CN111048599A - 车用整流装置、整流器、发电装置以及动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于车用交流发电机的整流装置、车用整流器、车用发电装置以及车用动力系统。整流装置包括在交流发电机中进行整流的整流元件。整流元件具有增强型场效半导体二极管。增强型场效半导体二极管包括并排整合的横向导通硅化物结构与场效接面结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种车用整流装置、车用整流器、车用发电装置以及车用动力系统。
背景技术
一般而言，高效能整流二极管(Low Loss Diode，LLD)追求低逆向偏压漏电流与低正向偏压导通阻抗。使用重力压入(press-fit)封装用于高效能发电机上的高效能整流二极管必须兼顾可靠度、结构稳定度、散热能力等。然而，高效能整流二极管的芯片设计优劣才是最重要的关键。
现今市面上的高效能整流二极管芯片皆存在一些缺点，例如逆向偏压漏电流随偏压升高、在高温下漏电过大(在100mA@20V条件下大于200℃)、单元积集度无法提升等。在此情况下，高效能整流二极管芯片的整体整流效率将受到限制。
发明内容
本发明提供一种车用整流芯片，其具有较高的正向电流密度与较低逆向漏电流，进而获得较佳的整流能力。
本发明提供另一种车用整流芯片，其设计可有效地增加单元积集度，以提升芯片整流效率。
本发明提供一种用于车用交流发电机的整流装置。整流装置包括在交流发电机中进行整流的整流元件。整流元件具有增强型场效半导体二极管。增强型场效半导体二极管包括主体区、硅化物层、场效接面结构、内连线层、基底以及金属层。硅化物层包括导通至主体区的横向导通硅化物结构。横向导通硅化物结构与场效接面结构并排整合。当导通发生时，横向导通硅化物结构提供单极性载子源。内连线层电性连接横向导通硅化物结构与场效接面结构，其中横向导通硅化物结构、场效接面结构以及内连线层为等电位，且内连线层作为增强型场效半导体二极管的阳极。主体区位于横向导通硅化物结构与基底之间。金属层配置于基底的下方，且金属层作为增强型场效半导体二极管的阴极。
本发明提供一种车用整流器，包括：基座、引线结构、整流芯片。基座具有容置空间。引线结构设置于容置空间上。整流芯片，设置于基座与引线结构之间，且整流芯片电性接触引线结构与基座。整流芯片包括上述的增强型场效半导体二极管。
本发明提供一种车用发电装置包括整流器，用以对发电机所提供的交流电压进行整流。整流器包括上述的增强型场效半导体二极管。
本发明提供一种车用动力系统，包括：车用发电装置具有整流器。整流器用以对发电机所提供的交流电压进行整流。整流器包括上述的增强型场效半导体二极管。
基于上述，本发明通过并排整合的横向导通硅化物结构与场效接面结构以形成增强型场效半导体二极管。在此情况下，本实施例的增强型场效半导体二极管具有较高的正向电流密度与较低逆向漏电流，亦即其具有较佳的整流能力。此外，本实施例的增强型场效半导体二极管还可降低主体区的面积，以有效地增加单元积集度，以提升芯片使用面积。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明第一实施例的一种整流元件的剖面示意图；
图2是本发明第二实施例的一种整流元件的剖面示意图；
图3是依照本发明一实施例的一种整流器的剖面示意图；
图4A是在正向电压下实例1与比较例1的电流与电压的关系图；
图4B是在逆向电压下实例1与比较例1的电流与电压的关系图。
具体实施方式
参照本实施例的附图以更全面地阐述本发明。然而，本发明亦可以各种不同的形式体现，而不应限于本文中的实施例。附图中的层与区域的厚度会为了清楚起见而放大。相同或相似的标号表示相同或相似的元件，以下段落将不再一一赘述。
在以下的实施例中，当第一导电型为P型，第二导电型为N型；当第一导电型为N型，第二导电型为P型。P型的掺质例如是硼或二氟化硼。N型的掺质例如是磷或是砷。在本实施例中，可以第一导电型为N型，第二导电型为P型为例来实施。但本发明并不以此为限，反之亦可实施。
