CN108735730B - 电力开关及其半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电力开关及其半导体装置。电力开关包括第一电晶体晶胞、第二电晶体晶胞、基极区域及导电层。第一电晶体晶胞包括第一电极。第二电晶体晶胞包括第二电极。基极区域位于第一电晶体晶胞与第二电晶体晶胞之间。导电层分别电性连接基极区域、第一电极与第二电极。本发明可减少芯片面积并避免发生高阻抗区域烧毁的情形。

Description

电力开关及其半导体装置
技术领域
本发明与电力开关有关，特别是关于一种电力开关及其半导体装置。
背景技术
图1为现有的N型金氧半场效电晶体(N-MOSFET)电力开关的示意图。由于其基极B接地，会具有较大的导通电阻(Ron)。因此，如图2所示，实务上可将N型金氧半场效电晶体电力开关的基极B耦接至源极S，以降低其导通电阻。
然而，当图2中的N型金氧半场效电晶体电力开关关闭时，其体二极体BD仍会维持单向导通，这将导致电流由其源极S的电压Vout倒灌至汲极D的电压VH。因此，如图3所示，实务上亦可在N型金氧半场效电晶体电力开关的电晶体主体MB之外分别制作基极B与汲极D之间的基体金氧半场效电晶体(Bulk MOSFET)BMOS1以及基极B与源极S之间的基体金氧半场效电晶体BMOS2并进行切换，以防止前述电流倒灌的情形发生。
图4为现有技术中，图3的N型金氧半场效电晶体电力开关电路布局(Layout)的示意图。由于现有的基体金氧半场效电晶体BMOS1与BMOS2位于电晶体主体MB之外，再通过导电层与电晶体主体MB电性连接，这将使得电晶体主体MB内的不同区域(例如第一区域RG1与第二区域RG2)与基体金氧半场效电晶体BMOS1及BMOS2之间的距离不一致，因而产生阻抗不均的现象。举例而言，电晶体主体MB中距离基体金氧半场效电晶体BMOS1及BMOS2较远的区域(例如第二区域RG2)会具有较大的阻抗，使得该区域较为容易烧毁。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电力开关及其半导体装置，以解决现有技术所述及的问题。
本发明的一较佳具体实施例为一种电力开关。于此实施例中，电力开关包括第一电晶体晶胞、第二电晶体晶胞、基极区域及导电层。第一电晶体晶胞包括第一电极。第二电晶体晶胞包括第二电极。基极区域位于第一电晶体晶胞与第二电晶体晶胞之间。导电层分别电性连接基极区域、第一电极与第二电极。
在本发明的一实施例中，基极区域分别与第一电极及第二电极相邻。
在本发明的一实施例中，第一电极为第一电晶体晶胞的汲极且第二电极为第二电晶体晶胞的源极。
在本发明的一实施例中，第一电晶体晶胞还包括源极与闸极，第一电晶体晶胞的源极耦接第一电压且第一电晶体晶胞的闸极受控于第二电压；第二电晶体晶胞还包括汲极与闸极，第二电晶体晶胞的汲极耦接第二电压且第二电晶体晶胞的闸极受控于第一电压。
在本发明的一实施例中，当电力开关导通时，第一电晶体晶胞导通且第二电晶体晶胞不导通，致使基极区域具有的基极电压维持于第一电压；当电力开关断开时，第二电晶体晶胞导通且第一电晶体晶胞不导通，致使基极电压维持于第二电压。
在本发明的一实施例中，基极区域具有的基极电压选择性地维持于第一电压或第二电压中的较低者。
本发明的另一较佳具体实施例为一种电力开关的半导体装置。于此实施例中，半导体装置包括基板、第一阱区、第二阱区、第一电晶体晶胞、第二电晶体晶胞及金属层。基板具有第一导电性材料。第一阱区设置于基板上，且具有第二导电性材料。第二阱区设置于第一阱区上，且具有第一导电性材料。第一电晶体晶胞位于第二阱区中，且具有第一电极。第二电晶体晶胞位于第二阱区中，且具有第二电极。金属层位于半导体装置的表面，且电性连接第一电极、第二电极及第二阱区。
在本发明的一实施例中，半导体装置还包括第一掺杂区，第一掺杂区具有第一导电性材料并位于第二阱区中，且电性连接金属层。
在本发明的一实施例中，第一掺杂区位于第一电晶体晶胞与第二电晶体晶胞之间。
在本发明的一实施例中，第一掺杂区所具有的第一导电性材料的掺杂浓度高于第二阱区及基板所具有的第一导电性材料的掺杂浓度。
