CN101980363B - 一种可控自钳位SensorFET复合横向功率器件 - Google Patents
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Abstract
一种可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，属于半导体功率器件技术和功率集成电路技术领域。本发明将功率变换器的主开关管与SensorFET器件集成于同一P型衬底上，二者采用共用阳极结构，其中所述SensorFET器件的控制电极与共用阳极之间具有钳位二极管串，所述功率变换器的主开关管可以是横向MOS复合类器件或常规MOS器件。本发明提供的可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，可在为内部电路提供稳定充电电流的同时，有效地对雪崩能量进行泄放，使得SensorFET器件的瞬态安全工作区得到扩展。同时本发明通过钳位管与控制栅区的连接，实现了对能量泄放大小和钳位时间的控制，从而扩展了智能功率IC在高雪崩能量环境下的应用，例如点火领域。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及半导体功率器件技术和功率集成电路技术。
背景技术
功率集成电路是控制电路与功率负载之间的接口电路，其最简单的电路包括电平转移和驱动电路，它的作用是将微处理器输出的逻辑信号电平转换成足以驱动负载的驱动信号电平。功率集成电路出现于上世纪七十年代后期，由于单芯片集成，功率集成电路减少了***中的元件数、互连数和焊点数，不仅提高了***的可靠性、稳定性，而且减少了***的功耗、体积、重量和成本。能够对工作状态进行自我管理，能对突发事件作出反应并采取相应的应对措施(称之为智能)。对于功率IC而言，自我管理就是采用不同的控制方式对功率开关管进行控制。对突发事件的应对能力主要包括自启动、过流保护及前沿消隐、过温保护、过压保护、欠压保护和ESD防护。具有上述功能的功率集成电路可称之为智能功率集成电路(SPIC：Smart Power Integrated Circuit或IPC：Intelligent Power Integrated Circuit)。
当智能功率集成电路使用在85V～265V的交流输入电压范围内时，如何监控高压环境的电流状态和电压状态成为智能功率器件和电路研究的一个重要方向。在智能功率集成电路设计中，主要通过信号采样、反馈控制的方式实现对高压电路和功率器件的保护以及对工作状态的监控。信号采样主要有两种方式，分别是电压采样和电流采样。常用的电流采样方式有以下几种：(1)在输出回路中串接电阻进行电流采样。当电阻为固定值时，电压的变化就反映出电流的变化情况。但是检测电阻会增加额外的功耗，其数值可达数瓦，甚至十几瓦。(2)利用MOSFET器件的漏源电阻RDS进行电流采样。MOS器件工作于线性区时，可以当作有源电阻。通过调整MOS管的栅电压来调整RDS值，达到检测电流的目的。MOSFET的导通电阻具有较大的正温度系数，且导通电阻的大小与栅电压也密切相关，所以获得的信号电压将存在很大的误差。(3)利用HEX-Sense功率开关器件进行电流采样。HEX-Sense器件由并联的两个分立源极的MOSFET组成，通常被称为功率器件和检测器件。其主要参数是电流检测率(T)，它是源极管脚电流与检测管脚电流的比率(ISOURCE/ISENSE)。(4)利用SENSEFET器件进行电流采样。将负载电流分入到功率或感应元件，因此使得信号级电阻器可以用来进行电流采样。通常SENSEFET的宽度远小于主器件的栅宽，比例越小，功耗越小，但是电流检测准确度也会降低，因此要在功耗和准确度之间取合适的值。
对于Flyback模式的智能功率控制IC，通常要求内部电路具有稳定的低压电源，同时需要采样功率主开关管的导通电流，将导通电流送入内部比较电路进行处理，从而实现对二级输出的精确控制。图1为一简化的自充电和电流检测控制电路。当功率主开关管17开启时，电流检测与自充电复合器件16将会产生与流过功率主开关管17的导通电流成比例的电流，并将该电流输入电流检测电路15。当功率主开关管17关断时，流过电流检测与自充电复合器件16的电流将对供电电容111进行充电。所以对充电与检测电路的设计成为智能功率IC设计的重点之一。但是上述众多采样控制方式无法满足Flyback模式的智能功率控制IC的应用要求。为更好地设计充电与检测电路，需要对电流检测与自充电复合器件进行有效的设计。李泽宏等人提出了一种高压SensorFET器件(CN200610021845.4)，利用高压JFET进行电流检测，同时实现对芯片内部进行充电的功能，如图2所示。但是当流过变压器120初级线圈的电流发生变化时，初级线圈两端有电压V＝L*(di/dt)。功率主开关器件17关断时，初级线圈上的电压会上升到几百伏，初级线圈存储的雪崩能量会通过电流检测与自充电复合器件16进行泄放。由于SensorFET的器件宽度通常远小于主开关器件的宽度，所以上述高压SensorFET器件在主开关器件关断时，面临无法有效地对雪崩能量进行泄放的问题，这时，高压SensorFET被置于高压或/和大电流的条件下，器件温度会迅速上升。当硅的温度达到1173K或表面温度达到金属-硅共熔温度(铝-硅为850K)时，器件或芯片就会遭到损坏。