图1是本发明第一实施例的一种整流元件的剖面示意图。
请参照图1，本实施例提供一种用于车用交流发电机的整流装置。整流装置包括在交流发电机中进行整流的整流元件10a。整流元件10a具有增强型场效半导体二极管(Enhanced Field Effect Semiconductor Diode，EFESD)30a。
具体来说，如图1所示，增强型场效半导体二极管30a包括基底12、外延层14、多个主体区16、硅化物层18、多个栅极结构20、内连线层26以及金属层28。基底12具有相对的正面12a与背面12b。在一实施例中，基底12的材料包括Si、SiC、GaN或其组合。在本实施例中，基底12可以是具有第一导电型重掺杂的硅基底，例如是N型重掺杂(N+)硅基底。
外延层14位于基底12的正面12a上。在一实施例中，外延层14为具有第一导电型的外延层，例如是N型轻掺杂(N-)的外延层。在另一实施例中，外延层14的掺杂浓度可介于1×1016/cm3至5×1017/cm3之间。在替代实施例中，外延层14的厚度14t可介于2.0μm至8.0μm之间。
主体区16分别位于外延层14中。在一实施例中，主体区16为具有第二导电型的掺杂区，例如是P型掺杂区。在一些实施例中，基底12与外延层14具有相同导电型，而主体区16与外延层14具有不同导电型。在另一实施例中，主体区16的掺杂浓度可介于1×1017/cm3至5×1017/cm3之间。如图1所示，主体区16的底面与硅化物层18的底面之间相距第一距离D1；而主体区16的侧面与硅化物层18的侧面相距第二距离D2。在替代实施例中，第一距离D1可介于0.5μm至2.0μm之间；第二距离D2可介于0.1μm至0.5μm之间。在其他实施例中，相邻两个主体区16之间具有间距P，间距P可介于2μm至3μm之间。
栅极结构20位于主体区16之间的外延层14(或基底12)上，且栅极结构20还覆盖部分主体区16。在一些实施例中，栅极结构20是通过图案化栅极材料层，以形成多个彼此分离的栅极结构20。如图1所示，栅极结构20包括栅介电层22与栅极24。栅介电层22位于栅极24与外延层14之间。在一实施例中，栅介电层22的材料包括SiO2、HfO2、BaTiO3、ZrO2、SiON或其组合。栅介电层22的厚度为
至
之间。但本发明不以此为限，在其他实施例中，可减少栅介电层22的厚度，以使导通阀值电压随之降低。栅极24的材料包括多晶硅。栅极24的宽度为1.5μm至2.0μm之间。
硅化物层18覆盖栅极结构20的顶面与侧壁，且延伸覆盖主体区16的顶面。在一些实施例中，硅化物层18的材料包括PtSi、TiSi、NiSi、MoSi、WSi、CoSi或其组合。硅化物层18可视为共形层，其具有实质上相同的厚度。在一实施例中，硅化物层18的厚度18t可介于
至
之间。
内连线层26位于栅极结构20上，且填入相邻两个栅极结构20之间的空间，以形成垂直导通通道15。在一些实施例中，内连线层26的材料包括金属材料，其可例如是铝、铜、铝铜等合适材料。在另一实施例中，垂直导通通道15的宽度15w可介于0.4μm至0.6μm之间。在替代实施例中，内连线层26可视为阳极(anode)。
金属层28位于基底12的背面12b上，且连接基底12的背面12b。在一些实施例中，金属层28的材料包括金属材料，其可例如是铝、铜、铝铜等合适材料。在替代实施例中，金属层28可视为阴极(cathode)。
值得注意的是，如图1所示，与主体区16接触的硅化物层18可视为横向导通硅化物结构32。栅极结构20下方的主体区16则可视为通道17。在一些实施例中，通道17是由横向导通硅化物结构32的侧面、主体区16的侧面以及栅介电层22的底面所定义的区域。在另一实施例中，通道17的长度可小于0.5μm。另外，主体区16(或通道17)与外延层14接触可形成场效接面结构34。在本实施例中，增强型场效半导体二极管30a可包括并排整合的横向导通硅化物结构32与场效接面结构34。内连线层26电性连接横向导通硅化物结构32与场效接面结构34，使得横向导通硅化物结构32、场效接面结构34以及内连线层26为等电位。在其他实施例中，横向导通硅化物结构32与场效接面结构34的连接可视为单片整合(monolithicallyintegrated)。
