一种光集成固体继电器的制作方法与工艺

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种光集成固体继电器。

背景技术：
固态继电器（SolidStateRelay，缩写SSR），是由微电子电路，分立电子器件(开关三极管、双向可控硅等半导体元件)，电力电子功率器件组成的无触点开关。固体继电器是一种四端器件，两个输入端，两个输出端，输入端接控制信号，输出端与负载和电源串联，用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制的优点。固态继电器目前已广泛应用于计算机外围接口设备、恒温系统、调温、电炉加温控制、电机控制等场合。目前，大部分固体继电器都是分别将输入端、控制电路和输出端的芯片进行不同程度的集成，并将多个芯片进行共同封装，这种制作方法虽然在功能的选择上提供了方便，但是多个芯片的封装增加了制作的难度，其成本也大为提升。此外，由于各个模块的非单片集成增加了寄生效应，降低了整个元件的可靠性。公开号CN102970019A介绍了一种光MOS继电器，其基本原理为：将一个控制装置连接到光伏二极管阵列与输出金属氧化物场效应管的栅极之间，从而使控制装置在光伏输出时处于高阻状态，在光伏输出消失时处于低阻状态，以便光伏二极管阵列产生的充电电流流向输出端，金属氧化物场效应管的栅极。专利中提到的所有元器件均采用V型槽隔离的方法，实现了单片集成，很好的实现了固体继电器的控制功能，类似的专利还包括：美国专利号5151602、美国专利号5278422和公开号CN1728553A等等，上述专利还有一个共同点是都是采用V型槽隔离方式将光伏二极管阵列与控制电路单片集成，控制电路的输出端口再外接单片功率MOS元件的栅源端，最终将继电器的各个部分进行共同封装，这种封装方式不仅会增加封装的难度，同时由于多片封装寄生效应比较大，降低了整个继电器的可靠性，而且某些固体继电器的输出端采用了横向功率器件，由于横向功率器件的漂移区长度较大，且作用只是用来承受耐压，增加了整个芯片的面积，影响了整个芯片的集成度。此外，在这些专利中所述的光伏二电池大都采用单晶硅光伏电池制作，其制作难度和成本较高。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种集成度较高、可靠性较好的光集成固体继电器。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该光集成固体继电器，包括集成于同一衬底上的控制电路和输出端功率半导体器件，还包括光电池阵列，所述光电池阵列将光信号转换成电信号并将电信号提供给控制电路，所述控制电路根据输入的电信号控制输出端功率半导体器件的开关；所述控制电路由若干个三极管、若干个二极管以及若干个阻抗元件组合而成，每个三极管、每个二极管以及每个阻抗元件均单独处于衬底的一个V型槽内；所述输出端功率半导体器件单独处于衬底的V型槽内；所述光电池阵列集成在输出端功率半导体器件表面的漂移区，所述光电池阵列由若干个光伏电池串联而成。进一步的是，所述光伏电池为多晶硅光伏电池。进一步的是，所述输出端功率半导体器件表面的漂移区设置有N型多晶硅基体，在N型多晶硅基体与输出端功率半导体器件之间设置有场氧层，在N型多晶硅基体的表面通过双扩散工艺形成P+区以及N+区，并在P+区设置阳极电极、N+区设置阴极电极形成所述的多晶硅光伏电池。进一步的是，所述多晶硅光伏电池表面设置有抗反射层。进一步的是，所述输出端功率半导体器件为横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管或横向绝缘栅双极型晶体管。本发明的有益效果：该光集成固体继电器的光电池阵列集成在输出端功率半导体器件表面的漂移区，因此，光电池阵列不需要占用衬底版图的面积，减小了衬底的表面积，可以大大提高芯片的集成度，而且本发明将光电池阵列、控制电路和输出端功率半导体器件集成于同一衬底上，集成功率器件的固体继电器减小了封装的难度和寄生效应，有效地提高了继电器的可靠性。附图说明图1是本发明光集成固体继电器的版图示意图；图2是本发明输出端功率半导体器件部分的衬底结构示意图；图3至图6为在输出端功率半导体器件表面的漂移区集成光电池阵列的工艺过程图；图中标记说明：衬底1、V型槽101、光电池阵列2、控制电路3、输出端功率半导体器件4、N型多晶硅基体5、场氧层6、P+区7、N+区8、阳极电极9、阴极电极10、抗反射层11。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。如图1、2所示，该光集成固体继电器，包括集成于同一衬底1上的控制电路3和输出端功率半导体器件4，还包括光电池阵列2，所述光电池阵列2将光信号转换成电信号并将电信号提供给控制电路3，所述控制电路3根据输入的电信号控制输出端功率半导体器件4的开关；所述控制电路3由若干个三极管、若干个二极管以及若干个阻抗元件组合而成，每个三极管、每个二极管以及每个阻抗元件均单独处于衬底1的一个V型槽101内；所述输出端功率半导体器件4单独处于衬底1的V型槽101内；所述光电池阵列2集成在输出端功率半导体器件4表面的漂移区，所述光电池阵列2由若干个光伏电池串联而成。该固体继电器的光电池阵列2集成在输出端功率半导体器件4表面的漂移区，因此，光电池阵列2不需要占用衬底1版图的面积，减小了衬底1的表面积，提高芯片的集成度，而且本发明将光电池阵列2、控制电路3和输出端功率半导体器件4集成于同一衬底1上，集成功率器件的固体继电器减小了封装的难度和寄生效应，有效地提高了继电器的可靠性。在上述结构中，所述光伏电池可以采用现有的各种光伏电池，作为优选的方式是：所述光伏电池为多晶硅光伏电池，多晶硅光伏电池加工方便，制造成本低，可大大减低整个固体继电器的成本。为了方便在输出端功率半导体器件4表面的漂移区集成光电池阵列2，所述输出端功率半导体器件4表面的漂移区设置有N型多晶硅基体5，在N型多晶硅基体5与输出端功率半导体器件4之间设置有场氧层6，在N型多晶硅基体5的表面通过双扩散工艺形成P+区7以及N+区8，并在P+区7设置阳极电极9、N+区8设置阴极电极10形成所述的多晶硅光伏电池。为了提高光功率，所述多晶硅光伏电池表面设置有抗反射层11。具体的，在输出端功率半导体器件4表面的漂移区集成光电池阵列2的工艺过程如下：首先，在输出端功率半导体器件4表面的漂移区热生长一层二氧化硅，即场氧层6，如图3所示；然后，在场氧层6表面需要制作光伏电池的区域淀积一层N型多晶硅形成N型多晶硅基体5，如图4所示；接着利用掩模版在N型多晶硅基体5的表面进行P+扩散，形成形成P+区7以及N+区8，如图5所示；最后，在器件表面进行PECVD镀一层增透膜形成所述的抗反射层11，并在P+区7设置阳极电极9、N+区8设置阴极电极10形成所述的多晶硅光伏电池，如图6所示。为了可以控制微弱的电压或者模拟信号，所述输出端功率半导体器件4为横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管或横向绝缘栅双极型晶体管，同时，横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管和横向绝缘栅双极型晶体管具有较大面积的漂移区，便于光电池阵列2的集成。