高压半导体功率开关器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高压半导体开关器件。本发明具体但不排他地涉及应用于开关变换器的开关器件。
【背景技术】
[0002]图1和图2图示了现有技术的开关变换器电路。图1图示了隔离恒压输出的开关变换器，而图2图示了用于驱动LED照明设备的非隔离恒流输出的开关变换器。
[0003]在图1和图2中，关键的决定是对于功率开关器件(分别为115和215)的选择。双极型晶体管和MOSFET是用于功率开关器件的典型候选器件。在具有相同的额定功率的情况下，双极型晶体管的成本比MOSFET更低。然而，通常MOSFET更为优选，特别是在高输出功率的情况下，这是因为:
[0004]a.双极型晶体管要求连续的基极电流以保持导通状态，而MOSFET只要求对栅极电容充电来导通；
[0005]b.击穿电压较高(比如，600V或更高)的功率双极型晶体管的电流增益一般并不高(比如，大致为10至20，或甚至低于10)。这导致了要用很大功率来驱动基极(尤其当功率变换器将高功率传输至其输出端时)，从而降低了开关变换器电路的效率。
[0006]通过使用达林顿结构的双极型晶体管，有效电流增益将变为单个晶体管的电流增益的乘积。因此，能够易于获得几百的有效电流增益，并且能够降低由于基极驱动而导致的功率损耗，从而在相同的输出功率下能够与MOSFET中对应的栅极驱动相近。然而，商用的达林顿晶体管通常为三管脚封装件，如图3所示，其中B是前一基极并且E是后一发射极，一较小的基极电流就能轻易地使其导通，但是由于内部基极(图3中晶体管302和304的基极管脚)处的基极弛豫，其关断会非常缓慢，这会使开关器件在关断时产生大量的热，从而导致效率下降，因此不适用于开关电源的应用。
[0007]IGBT是混合型功率开关器件，其尝试将MOSFET和双极型晶体管的优点结合到一起。对于IGBT，由于其对控制基极电容的充电与MOSFET的情况相似，因此其用于基极驱动的功率较小，同时由于传导模式为双极动作，IGBT的芯片尺寸与具有相同额定电流的双极型晶体管相似。然而，由于实际的双极型基极端子是在器件内部，其面临与三端子达林顿双极型晶体管相同的关断缓慢的问题。
[0008]直到现在，对于功率开关器件，MOSFET仍然是最普遍的选择。
【发明内容】
[0009]本发明提供了一种具有快速关断时间的高压三管脚达林顿双极型功率开关器件。
[0010]本发明还提供了一种具有快速关断时间的高压MOSFET/双极型晶体管混合功率开关器件。
[0011]上述每一个功率开关器件均可制造成单片器件。
[0012]本文中公开了一种三端子高压达林顿双极型晶体管功率开关器件，其包括以下组件:
[0013]两个高压双极型晶体管，两者的集电极连接在一起作为所述功率开关器件的所述集电极端子；所述第一高压双极型晶体管的基极作为所述功率开关器件的所述基极端子；所述第一高压双极型晶体管的发射极与所述第二高压双极型晶体管的基极(内部基极)连接，所述第二高压双极型晶体管的发射极作为所述功率开关器件的所述发射极端子；以及
[0014]二极管，其正极与所述内部基极(所述第一高压双极型晶体管的发射极或所述第二高压双极型晶体管的基极)相连接，并且所述负极与所述功率开关器件的所述基极端子相连。
[0015]优选地，所述二极管是肖特基二极管。
[0016]可选地，所述二极管采用连接成二极管形式的双极型晶体管。
[0017]优选地，使用高压SOI工艺将所有的组件集成为单片1C。
[0018]优选地，使用改进的高压平面工艺将所有的组件集成为单片1C。
[0019]本文进一步公开了一种制造三端子高压达林顿双极型功率开关器件的方法，所述方法包括:
[0020]将两个高压双极型晶体管与三管脚功率器件封装件的主芯片焊盘进行导电芯片粘接，所述高压双极型晶体管的衬底作为集电极端子，其中所述主芯片焊盘同时电连接至所述功率开关器件的集电极端子；
