离槽9同样设置一周并围绕第一电极1设置。

示例性的，第三基区7与第一发射层2之间位于隔离槽9的部分设置有钝化层，通过钝化层可使得第三基区7与第一发射层2形成独立的电压区，从而避免两者之间形成较大的干扰。

例如，隔离槽9中可以填充玻璃材料，形成玻璃槽。

在一些实施例中，如图2-4所示，门极构件8包括第一触发电极81，第一触发电极81与第三基区7、第二发射极51和第二电极6共同构成二极管结构。此时，第一触发电极81与第三基区7、第二发射极51之间所形成的PN结以及第二电极6相配合，可以使得该二极管结构导通。这样便可以往第二基区4中注入电流，从而使得主体结构形成导通。

在一些示例中，如图3所示，主体结构包括PNPN型的四层结构，第一电极1为阳极，第二电极6为阴极，第三基区为P+基区，第一触发电极81接入正电压。通过来自第一触发电极81的正触发信号，可以使得主体结构形成导通。

在另一些示例中，如图4所示，主体结构包括NPNP型的四层结构，第一电极1为阴极，第二电极6为阳极，第三基区为N+基区，第一触发电极81接入负电压。通过来自第一触发电极81的负触发信号，可以使得主体结构形成导通。

在一些实施例中，如图5-6所示，门极构件8还包括位于第一触发电极81下方的辅助基区82，第一触发电极81、辅助基区82、第三基区7、第二发射极51和第二电极6共同构成三极管结构。此时，第一触发电极81与辅助基区82、第三基区7所形成的PN结进行配合，可以往第二基区4中注入电流，从而使得主体结构形成导通。

在一些示例中，如图5所示，主体结构包括PNPN型的四层结构，第一电极1为阳极，第二电极6为阴极，第三基区7为P+基区，辅助基区82为N基区，第一触发电极81接入负电压，此时可以使得主体结构形成导通。

在一些实施例中，如图6所示，第一发射层2还包括第三发射极22，第三发射极22分别与第一电极1和第一发射极21接触设置。第二发射层5还包括第四发射极52，第四发射极52在第一方向X上分别与第二基区4和第二电极6接触设置，第四发射极52在第二方向上Y与第二发射极51接触设置。

第一触发电极81至少部分覆盖第三基区7和辅助基区82。例如，第一触发电极81整体覆盖部分第三基区7和所有辅助基区82。由于辅助基区82和第三基区7之间能够形成一个PN结，且第一触发电极81同时覆盖第三基区7和辅助基区82，这样使得门极构件8形成一个PN结并且具有短路发射极结构。

在一些示例中，第一触发电极81为一体结构覆盖第三基区7和辅助基区82。在另一些实例中，如图6所示，门极构件8包括与第一触发电极81并联的第二触发电极83，第二触发电极83直接与第三基区7接触设置。

请参阅图6，第一发射极21、第一基区3、第二基区4、第二发射极51为PNPN型的四层结构，以下被称为第一可控单元。第三发射极22为N发射极，第四发射极52为P发射极，此时，第三发射极22、第一发射极21、第一基区3、第二基区4和第四发射极52所形成的整体可以作为NPNP型的四层结构，以下被称为第二可控单元。第三基区7为P+基区，辅助基区82为N基区，此时，门极构件8和第三基区7可以被称为第三可控单元。

当第一电极1为阳极，第二电极6为阴极，第一触发电极81接入正电压时，与如图5所示的情况相同，第一可控单元导通，从而可控硅结构10形成导通。

当第一电极1为阳极，第二电极6为阴极，第一触发电极81接入负电压时，第二电极2相当于第三可控单元的控制极。而当第二电极6的电流大到一定程度时，第三可控单元导通，这样可使得第一触发电极81的电位接近第二电极6的电位而突然升高，第一触发电极81的电流原来由第三基区7流向第三可控单元的短路区，这时就会反方向流动，电流增大后使第二发射极51开始注入电子，从而第一可控单元导通。

当第一电极1为阴极，第二电极6为阳极，第一触发电极81接入负电压时，第一触发电极81的电流由第三基区7流向第三可控单元的短路区，这部分电流是空穴电流，当电流足够大时，辅助基区82开始注入电子，这些电子在越过第三基区7、第二基区4后，将被第二基区4与第一基区3之间的PN结的空间电荷层的电场扫入第一基区3，于是第一基区3的电位比第二基区4的电位更负，导致第二基区4与第一基区3之间的PN结更多地向第一基区3注入空穴，从而使得第二可控单元导通。

当第一电极1为阴极，第二电极6为阳极，第一触发电极81接入正电压时，电流从第一触发电极81依次通过第三基区7、第二基区4和第四发射极52流入到第二电极6，当电流足够大时，使第二基区4与第一基区3之间的PN结变成正向偏置，从而可使得第二可控单元导通。因此，第一电极1、第二电极6以及第一触发电极81在施加上述不同的电压极性组合时，均能使得可控硅结构10导通，从而丰富了本申请的使用场景。

在一些实施例中，本申请还提供一种可控硅结构的制作方法。请参阅图2，该制作方法包括以下步骤：

S1：制作第二发射层5。

S2：基于第二发射层5在第一方向X上的一侧依次制作第二基区4、第一基区3以及第一发射层2，以形成主体结构。

S3：基于所述主体结构在第二方向Y上的至少一侧制作第三基区7。

示例性的，如图7所示，可以在主体结构的周围制作第三基区7，第三基区7与第一发射层2之间留有隔离槽9。

S4：在第三基区7远离第二发射层5的一侧制作门极构件8。

需要说明的是，在门极构件8包括第一触发电极81和辅助基区82的情况下，需要先在第三基区7远离第二发射层5的一侧制作辅助基区82，然后再在辅助基区82上制作第一触发电极81。

S5：在第一发射层2远离第二发射层5的一侧制作第一电极1。

需要说明的是，在第一发射层2包括第一电极21和第三电极22的情况下，第一电极1同时覆盖第一电极21和第三电极22。

S6：在第二发射层5远离第二基区4的一侧制作第二电极6。

需要说明的是，在第二发射层5包括第二电极51和第四电极52的情况下，第二电极6同时覆盖第二电极51和第四电极52。

本申请所提供的可控硅结构10的制作方法，具有与可控硅结构10相同的技术效果，此处不再进行赘述。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。