CN101814527A - 一种使用光电子注入进行电导调制的功率器件与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体器件技术领域，具体公开了一种使用光电子注入进行电导调制的功率器件与方法。该功率器件包括至少一个光电子注入光源和一个功率MOS晶体管。本发明采用光电子注入的方法向功率MOS晶体管栅极下方的漂移区注入载流子，进行电导调制，从而可以降低功率MOS晶体管的特征导通电阻，同时，因为漂移区的掺杂浓度可以得到降低，阻断电压可以提高，从而大大提高了功率MOS晶体管的性能，使得功率MOS晶体管的应用拓展到高电压领域内。

Description

一种使用光电子注入进行电导调制的功率器件与方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种半导体功率器件，特别涉及一种使用光电子注入进行电导调制的功率器件，本发明同时还涉及一种使用光电子注入对功率器件进行电导调制的方法。
背景技术
最近20年来，功率器件及其封装技术迅猛发展，尤其是功率MOS晶体管，以其优越的特性(输入阻抗高、关断时间短等)在许多应用领域中取代了传统的双极型晶体管。在功率电路中，功率MOS晶体管主要用作开关器件。功率MOS晶体管的通态功耗较高，要降低通态功耗，就必须减小导通电阻Rds(on)。传统的功率MOS晶体管通常采用纵向双扩散结构，图1a显示了一种传统的n型功率MOS晶体管结构，它以高度浓缩的n型衬底101开始，然后在衬底101上外延形成了一层n型漂移区102，并且以多晶硅108和栅氧化层107作为掩膜来实现双扩散，形成p+区103和104，并形成n+区105和106。功率MOS晶体管的击穿电压主要体现在p+区与漂移区102形成的PN结上。因此要获得高击穿电压，必须使漂移区102有较大的厚度和较低的掺杂浓度。然而，随着击穿电压的增加和漂移区掺杂浓度的不断降低，漂移区102的厚度不断地增加，使得作为电流通路的漂移区102电阻升高，从而导致导通电阻Rds(on)的增加，使得通态功耗提高。击穿电压与导通电阻Rds(on)矛盾的存在，限制了功率MOS晶体管向高电压的应用领域发展。
为了解决上述问题，现已提出了超级结结构，图1b显示了一种采用超级结的n型功率MOS晶体管结构，它与传统n型功率MOS晶体管同样以高度浓缩的n型衬底111开始，然后在衬底111上外延形成了一层n型漂移区112，并且以多晶硅120和栅氧化层119作为掩膜来实现双扩散，形成p+区115和116，并形成n+区117和118。所不同的是，采用超级结的n型功率MOS晶体管在漂移区112里面插入了两个p-区113和114，并形成了pn结结构。对漂移区112加反向偏置电压时，将会产生横向电压，使pn结耗尽，当反向偏置电压达到一定值时，漂移区112将会完全耗尽。采用超级结的n型功率MOS晶体管的漂移区112的掺杂浓度可以提高1-2两个数量级，使得在相同击穿电压下的导通电阻Rds(on)可以大大降低。但是超级结技术工艺复杂，同时对器件的参数要求很高，生产成本也比较高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新型的功率MOS晶体管，该功率MOS晶体管在导通电阻Rds(on)降低的同时，阻断电压可以提高，从而可以使功率MOS晶体管向高压的应用领域发展。
本发明提出的使用光电子注入进行电导调制的功率器件，它包括至少一个光电子注入光源和一个功率MOS晶体管。所述的光电子光源为发光二极管(LED)，所述的功率MOS晶体管为平面型功率MOS晶体管，或为沟槽栅功率MOS晶体管，或为其它结构的功率MOS晶体管。
进一步地，所述光电子注入光源置于所述功率MOS晶体管衬底表面的上方。所述光电子注入光源的正极与所述功率MOS晶体管的栅极相连，所述光电子注入光源的负极与所述功率MOS晶体管的源极相连；或者，所述光电子注入光源的负极与所述功率MOS晶体管的栅极相连，所述光电子注入光源的正极与所述功率MOS晶体管的源极相连。
同时，本发明还提出了使用光电子注入对上述功率器件进行点到调制的方法，详细步骤如下：
提供一个光电子注入光源；
将光电子注入光源对功率MOS晶体管的衬底表面进行垂直照射；
所述功率MOS晶体管栅极下方的漂移区可以被注入光电子；
接收光电子的漂移区相当于一个光电导体；
通过控制光电子的注入可以对光电导体进行电导控制；
光电导体电阻的降低致使功率MOS晶体管的导通电阻降低。
采用光电子注入的方法向功率器件栅极下方的漂移区注入载流子，进行电导调制，从而可以降低功率器件的特征导通电阻，同时，因为漂移区掺杂浓度可以得到降低，阻断电压可以提高，从而大大提高了功率器件的性能，使得功率场效应晶体管的应用可以拓展到高电压领域内，比如应用到汽车电子产品，电源开关，AC-DC、AC-AC、DC-AC转换器中。
附图说明
图1a是一种传统的功率MOS晶体管结构的的剖面图。
图1b是一种采用超级结的功率MOS晶体管结构的的剖面图
图2为本发明提供的一种采用光电子注入的方法对沟槽栅功率MOS晶体管进行电导调制的实施例操作示意图。
图3为图2所示采用光电子注入的方法对沟槽栅功率MOS晶体管进行电导调制时的等效电路图。
图4为组合封装后的使用光电子注入进行电导调制的功率器件的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的一个示例性实施方式作详细说明。在图中，为了方便说明，放大了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不是完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。
图2为一种采用光电子注入的方法对一个n型沟槽栅功率MOS晶体管进行电导调制的操作示意图。如图2所示，将一个发光二极管(LED灯)309置于功率MOS晶体管300衬底表面的上方，这样LED灯309可以对MOS晶体管300进行光电子注入，所示虚线框310内为光照射示意图。功率MOS晶体管300包括漏区301、漂移层302、p型扩散区303和304、源区305和306、栅极308和栅氧化层307。光电子注入到漂移层302内，栅区下方接受光电子的漂移区相当于一个电导调制区311。在漂移区掺杂浓度降低的情况下，通过控制光电子的注入可以降低光电导体的电阻，从而可以降低功率MOS晶体管300的导通电阻，而漂移区掺杂浓度的降低使得功率MOS晶体管的阻断电压提高，因此可以使功率MOS晶体管向着高电压的领域发展。
图3为图2所示采用光电子注入的方法对一个n型沟槽栅功率MOS晶体管进行电导调制时的等效电路图。如图3，将功率MOS晶体400的栅极接输入端并且通过一个电阻405与LED 404的正极相连、源极接地402并且与LED 404的负极相连、漏极接输出端401。当功率MOS晶体管的栅极输入正电压时，LED 404会产生辐射光对MOS晶体管400进行照射，从而通过光电子注入对功率MOS晶体管400进行电导调制，降低功率MOS晶体管的导通电阻。
图4为组合封装后的使用光电子注入进行电导调制的功率器件的结构示意图。如图4，芯片500上同时集成了LED502和功率MOS晶体管501，LED502集成在MOS晶体管501衬底表面的上方。
如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。