[0021]将二极管与所述三管脚功率器件封装件的所述基极端子的基极接合管脚进行导电芯片粘接，所述二极管的负极作为衬底；
[0022]将所述第一高压双极型晶体管的基极与所述三管脚功率器件封装件的基极端子接合；
[0023]将所述第一高压双极型晶体管的发射极与所述第二高压双极型晶体管的基极进行片间接合；
[0024]将所述第一高压双极型晶体管的发射极和/或所述第二高压双极型晶体管的基极与所述二极管的所述正极接合；
[0025]将所述第二高压双极型晶体管的所述发射极与所述三管脚功率器件封装件的发射极管脚接合；以及
[0026]通过随后的标准模塑及后续工艺来完成器件封装。
[0027]所述二极管优选为肖特基二极管。
[0028]在此进一步公开一种制造三端子高压达林顿双极型功率开关器件的方法，所述方法包括:
[0029]将单半导体芯片高压达林顿双极型晶体管与三管脚功率器件封装件的主芯片焊盘进行导电芯片粘接，所述单半导体芯片高压达林顿双极型晶体管具有四个端子，即集电极、第一基极、内部基极和发射极，其衬底作为所述发射极端子，其中所述主芯片焊盘还电连接至所述封装件的集电极端子；
[0030]将二极管与所述三管脚功率器件封装件的所述基极端子的基极接合管脚进行导电芯片粘接，所述二极管的负极为衬底；
[0031]将所述高压达林顿双极型晶体管的所述第一基极与所述三管脚功率器件封装件的基极端子接合；
[0032]将所述高压达林顿双极型晶体管的内部基极与所述二极管的所述正极接合；
[0033]将所述高压达林顿双极型晶体管的所述发射极与所述三管脚功率器件封装件的发射极管脚接合；以及
[0034]通过随后的标准模塑及后续工艺来完成器件封装。
[0035]同样，所述二极管优选为肖特基二极管。
[0036]在此进一步公开了一种单片三端高压达林顿双极型功率开关半导体集成电路，其包括:
[0037]两个高压双极型晶体管，其衬底作为共集电极并且作为所述功率开关集成电路的位于背面的集电极端子；
[0038]两个半导体阱区，其掺杂类型与所述衬底相反的并且作为所述高压双极型晶体管的基极区；
[0039]高掺杂密度的半导体电极，其类型与衬底相同并处在所述基极区内，并作为所述高压双极型晶体管的发射极；其中
[0040]所述第一高压双极型晶体管的基极作为所述功率开关集成电路的所述基极端子;
[0041]所述第一高压双极型晶体管的发射极连接至所述第二高压双极型晶体管的基极(内部基极)；
[0042]所述第二高压双极型晶体管的发射极作为所述功率开关集成电路的所述发射极端子；以及
[0043]二极管，其正极连接至内部基极并且其负极连接于所述功率开关集成电路的所述基极端子；其中
[0044]所述二极管是连接成二极管形式的双极型晶体管，并包括:
[0045]集电极，其作为在所述高压双极型晶体管的所述衬底上的阱，该阱的掺杂类型与所述衬底相反；
[0046]基极，其在集电极阱内部，其掺杂类型与所述集电极阱相反，并通过电极与其他组件互连；
[0047]发射极，对于普通二极管其作为与集电极相同类型的半导体，或对于肖特基二极管其作为势皇金属硅化物；并且
[0048]所述基极和集电极的端子相互连接并作为所述二极管的所述负极，同时所述发射极作为所述二极管的所述正极。
[0049]优选地，所述连接成二极管形式的双极型晶体管的集电极阱与两个高压双极型晶体管的基极区阱使用同一掩模，或该集电极阱为由额外的掩模来制造的独立区。
[0050]优选地，所述连接成二极管形式的双极型晶体管的集电极阱具有高掺杂密度区，包围结深较浅于所述高密度掺杂区的同类型低掺杂密度区，所述高掺杂区用于承受高击穿电压并且连接低掺杂密度集电极阱以与其他电极相连接，所述低掺杂密度区作为实际上的集电极阱，其内部形成所述连接为二极管形式的双极型晶体管的基极和发射极。
[0051]优选地，所述连接成二极管形式的双极型晶体管的集电极阱与所述第一高压双极型晶体管的所述基极(所述三端子高压达林顿双极型晶体管功率开关集成电路的基极管脚)合并。