在一实施例中，当导通发生时，横向导通硅化物结构32可提供单极性载子源(unipolar carrier source)。增强型场效半导体二极管30a的电流路径11可从内连线层26(亦即阳极)通过硅化物层18、主体区16(或通道17)、外延层14以及基底12至金属层28(亦即阴极)。在另一实施例中，增强型场效半导体二极管30a的电流路径11是从垂直导通通道15弯向横向导通通道31中，再弯向另一垂直导通通道19至金属层28(亦即阴极)。横向导通通道31是对栅极24施加电压时，在栅介电层24的下方产生反转层所引起的。详细地说，在正向偏压情况下，反转层形成在通道17中。反转层能弯曲能带并降低能障高度，以减少正向电压。在替代实施例中，正向电压可介于0.78V至0.60V之间，或者是小于0.60V。
在一些实施例中，增强型场效半导体二极管30a在0.6V正向电压下电流密度约500A/cm2；在-18V逆向电压下逆向电流密度约50μA/cm2。在固定电压下顺逆偏整流电流比IF@0.6V/IR@-18V可以达到1×107，比较一般SBR结构的整流二极管在0.6V正向电压下电流密度约300A/cm2，在-18V逆向电压下逆向电流密度约100μA/cm2，顺逆偏整流电流比IF@0.6V/IR@-18V约为3×106。也就是说，在相同正向电压下，增强型场效半导体二极管30a的电流密度大于超级势垒整流元件(Super Barrier Rectifier，SBR)或是萧特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode)的电流密度。另一方面，在固定逆向电压下，增强型场效半导体二极管30a的漏电流小于超级势垒整流元件或是萧特基势垒二极管的漏电流。在此情况下，本实施例的增强型场效半导体二极管30a具有较高的正向电流密度与较低漏电流。因此，相较于现有的整流元件，本实施例的增强型场效半导体二极管30a具有较佳的整流能力。
在替代实施例中，当增强型场效半导体二极管30a的主体区16的掺杂浓度等于超级势垒整流元件的主体区的掺杂浓度时，在固定逆向电压下，增强型场效半导体二极管30a的漏电流小于超级势垒整流元件的漏电流。另一方面，若是增强型场效半导体二极管30a与超级势垒整流元件具有相同整流能力的情况下，本实施例的增强型场效半导体二极管30a的主体区16的掺杂浓度较低。也就是说，本实施例具有较低的掺杂浓度的主体区即可达到与现有超级势垒整流元件相同的能障高度(barrier height)。主体区的掺杂浓度减少，通道上的开启电压随之降低。因此，相较于现有的整流元件，本实施例的增强型场效半导体二极管30a具有较大的崩溃电压。在另一实施例中，增强型场效半导体二极管30a的崩溃电压可介于20V至25V之间。此外，较低的掺杂浓度的主体区表示本实施例可缩小主体区的面积即可达到相同的整流能力。当主体区的面积减少，增强型场效半导体二极管30a的电流拥挤效应(current crowding effect)随之降低。在此情况下，本实施例的增强型场效半导体二极管30a可有效地增加单元积集度，以提升芯片整流效率。在其他实施例中，硅化物层18是自对准形成在主体区16。所谓“自对准”是指不需要通过额外的微影工艺与蚀刻工艺便可将硅化物层18对准主体区16。因此，本实施例的硅化物层18的形成不受工艺变异(processvariation)的影响，其可增加工艺裕度(process window)并使得更多单元整合在单位面积上。
为了证明本发明的可实现性，列举以下实例1来对本发明的增强型场效半导体二极管(EFESD)做更进一步地说明。
具体来说，实例1的芯片包括本发明的增强型场效半导体二极管(其结构如图1所示)；而比较例1的芯片则是包括市售的超级势垒整流元件(SBR)。接着，分别对实例1的芯片与比较例1的芯片进行电性量测，其电流与电压曲线(IV curve)结果如图4A与图4B所示。