发明内容
本发明提供一种可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，该复合功率器件复合了功率变换器中的主开关管和一个SensorFET器件，其中的SensorFET器件能够在对功率变换器主开关管进行电流采样和对内部控制电路进行充电的基础上，通过电压钳位，使功率变换器初级线圈电压维持在SensorFET器件的瞬态安全工作区以内，同时利用可控栅区调控能量的泄放，实现对泄放能量和钳位时间的控制。
本发明技术方案如下：
一种可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，如图3所示，包括一个功率变换器的主开关管和一个SensorFET器件；所述功率变换器的主开关管和SensorFET器件集成于同一P型衬底11上。
所述SensorFET器件包括：一个由第一P型层9、N-漂移区10和P型衬底11构成的Double-RESURF结构，其中第一P型层9位于N-漂移区10中；一个由金属阴电极1所连接的N+区6、N-漂移区10和金属阳电极3所连接的N+区6构成的充电与电流检测通道，其中金属阴电极1所连接的N+区6和金属阳电极3所连接的N+区6分别位于第一P型层9两侧的N-漂移区10中；一个由N型多晶硅131和P型多晶硅132交替形成的钳位二极管串，所述钳位二极管串位于第一P型层9和N-漂移区10上方的金属控制电极2和金属阳电极3之间，钳位二极管串与第一P型层9和N-漂移区10之间是场氧化层14；一个由金属控制电极2所连接的P+区7和P型区8构成的可控栅区；三个金属电极之间是起隔离作用的氧化层。
所述功率变换器的主开关管与所述SensorFET器件共用阳极，但所述功率变换器的主开关管中电流方向与所述SensorFET器件中电流方向相互垂直(即功率变换器的主开关管的横向轴线与SensorFET器件的横向轴线相互垂直)。图5为上述与主开关相集成的自钳位可控SensorFET器件的俯视图。图3与图4为沿着图5中切线A-O-A’方向的器件剖面展开图。自钳位可控SensorFET器件制作在主开关器件某一分支的尾部，同时为减小SensorFET器件对主开关器件的影响，SensorFET器件与主开关器件采用垂直布局的方式，其中O-A’方向为主开关器件，O-A方向为自钳位可控SensorFET器件。
所述功率变换器的主开关管可以是横向的MOS复合类器件，也可以是横向的常规MOS器件。
若所述功率变换器的主开关管是横向MOS复合类器件，如图3所示，包括一个由第二P型层9、N-漂移区10和P型衬底11构成的Double-RESURF结构，其中第二P型层9位于N-漂移区10中；第二P型层9两侧分别是与SensorFET器件共用的金属阳电极相连的阳极区和与功率变换器的主开关管自身金属阴电极4相连的阴极区，其中所述阳极区由一个N+区6和一个P+区7形成阳极短路结构；第二P型层9和N-漂移区10的上方是多晶硅栅电极5；多晶硅栅电极5与第二P型层9和N-漂移区10之间是场氧化层14，多晶硅栅电极5与共用金属阳电极3和功率变换器的主开关管自身金属阴电极4之间是起隔离作用的氧化层。
若所述功率变换器的主开关管是常规横向MOS器件，如图4所示，包括一个由第二P型层9、N-漂移区10和P型衬底11构成的Double-RESURF结构，其中第二P型层9位于N-漂移区10中；第二P型层9两侧分别是与SensorFET器件共用的金属阳电极相连的阳极区和与功率变换器的主开关管自身金属阴电极4相连的阴极区，其中所述阳极区由一个N+区6形成；第二P型层9和N-漂移区10的上方是多晶硅栅电极5；多晶硅栅电极5与第二P型层9和N-漂移区10之间是场氧化层14，多晶硅栅电极5与共用金属阳电极3和功率变换器的主开关管自身金属阴电极4之间是起隔离作用的氧化层。