[0052]优选地，通过与使用普通基极发射极结的所述连接成二极管形式的双极型晶体管的正极所用的相同种类的半导体电极来连接形成所述达林顿器件的所述高压双极型晶体管的所述基极区与所述连接成二极管形式的双极型晶体管的集电极区。
[0053]可选地，所述集成电路为单片集成电路，并且其中连接成二极管形式的双极型晶体管具有肖特基基极发射极结，并且与所述肖特基二极管正极的连接是与其直接接触。
[0054]优选地，对于带有肖特基二极管的单片功率开关集成电路，也可通过势皇金属硅化物来形成与其他半导体区的连接，其中所述肖特基二极管采用连接成二极管形式的双极型器件。
[0055]在此进一步公开了一种三端子高压MOSFET/双极型晶体管混合功率开关器件，其包括:
[0056]高压MOSFET和高压双极型晶体管，所述MOSFET的沟道端子分别与所述双极型晶体管的集电极和基极相连接，所述双极型晶体管的集电极和发射极分别作为所述功率开关器件的集电极端子和发射极端子，并且所述MOSFET的栅极作为所述三端子高压MOSFET/双极型晶体管混合功率开关器件的栅极端子；以及
[0057]二极管，其正极与所述高压双极型晶体管的基极相连接，并且其负极与所述功率开关器件的栅极端子相连接。
[0058]所述二极管可以优选为肖特基二极管。
[0059]所述二极管可以(次优选地)采用连接成二极管形式的双极型晶体管的形式。
[0060]优选地，其中使用高压SOI工艺将所有组件制造在单片IC上。
[0061]优选地，使用平面高压工艺、超级结高压工艺或半超级结高压工艺将所有组件制造在单片IC上。
[0062]在此进一步公开了一种制造三端子高压MOSFET/双极型晶体管混合功率开关器件的方法，所述方法包括:
[0063]将高压MOSFET和高压双极型晶体管与所述三端功率器件的主芯片焊盘进行导电芯片粘接，所述高压MOSFET和所述高压双极型晶体管的衬底分别作为漏极和集电极端子，所述主芯片焊盘同时电连接至所述功率开关器件的集电极端子；
[0064]将二极管与所述三管脚功率器件封装件的所述栅极端子的栅极接合管脚进行导电芯片粘接，所述二极管的负极作为衬底；
[0065]将所述高压MOSFET的栅极与所述三管脚功率器件封装件的栅极端子接合；
[0066]将所述高压MOSFET的源极与所述高压双极型晶体管的基极进行片间接合；
[0067]将所述高压MOSFET的源极和/或所述高压双极型晶体管的基极与所述二极管的所述正极接合；
[0068]将所述高压双极型晶体管的发射极与所述三管脚功率器件封装件的发射极管脚接合；以及
[0069]通过随后的标准模塑及后续工艺来完成器件封装。
[0070]所述二极管优选为肖特基二极管。
[0071]在此进一步公开了一种单片三端子高压MOSFET/双极型晶体管混合功率开关半导体集成电路，其包括:
[0072]高压MOSFET以及高压双极型晶体管，其衬底的掺杂类型分别与漏极和集电极相同，从而使得所述衬底通过与背面相同类型的高掺杂浓度区而作为所述功率开关集成电路的集电极端子；
[0073]两个半导体阱区，其掺杂类型与所述衬底相反并且分别作为所述高压MOSFET和所述高压双极型晶体管的主体和基极区；
[0074]半导体电极，其掺杂类型与所述衬底相同，位于所述主体和基极区的内部并具有高掺杂密度，所述半导体电极分别作为所述高压MOSFET和所述高压双极型晶体管的源极和发射极；
[0075]多晶硅薄氧化层栅极电极，其与所述主体和所述衬底区叠置，并作为所述MOSFET的栅极；其中:
[0076]所述高压MOSFET的栅极作为所述功率开关集成电路的栅极端子；
[0077]所述高压MOSFET的源极与所述高压双极型晶体管的基极相连接；
[0078]所述高压MOSFET的所述主体连接至所述高压MOSFET的源极，或可选地连接至所述高压双极型晶体管的发射极；
[0079]所述高压双极型晶体管的发射极作为所述功率开关集成电路的发射极端子；以及
[0080]二极管，其正极与所述高压双极型晶体管的基极相连接，并且其负极与所述功率开关