请参照图4A，当实例1的芯片与比较例1的芯片具有相同芯片面积的情况下，在超过0.42V正向电压状况下，实例1的芯片的正向电流密度大于比较例1的芯片的正向电流密度。另一方面，如图4B所示，当实例1的芯片与比较例1的芯片具有相同芯片面积的情况下，实例1的芯片的逆向电流密度小于比较例1的芯片的逆向电流密度。也就是说，实例1的芯片具有较高的正向电流密度与较低漏电流。因此，相较于市售的超级势垒整流元件(SBR)，本发明的增强型场效半导体二极管具有较佳的整流能力。
图2是本发明第二实施例的一种整流元件的剖面示意图。
请参照图2，基本上，第二实施例的整流元件10b与第一实施例的整流元件10a相似。相同构件的配置与材料已于上述实施例中详细说明过，于此便不再赘述。上述两者不同之处在于：第二实施例的整流元件10b包括增强型场效半导体二极管30b。增强型场效半导体二极管30b的内连线层26贯穿硅化物层18，以与主体区16接触。具体来说，在形成硅化物层18之后，移除部分硅化物层18，以暴露出主体区16的顶面。接着，形成内连线层26，以填入相邻两个栅极结构20之间的空间，以使内连线层26与主体区16接触。
图3是依照本发明一实施例的一种整流器的剖面示意图。
请参照图3，整流器100包括基座102、引线结构104以及整流芯片106。基座102具有一容置空间102a。在一实施例中，基座102的材料包括铜、铝或其合金，但本发明不以此为限。引线结构104设置于容置空间102a上。整流芯片106设置于基座102的容置空间102a内并与基座102及引线结构104分别电性接触。在本实施例中，整流芯片106包括上述增强型场效半导体二极管30a、30b中的任一者。增强型场效半导体二极管30a、30b的结构与材料已于上述实施例中详细说明过，于此便不再赘述。基座102及引线结构104可分别连接外部电路。在本实施例中，整流器100例如可以是设置于车用发电机上，其用以将交流电整流成直流电并传送至汽车系统中的各种电器装置与电瓶中。
在本实施例中，基座102的外周102b例如为圆形、方形或六角形，但不限于此，亦可为其他多边形或不规则形状，且基座102中的容置空间102a可与外周102b的形状相应或不相应，例如可为方形、圆形或六角型。在另一实施例中，基座102的外周102b还可以具有齿轮状轮廓，用以增加散热面积，还能在采用重力压入(press-fit)连接技术将整流器100安装至车用发电机的过程中，分散整流器100所受到的应力，以确保基座102内部的整流芯片106不会损坏或产生缺陷。本新型创作的基座102代表的是纯基座或是铝合金基座。
在本实施例中，引线结构104包括基部104a与引线104b，其中基部104a可直接接触整流芯片106的顶面106a；或者是，基部104a可经由配置于整流芯片106与引线结构104之间的导电粘着层110b电性连接整流芯片106。在一实施例中，引线结构104的基部104a的底面104c的形状可与整流芯片106的形状相应或不相应，例如是方形、圆形或六角型。引线结构104的材料例如是铝、铜或前述的金属的合金(如铝合金)。在另一实施例中，引线结构104的基部104a的面积实质上小于或等于铝基座102的容置空间102a的底部102c面积。
请再参照图3，在本实施例中，整流芯片106的底面106b可直接接触基座102；或者是，整流芯片106的底面106b可经由配置于整流芯片106与基座102之间的导电粘着层110a电性连接基座102。在一些实施例中，导电粘着层110a、110b可为本领域常使用的焊料，例如铅锡焊料。
另外，整流器100还可具有包封体108，用以包封容置空间102a中的整流芯片106与部分引线结构104。包封体108的材料例如环氧树脂、联苯树脂、不饱和聚酯或陶瓷材料。此外，在有包封体108的情况下，容置空间102a的壁面还可有向内延伸的闭锁结构102d，能使包封体108被闭锁定位，藉此改进整流器100的整体封装可靠度与疲劳寿命，闭锁结构102d例如可为连续环状结构，或为分散于容置空间102a的壁面上的多个凸出物结构。