在本发明的一实施例中，半导体装置还包括第二掺杂区，第二掺杂区具有第二导电性材料并位于第二阱区中，且电性连接第一电极或第二电极。
在本发明的一实施例中，第一阱区耦接工作电压。
在本发明的一实施例中，基板耦接接地电压。
相较于现有技术，本发明的电力开关及其半导体装置具有下列优点及功效：
(1)由于本发明的电力开关不需将源极拉到外部与基极连接，故可使元件内部的阻抗变得较为平均，以避免有高阻抗区域烧毁的情形发生。
(2)由于本发明的电力开关将基体金氧半场效电晶体内化于电晶体主体内，使基极与源极在电晶体的主动区中相连，故可省下外部设置基体金氧半场效电晶体的面积，达到减少晶片面积的效果。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。
附图说明
图1至图3分别为现有技术中各种不同的N型金氧半场效电晶体(N-MOSFET)电力开关的示意图。
图4为图3的N型金氧半场效电晶体电力开关的电路布局。
图5为本发明的电力开关的电路布局。
图6为本发明的电力开关中的基体金氧半场效电晶体的等效电路图。
图7为本发明的电力开关的半导体装置的结构剖面图。
主要元件符号说明：
G：闸极
D：汲极
S：源极
B：基极
VH：第一电压
Vout：第二电压
BD、BD1～BD2：体二极体
MB：电晶体主体
BMOS1～BMOS2：基体金氧半场效电晶体
RG1：第一区域
RG2：第二区域
5：电力开关
BR：基极区域
CE1：第一电晶体晶胞
CE2：第二电晶体晶胞
K：基体金氧半场效电晶体
E11～E13、E21～E23：电极
C：导电层
VBY：基极电压
50：半导体装置
SUB：基板
W1：第一阱区
W2：第二阱区
P+：第一掺杂区
N：第二掺杂区
DI1～DI2：二极体
VDD：工作电压
具体实施方式
现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。在下述诸实施例中，当元件被指为「连接」或「耦接」至另一元件时，其可为直接连接或耦接至另一元件，或可能存在介于其间的元件或特定材料(例如：胶体或焊料)。
根据本发明的一较佳具体实施例为一种电力开关。于此实施例中，电力开关可以是N型金氧半场效电晶体(N-MOSFET)电力开关或P型金氧半场效电晶体(P-MOSFET)电力开关，但不以此为限。
请参照图5，图5为本发明的电力开关的电路布局的示意图。
电力开关5包括电晶体主体MB，电晶体主体MB内包括多个电晶体晶胞，第一电晶体晶胞CE1与第二电晶体晶胞CE2彼此相邻。第一电晶体晶胞CE1包括多个电极E11、E12、E13、…；第二电晶体晶胞CE2包括多个电极E21、E22、E23、…。电力开关5还包括基极区域BR及导电层C，基极区域BR位于第一电晶体晶胞CE1与第二电晶体晶胞CE2之间，并分别与第一电晶体晶胞CE1中的电极E11及第二电晶体晶胞CE2中的电极E21相邻；导电层C分别电性连接基极区域BR、第一电晶体晶胞CE1中的电极E11与第二电晶体晶胞CE2中的电极E21，以形成基体金氧半场效电晶体区K。
需说明的是，电极E11为第一电晶体晶胞CE1的多个电极中最靠近基极区域BR的电极，而电极E21为第二电晶体晶胞CE2的多个电极中最靠近基极区域BR的电极；也就是说，导电层C仅会电性连接基极区域BR与第一电晶体晶胞CE1及第二电晶体晶胞CE2中最靠近基极区域BR的电极，并不会电性连接至第一电晶体晶胞CE1及第二电晶体晶胞CE2中的其他电极。
于此实施例中，电极E11为第一电晶体晶胞CE1的汲极(Drain)且电极E21为第二电晶体晶胞CE2的源极(Source)，但不以此为限。至于第一电晶体晶胞CE1的电极E12及E13分别为第一电晶体晶胞CE1的闸极(Gate)与源极(Source)，第一电晶体晶胞CE1的电极E12(闸极)受控于第二电压Vout且第一电晶体晶胞CE1的电极E13(源极)耦接第一电压VH；第二电晶体晶胞CE2的电极E22及E23分别为第二电晶体晶胞CE1的闸极(Gate)与汲极(Drain)，第二电晶体晶胞CE2的电极E22(闸极)受控于第一电压VH且第二电晶体晶胞CE2的电极E23(汲极)耦接第二电压Vout。于实际应用中，第一电压VH可为电力开关5的输入电压且第二电压Vout可为电力开关5的输出电压，但不以此为限。