Claims (9)

1.一种使用光电子注入进行电导调制的功率器件，其特征在于，该功率器件包括至少一个光电子注入光源和一个功率MOS晶体管。
2.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述的光电子注入光源为发光二极管。
3.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述的功率MOS晶体管为平面型功率MOS晶体管，或为沟槽栅功率MOS晶体管。
4.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述光电子注入光源的正极与所述功率MOS晶体管的栅极相连，所述光电子注入光源的负极与所述功率MOS晶体管的源极相连。
5.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述光电子注入光源的负极与所述功率MOS晶体管的栅极相连，所述光电子注入光源的正极与所述功率MOS晶体管的源极相连。
6.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述光电子注入光源置于所述功率MOS晶体管衬底表面的上方。
7.一种使用光电子注入对功率器件进行电导调制的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
光电子注入光源对功率MOS晶体管的衬底表面进行垂直照射；
所述功率MOS晶体管栅极下方的漂移区被注入光电子；
通过控制光电子的注入可以对光电导体进行电导控制；
光电导体电阻的降低致使功率MOS晶体管的导通电阻降低。
8.如权利要求7所述的使用光电子注入对功率器件进行增强的方法，其特征在于，所述的光电子注入光源为发光二极管。
9.如权利要求7所述的使用光电子注入对功率器件进行增强的方法，其特征在于，所述的功率MOS晶体管为平面型功率MOS晶体管或为沟槽栅功率MOS晶体管。
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