本发明另一实施例提供一种车用发电装置，包括整流器，其用以对发电机所提供的交流电压进行整流。上述整流器包括上述增强型场效半导体二极管30a、30b中的任一者。在一些实施例的车用发电装置中，上述增强型场效半导体二极管的抛载保护能力(loaddump protection)优于现有超级势垒整流元件的抛载保护能力。在其他实施例的车用发电装置中，上述增强型场效半导体二极管的功耗(energy loss)低于现有超级势垒整流元件的功耗。在相同芯片面积条件与封装条件下在100安培的正向电流下(即正向电压VF＝0.55V且正向电流IF＝100A)，所述增强型场效半导体二极管的功耗比现有超级势垒整流元件的所述功耗减少15％以上。在替代实施例中，上述车用发电装置包括绕线式马达(winding motor)、永磁式马达(permanent-magnet motor)或其组合。
本发明其他实施例提供一种车用动力系统(powertrain for vehicle)，包括：具有整流器的车用发电装置。上述整流器用以对发电机所提供的交流电压进行整流。上述整流器包括上述增强型场效半导体二极管30a、30b中的任一者。在替代实施例中，上述车用动力系统包括怠速熄火系统(Idle stop start system，ISS)、皮带驱动式启动发电机系统(belt driven starter generator system，BSG)、整合式启动发电机系统(integratedstarter generator system，ISG)或其组合。也就是说，本实施例的整流器不仅可应用于燃油车中，还可应用于油电混合车或电动车中。
综上所述，本发明通过并排整合的横向导通硅化物结构与场效接面结构以形成增强型场效半导体二极管。在正向偏压下，反转层形成在通道中，以弯曲能带并降低主体区的能障高度，藉此形成导通状态。另外，在逆向偏压下，空乏层形成在通道中，以关闭通道，藉此降低漏电流。在此情况下，本实施例的增强型场效半导体二极管具有较高的正向电流密度与较低漏电流，亦即其具有较佳的整流能力。此外，本实施例的增强型场效半导体二极管还可降低主体区的面积，以有效地增加单元积集度，藉此达到低导通阻抗与低漏电流的功效。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。
Claims (30)
1.一种整流装置，用于车用交流发电机，所述整流装置包括：在交流发电机中进行整流的整流元件，
其中所述整流元件具有增强型场效半导体二极管，其包括：
主体区；
硅化物层，所述硅化物层包括导通至所述主体区的横向导通硅化物结构；
场效接面结构，其中所述横向导通硅化物结构与所述场效接面结构并排整合，且当导通发生时，所述横向导通硅化物结构提供单极性载子源；
内连线层，其电性连接所述横向导通硅化物结构与所述场效接面结构，其中所述横向导通硅化物结构、所述场效接面结构以及所述内连线层为等电位，且所述内连线层作为所述增强型场效半导体二极管的阳极；
基底，其中所述主体区位于所述横向导通硅化物结构与所述基底之间；以及
金属层，配置于所述基底的下方，且所述金属层作为所述增强型场效半导体二极管的阴极。
2.根据权利要求1所述的整流装置，其中所述增强型场效半导体二极管包括：
所述基底，具有相对的正面与背面；
外延层，位于所述基底的所述正面上；
所述主体区，位于所述外延层中；
栅极，位于所述外延层上，其中相邻两个栅极之间具有垂直导通通道，所述垂直导通通道对应于所述主体区；
栅介电层，位于所述栅极与所述外延层之间；以及
所述硅化物层，覆盖所述栅极的顶面与侧壁且延伸配置于所述内连线层与所述主体区之间。
3.根据权利要求2所述的整流装置，其中所述增强型场效半导体二极管的电流路径是从所述阳极通过所述硅化物层、所述主体区、所述外延层以及所述基底至所述阴极，
所述电流路径是从所述垂直导通通道弯向横向导通通道中，所述横向导通通道是对所述栅极施加正向偏压时，在所述栅介电层的下方产生反转层所引起的。
4.根据权利要求3所述的整流装置，其中通道是由所述横向导通硅化物结构的侧面、所述主体区的侧面以及所述栅介电层的底面所定义的区域，所述通道的长度小于0.5μm，
在正向偏压情况下，所述反转层形成在所述通道中，所述反转层能弯曲能带并降低能障高度，以减少正向电压。