本发明所提供的可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，可在为内部电路提供稳定充电电流的同时，有效地对雪崩能量进行泄放，使得SensorFET器件的瞬态安全工作区得到扩展。同时本发明通过钳位管与控制栅区的连接，实现了对能量泄放大小和钳位时间的控制，从而扩展了智能功率IC在高雪崩能量环境下的应用，例如点火领域。
附图说明
图1是简化的自充电和电流检测控制电路示意图
其中，10是地电极，11是漏电极，12是栅电极，13是连接线，14是充电控制子电路，15是电流检测控制子电路，16是电流检测与自充电复合器件，17是功率主开关器件，18是电阻，19是NMOS器件，110是NMOS器件，111是供电电容，112是NMOS器件，113是电流检测电阻，114是供电输出端，115是电流比较器的同相输入端，116是电流比较器的反相输入端，117是电流比较器的输出端，118是电流比较器，119是电流，120是变压器。
图2是现有的高压SensorFET器件的结构示意图
其中，21是漏极，22是P(或N)栅区，23是栅极，24是源极，25是N+(或P+)源区，26是P(或N)衬底，27是N+(或P+)漏区，28是N(或P)阱或是N(或P)外延层。
图3是本发明提供的可控自钳位SensorFET复合横向功率器件的剖面结构示意图，其中功率变换器的主开关管是横向MOS复合类器件。
图4是本发明提供的可控自钳位SensorFET复合横向功率器件的剖面结构示意图，其中功率变换器的主开关管是常规横向MOS器件。
图5是本发明提供的可控自钳位SensorFET复合横向功率器件的俯视图。
图6是本发明提供的可控自钳位SensorFET复合横向功率器件的电流电压随时间变化的关系图。
图7是本发明提供的可控自钳位SensorFET复合横向功率器件的钳位时间与端电压的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对自钳位可控SensorFET器件的具体实施方式进行详细说明。
具体实施方式一
一种可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，如图3所示，包括一个功率变换器的主开关管和一个SensorFET器件；所述功率变换器的主开关管和SensorFET器件集成于同一P型衬底11上。
所述SensorFET器件包括：一个由第一P型层9、N-漂移区10和P型衬底11构成的Double-RESURF结构，其中第一P型层9位于N-漂移区10中；一个由金属阴电极1所连接的N+区6、N-漂移区10和金属阳电极3所连接的N+区6构成的充电与电流检测通道，其中金属阴电极1所连接的N+区6和金属阳电极3所连接的N+区6分别位于第一P型层9两侧的N-漂移区10中；一个由N型多晶硅131和P型多晶硅132交替形成的钳位二极管串，所述钳位二极管串位于第一P型层9和N-漂移区10上方的金属控制电极2和金属阳电极3之间，钳位二极管串与第一P型层9和N-漂移区10之间是场氧化层14；一个由金属控制电极2所连接的P+区7和P型区8构成的可控栅区；三个金属电极之间是起隔离作用的氧化层。
所述功率变换器的主开关管与所述SensorFET器件共用阳极，但所述功率变换器的主开关管中电流方向与所述SensorFET器件中电流方向相互垂直(即功率变换器的主开关管的横向轴线与SensorFET器件的横向轴线相互垂直)。图5为上述与主开关相集成的自钳位可控SensorFET器件的俯视图。图3与图4为沿着图5中切线A-O-A’方向的器件剖面展开图。自钳位可控SensorFET器件制作在主开关器件某一分支的尾部，同时为减小SensorFET器件对主开关器件的影响，SensorFET器件与主开关器件采用垂直布局的方式，其中O-A’方向为主开关器件，O-A方向为自钳位可控SensorFET器件。
所述功率变换器的主开关管是横向MOS复合类器件，如图3所示，包括一个由第二P型层9、N-漂移区10和P型衬底11构成的Double-RESURF结构，其中第二P型层9位于N-漂移区10中；第二P型层9两侧分别是与SensorFET器件共用的金属阳电极相连的阳极区和与功率变换器的主开关管自身金属阴电极4相连的阴极区，其中所述阳极区由一个N+区6和一个P+区7形成阳极短路结构；第二P型层9和N-漂移区10的上方是多晶硅栅电极5；多晶硅栅电极5与第二P型层9和N-漂移区10之间是场氧化层14，多晶硅栅电极5与共用金属阳电极3和功率变换器的主开关管自身金属阴电极4之间是起隔离作用的氧化层。
具体实施方式二
一种可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，如图4所示，包括一个功率变换器的主开关管和一个SensorFET器件；所述功率变换器的主开关管和SensorFET器件集成于同一P型衬底11上。