请参照图6，图6为电力开关中的基体金氧半场效电晶体的等效电路图。如图6所示，基极区域BR位于第一电晶体晶胞CE1与第二电晶体晶胞CE2之间并分别耦接第一电晶体晶胞CE1的汲极D与第二电晶体晶胞CE2的源极S。第一电晶体晶胞CE1的闸极G受控于第二电压Vout且第一电晶体晶胞CE1的源极S耦接第一电压VH。第二电晶体晶胞CE2的闸极G受控于第一电压VH且第二电晶体晶胞CE2的汲极D耦接第二电压Vout。
于此实施例中，基极区域BR具有基极电压VBY且基极电压VBY会选择性地维持于第一电压VH或第二电压Vout中的较低者。举例而言，当电力开关5导通时，第二电压Vout处于高准位(High-level)，使得受控于第二电压Vout的第一电晶体晶胞CE1导通，但第二电晶体晶胞CE2不导通，致使基极区域BR具有的基极电压VBY会维持于第一电压VH；当电力开关5断开时，第二电压Vout处于低准位(Low-level)，使得受控于第二电压Vout的第一电晶体晶胞CE1不导通，但第二电晶体晶胞CE2导通，致使基极区域BR具有的基极电压VBY会维持于第二电压Vout。
请参照图7，图7为本发明的电力开关的半导体装置的结构剖面图。图7中的虚线区域K框起的部分可对应于图5中的虚线区域K框起的部分，为基体金氧半场效电晶体结构。如图7所示，电力开关的半导体装置50包括基板SUB、第一阱区W1、第二阱区W2、第一掺杂区P+、第一电晶体晶胞CE1、第二电晶体晶胞CE2及金属层C。基板SUB、第二阱区W2及第一掺杂区P+均具有第一导电性材料，且第一掺杂区P+所具有的第一导电性材料的掺杂浓度会高于第二阱区W2及基板SUB所具有的第一导电性材料的掺杂浓度；第一阱区W1具有第二导电性材料。因此，具有第一导电性材料的第二阱区W2与具有第二导电性材料的第一阱区W1之间会形成二极体DI1，且具有第二导电性材料的第一阱区W1与具有第一导电性材料的基板SUB之间会形成二极体DI2。于此实施例中，第一导电性材料为P型导电性材料且第二导电性材料为N型导电性材料，但不以此为限。
第一阱区W1设置于基板SUB上。第二阱区W2设置于第一阱区W1上，用以作为基极区域。第一掺杂区P+、第一电晶体晶胞CE1与第二电晶体晶胞CE2均位于第二阱区W2中，且第一掺杂区P+位于第一电晶体晶胞CE1与第二电晶体晶胞CE2之间。于此实施例中，基板SUB接地且第一阱区W1耦接工作电压VDD，但不以此为限。
第一电晶体晶胞CE1包括多个电极及多个第二掺杂区，该些第二掺杂区N位于第二阱区W2中，且具有第二导电性材料(N型导电性材料)；该些电极位于半导体装置50的表面，汲极D与源极S分别电性连接该些第二掺杂区N；源极S耦接第一电压VH且闸极G耦接第二电压Vout。
同理，第二电晶体晶胞CE2亦包括多个电极及多个第二掺杂区，该些第二掺杂区N位于第二阱区W2中，且具有第二导电性材料(N型导电性材料)；该些电极位于半导体装置50的表面，汲极D与源极S分别电性连接该些第二掺杂区N；汲极D耦接第二电压Vout且闸极G耦接第一电压VH。
金属层C位于半导体装置50的表面，且位于第一电晶体晶胞CE1与第二电晶体晶胞CE2之间。金属层C分别电性连接第一电晶体晶胞CE1中最靠近金属层C的汲极D、第二电晶体晶胞CE2中最靠近金属层C的源极S、第一掺杂区P+及第二阱区W2。因此，金属层C、第一电晶体晶胞CE1的汲极D、第二电晶体晶胞CE2的源极S、第一掺杂区P+及第二阱区W2具有相同的电位，例如作为基极区域的第二阱区W2的基极电压VBY。
需说明的是，金属层C仅会分别电性连接第一电晶体晶胞CE1中最靠近金属层C的汲极D以及第二电晶体晶胞CE2中最靠近金属层C的源极S，并不会电性连接第一电晶体晶胞CE1与第二电晶体晶胞CE2中的其他电极。
于此实施例中，作为基极区域的第二阱区W2的基极电压VBY会选择性地维持于第一电压VH或第二电压Vout中的较低者。举例而言，当电力开关导通时，第一电晶体晶胞CE1导通且第二电晶体晶胞CE2不导通，致使第二阱区W2的基极电压VBY会维持于第一电压VH；当电力开关断开时，第二电晶体晶胞CE2导通且第一电晶体晶胞CE1不导通，致使第二阱区W2的基极电压VBY会维持于第二电压Vout。