5.根据权利要求2所述的整流装置，其中所述基底与所述外延层具有相同导电型，而所述主体区与所述外延层具有不同导电型。
6.根据权利要求2所述的整流装置，其中所述基底的材料包括Si、SiC、GaN或其组合。
7.根据权利要求2所述的整流装置，其中所述栅极的材料包括多晶硅或金属。
8.根据权利要求2所述的整流装置，其中所述硅化物层的材料包括PtSi、TiSi、NiSi、MoSi、WSi、CoSi或其组合。
9.根据权利要求2所述的整流装置，其中所述栅介电层的材料包括SiO2、HfO2、BaTiO3、ZrO2、SiON或其组合。
10.根据权利要求2所述的整流装置，其中所述内连线层更贯穿所述硅化物层以与所述主体区接触。
11.根据权利要求2所述的整流装置，其中当所述栅介电层的厚度减少，阀值电压随之降低。
12.根据权利要求1所述的整流装置，其中当电流以500A/cm2流经所述增强型场效半导体二极管时，所述整流元件的导通状态电压小于0.6V，
在-18V逆向电压下，所述增强型场效半导体二极管的逆向电流密度小于50μA/cm2。
13.根据权利要求1所述的整流装置，其中当所述主体区的掺杂浓度减少，通道上的开启电压随之降低。
14.根据权利要求1所述的整流装置，其中当所述主体区的面积减少且深度较浅时，所述增强型场效半导体二极管的电流拥挤效应随之降低，并能进而增加单位积集度。
15.根据权利要求1所述的整流装置，其中所述硅化物层自对准所述主体区，使得更多单元整合在单位面积上。
16.根据权利要求1所述的整流装置，其中当所述增强型场效半导体二极管的所述主体区的掺杂浓度等于超级势垒整流元件的主体区的掺杂浓度时，在固定逆向电压下，所述增强型场效半导体二极管的漏电流小于所述超级势垒整流元件的漏电流。
17.根据权利要求1所述的整流装置，其中所述横向导通硅化物结构与所述场效接面结构的连接是单片整合。
18.根据权利要求1所述的整流装置，其中在正向电压下，所述增强型场效半导体二极管的电流密度大于超级势垒整流元件的电流密度。
19.根据权利要求1所述的整流装置，其中在开启电压下，所述增强型场效半导体二极管的电流密度大于萧特基势垒二极管的电流密度。
20.根据权利要求1所述的整流装置，其中在固定逆向电压下，所述增强型场效半导体二极管的漏电流小于超级势垒整流元件的漏电流。
21.根据权利要求1所述的整流装置，其中在固定逆向电压下，所述增强型场效半导体二极管的漏电流小于萧特基势垒二极管的漏电流。
22.根据权利要求1所述的整流装置，其中在0.6V正向电压下，所述增强型场效半导体二极管的正向电流密度大于500A/cm2。
23.一种车用整流器，包括：
基座，具有容置空间；
引线结构，设置于所述容置空间上；以及
整流芯片，设置于所述基座与所述引线结构之间，且所述整流芯片电性接触所述引线结构与所述基座，其中所述整流芯片包括根据权利要求1至22中任一项所述的增强型场效半导体二极管。
24.根据权利要求23所述的车用整流器，还包括包封体，包封所述容置空间中的所述整流芯片以及部分所述引线结构。
25.根据权利要求23所述的车用整流器，还包括导电粘着层，配置于所述整流芯片与所述基座之间和/或配置于所述整流芯片与所述引线结构之间。
26.根据权利要求23所述的车用整流器，其中所述基座的材料包括铜、铝或其合金。
27.一种车用发电装置，包括：
整流器，用以对发电机所提供的交流电压进行整流，所述整流器包括如权利要求1至22中任一项所述的增强型场效半导体二极管。
28.根据权利要求27所述的车用发电装置，其中所述车用发电装置包括绕线式马达、永磁式马达或其组合。
29.一种车用动力系统，包括：
车用发电装置具有整流器，所述整流器用以对发电机所提供的交流电压进行整流，所述整流器包括如权利要求1至22中任一项所述的增强型场效半导体二极管。
30.根据权利要求29所述的车用动力系统，其中所述车用动力系统包括怠速熄火系统、皮带驱动式启动发电机系统、整合式启动发电机系统或其组合。
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