所述SensorFET器件包括：一个由第一P型层9、N-漂移区10和P型衬底11构成的Double-RESURF结构，其中第一P型层9位于N-漂移区10中；一个由金属阴电极1所连接的N+区6、N-漂移区10和金属阳电极3所连接的N+区6构成的充电与电流检测通道，其中金属阴电极1所连接的N+区6和金属阳电极3所连接的N+区6分别位于第一P型层9两侧的N-漂移区10中；一个由N型多晶硅131和P型多晶硅132交替形成的钳位二极管串，所述钳位二极管串位于第一P型层9和N-漂移区10上方的金属控制电极2和金属阳电极3之间，钳位二极管串与第一P型层9和N-漂移区10之间是场氧化层14；一个由金属控制电极2所连接的P+区7和P型区8构成的可控栅区；三个金属电极之间是起隔离作用的氧化层。
所述功率变换器的主开关管与所述SensorFET器件共用阳极，但所述功率变换器的主开关管中电流方向与所述SensorFET器件中电流方向相互垂直(即功率变换器的主开关管的横向轴线与SensorFET器件的横向轴线相互垂直)。图5为上述与主开关相集成的自钳位可控SensorFET器件的俯视图。图3与图4为沿着图5中切线A-O-A’方向的器件剖面展开图。自钳位可控SensorFET器件制作在主开关器件某一分支的尾部，同时为减小SensorFET器件对主开关器件的影响，SensorFET器件与主开关器件采用垂直布局的方式，其中O-A’方向为主开关器件，O-A方向为自钳位可控SensorFET器件。
所述功率变换器的主开关管是常规横向MOS器件，如图4所示，包括一个由第二P型层9、N-漂移区10和P型衬底11构成的Double-RESURF结构，其中第二P型层9位于N-漂移区10中；第二P型层9两侧分别是与SensorFET器件共用的金属阳电极相连的阳极区和与功率变换器的主开关管自身金属阴电极4相连的阴极区，其中所述阳极区由一个N+区6形成；第二P型层9和N-漂移区10的上方是多晶硅栅电极5；多晶硅栅电极5与第二P型层9和N-漂移区10之间是场氧化层14，多晶硅栅电极5与共用金属阳电极3和功率变换器的主开关管自身金属阴电极4之间是起隔离作用的氧化层。
本发明提供的可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，应用在智能功率集成电路中时，能够在为内部电路提供稳定可控的充电电流的同时，起到很好的能量泄放作用。下面结合附图，并以与横向的MOS复合类主开关器件相集成的自钳位可控SensorFET器件为例来说明本发明的工作原理。
金属阳电极3接变压器120的初级线圈，该初级线圈接高达几十伏甚至上百伏的直流输入电压。当5.8V的电压输送到多晶硅栅电极5上后，导电沟道开启，电流流过初级线圈，变压器的初级线圈开始存储能量。一般通过设置主开关器件的宽度使得主开关器件在开启时工作在线性区，这时大部电流从金属阳电极3经过N-漂移区10流向主开关管自身金属阴电极4，而一小部分电流从金属阳电极3经过N-漂移区10流向金属阴电极1。由于金属阳电极极3端电压相同，因此，当器件宽度一定时，流向金属阴电极1的电流与流向主开关管自身金属阴电极4的电流成一一对应关系，从而利用图1中的电流检测电路15实现对主开关器件的电流采样(监控)。图6显示了本发明提供的可控自钳位SensorFET复合横向功率器件的电流电压随时间的变化曲线(仿真采用(100)P型衬底、电阻率80Ω·cm；N-区10注入剂量1.8×1012cm-2、能量2MeV；P型层9①注入剂量2.0×1011cm-2、能量700keV，②注入剂量3.0×1011cm-2、能量450keV，③注入剂量6.0×1011cm-2、能量220keV，④注入剂量2.0×1012cm-2、能量30keV；P型区8利用P型层9形成)。当多晶硅栅电极5所加栅压(Gatel Voltage)被去掉后，主开关器件关断，但是电感的固有特性使得流过初级线圈的电流IInductance不会迅速变为0，同时电流的变化使得初级线圈两端有电压V＝L*(di/dt)。由于金属阳电极3的电压VCollector迅速升高，使得从金属阳电极3经过N-漂移区流向金属阴电极1的电流ISense呈现饱和特性，为充电电容111提供稳定的充电电流。当金属阳电极3的电压VCollector上升到钳位二级管串的击穿电压时，钳位二级管串发生击穿，这时金属阳电极3的电压被钳位在二极管串的击穿电压，即图7中所示VCollector的平顶电压。当存储能量被泄放到一定程度后，VCollector开始下降。N-漂移区通向金属阴电极1的通道担负着对存储能量的主要泄放工作。