相较于现有技术，本发明的电力开关及其半导体装置具有下列优点及功效：
(1)由于本发明的电力开关不需将源极拉到外部与基极连接，故可使元件内部的阻抗变得较为平均，以避免有高阻抗区域烧毁的情形发生。
(2)由于本发明的电力开关将基体金氧半场效电晶体内化于电晶体主体内，使基极与源极在电晶体的主动区中相连，故可省下外部设置基体金氧半场效电晶体的面积，达到减少晶片面积的效果。
通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明权利要求的范畴内。

Claims (11)

1.一种电力开关，其特征在于，包括：
一第一电晶体晶胞，包括一第一电极；
一第二电晶体晶胞，包括一第二电极；
一基极区域，位于该第一电晶体晶胞与该第二电晶体晶胞之间；以及
一导电层，分别电性连接该基极区域、该第一电极与该第二电极，
其中，该基极区域具有的一基极电压选择性地维持于一第一电压或一第二电压中的较低者，该第一电极为该第一电晶体晶胞的汲极且该第二电极为该第二电晶体晶胞的源极，该第一电压为该电力开关的输入电压且该第二电压为该电力开关的输出电压。
2.如权利要求1所述的电力开关，其特征在于，该基极区域分别与该第一电极及该第二电极相邻。
3.如权利要求1所述的电力开关，其特征在于，该第一电晶体晶胞还包括源极与闸极，该第一电晶体晶胞的该源极耦接该第一电压且该第一电晶体晶胞的该闸极受控于该第二电压；该第二电晶体晶胞还包括汲极与闸极，该第二电晶体晶胞的该汲极耦接该第二电压且该第二电晶体晶胞的该闸极受控于该第一电压。
4.如权利要求1所述的电力开关，其特征在于，当该电力开关导通时，该第一电晶体晶胞导通且该第二电晶体晶胞不导通，致使该基极区域具有的一基极电压维持于该第一电压；当该电力开关断开时，该第二电晶体晶胞导通且该第一电晶体晶胞不导通，致使该基极电压维持于该第二电压。
5.一种电力开关的半导体装置，其特征在于，包括：
一基板，具有一第一导电性材料；
一第一阱区，设置于该基板上，且具有一第二导电性材料；
一第二阱区，设置于该第一阱区上，且具有该第一导电性材料；
一第一电晶体晶胞，位于该第二阱区中，且具有一第一电极；
一第二电晶体晶胞，位于该第二阱区中，且具有一第二电极；
一基极区域，位于该第一电晶体晶胞与该第二电晶体晶胞之间；以及
一金属层，位于该半导体装置的一表面，且分别电性连接该第一电极、该第二电极及该第二阱区，
其中，该基极区域具有的一基极电压选择性地维持于一第一电压或一第二电压中的较低者，该第一电极为该第一电晶体晶胞的汲极且该第二电极为该第二电晶体晶胞的源极，该第一电压为该电力开关的输入电压且该第二电压为该电力开关的输出电压。
6.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，还包括：
一第一掺杂区，具有该第一导电性材料并位于该第二阱区中，且电性连接该金属层。
7.如权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，该第一掺杂区位于该第一电晶体晶胞与该第二电晶体晶胞之间。
8.如权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，该第一掺杂区所具有的该第一导电性材料的掺杂浓度高于该第二阱区及该基板所具有的该第一导电性材料的掺杂浓度。
9.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，还包括：
一第二掺杂区，具有该第二导电性材料并位于该第二阱区中，且电性连接该第一电极或该第二电极。
10.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，该第一阱区耦接一工作电压。
11.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，该基板耦接一接地电压。
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