流过金属阴电极1的电流一方面为充电电容提供充电电流，另一方面为初级线圈泄放能量。金属电极2为控制电极，该电极通过所加电压来控制流向金属阴电极1的电流。图7显示了钳位时间与金属电极1和2间端电压(VGate2-Sense)的关系，钳位时间随着VGate2-Sense的增大而减小。钳位二极管串的击穿电流流过金属电极2的外接电阻，产生一栅压VGate2。该栅压与金属电极1的电压形成对泄放能力的控制，从而起到控制钳位时间的作用，同时也可通过在金属电极2上外加电压来控制能量泄放。钳位的目的在于将原本较大的能量泄放流量控制在器件能够承受的合理范围之内。在总泄放能量一定的情况下，钳位所带来的一个问题就是能量泄放时间的增加，所以在器件设计时应当确保能量在主开关器件最小关断时间内能够完全泄放，及应对钳位时间进行合理的调整，使之不会影响主开关器件的正常工作。
综上所述，本发明所提供的自钳位可控SensorFET器件，可在为内部电路提供稳定充电电流的同时，有效地对雪崩能量进行泄放，使得SensorFET器件的瞬态安全工作区得到扩展。同时本发明通过钳位管与控制栅区的连接，实现了对能量泄放大小和钳位时间的控制，从而扩展了智能功率IC在高雪崩能量环境下的应用，例如点火领域。
Claims (3)
1.一种可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，包括一个功率变换器的主开关管和一个SensorFET器件；所述功率变换器的主开关管和SensorFET器件集成于同一P型衬底(11)上；
所述SensorFET器件包括：一个由第一P型层(9)、N-漂移区(10)和P型衬底(11)构成的Double-RESURF结构，其中第一P型层(9)位于N-漂移区(10)中；一个由金属阴电极(1)所连接的N+区(6)、N-漂移区(10)和金属阳电极(3)所连接的N+区(6)构成的充电与电流检测通道，其中金属阴电极(1)所连接的N+区(6)和金属阳电极(3)所连接的N+区(6)分别位于第一P型层(9)两侧的N-漂移区(10)中；一个由N型多晶硅(131)和P型多晶硅(132)交替形成的钳位二极管串，所述钳位二极管串位于第一P型层(9)和N-漂移区(10)上方的金属控制电极(2)和金属阳电极(3)之间，钳位二极管串与第一P型层(9)和N-漂移区(10)之间是场氧化层(14)；一个由金属控制电极(2)所连接的P+区(7)和P型区(8)构成的可控栅区；三个金属电极之间是起隔离作用的氧化层；
所述功率变换器的主开关管与所述SensorFET器件共用金属阳电极(3)，但所述功率变换器的主开关管中电流方向与所述SensorFET器件中电流方向相互垂直，即功率变换器的主开关管的横向轴线与SensorFET器件的横向轴线相互垂直。
2.根据权利要求1所述的可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，其特征在于，所述功率变换器的主开关管是横向MOS复合类器件，包括一个由第二P型层(9)、N-漂移区(10)和P型衬底(11)构成的Double-RESURF结构，其中第二P型层(9)位于N-漂移区(10)中；第二P型层(9)两侧分别是与SensorFET器件共用的金属阳电极相连的阳极区和与功率变换器的主开关管自身金属阴电极(4)相连的阴极区，其中所述阳极区由一个N+区(6)和一个P+区(7)形成阳极短路结构；第二P型层(9)和N-漂移区(10)的上方是多晶硅栅电极(5)；多晶硅栅电极(5)与第二P型层(9)和N-漂移区(10)之间是场氧化层(14)，多晶硅栅电极(5)与共用金属阳电极(3)和功率变换器的主开关管自身金属阴电极(4)之间是起隔离作用的氧化层。
3.根据权利要求1所述的可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，其特征在于，所述功率变换器的主开关管是常规横向MOS器件，包括一个由第二P型层(9)、N-漂移区(10)和P型衬底(11)构成的Double-RESURF结构，其中第二P型层(9)位于N-漂移区(10)中；第二P型层(9)两侧分别是与SensorFET器件共用的金属阳电极相连的阳极区和与功率变换器的主开关管自身金属阴电极(4)相连的阴极区，其中所述阳极区由一个N+区(6)形成；第二P型层(9)和N-漂移区(10)的上方是多晶硅栅电极(5)；多晶硅栅电极(5)与第二P型层(9)和N-漂移区(10)之间是场氧化层(14)，多晶硅栅电极(5)与共用金属阳电极(3)和功率变换器的主开关管自身金属阴电极(4)之间是起隔离作用的氧化层。
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