CN111370490A - 类第三代半导体性能的n型硅基新型场效应管及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管，包括至少一个硅基场效应管晶圆，所述每个硅基场效应管晶圆的源极和漏极之间并联一肖特基二极管晶圆，其中肖特基二极管晶圆的正极接硅基场效应管晶圆的源极，肖特基二极管晶圆的负极接硅基场效应管晶圆的漏极。该N型硅基新型场效应管，效率更高，损耗更小，反向恢复时间更短。

Description

类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管及加工方法
技术领域
本发明属于功率半导体基础元件技术领域，具体涉及一种类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管及加工方法。
背景技术
目前场效应管主要包括基于硅材的第一和第二代平面型、沟槽型、超级结型和屏蔽栅工艺的场效应管,第三代基于SiC材料的SiC型场效应管和基于GaN(氮化镓)材料的GaN场效应管。
其中，基于硅材的第一代和第二代平面型、沟槽型、超级结型场效应管，技术成熟，成本便宜。但其内部因工艺原因有寄生体二极管，此寄生体二极管正向压降高，有1.1-1.3V左右，并且其反向恢复性能极差。这两个参数对产品的动态性能，支持的工作频率，效率，漏源极沟槽关断时候的反向恢复尖峰有严重负面影响。
第三代基于SiC材料的SiC型场效应管的反向恢复时间理论为零，非常小，并且没有寄生体二极管，比目前市面上的Si基场效应管支持的工作频率，效率都高，反向恢复尖峰很低，甚至没有。但工艺成本高，售价高，经济性差。并且因为没有体二极管，限制了使用场合，一般只能用在开关作用的控制场合，在一些需要沟槽关断期间，产品仍需通过一段时间电流，比如开关电源次级的同步整流电路无法直接使用。
第三代基于GaN材料的GaN场效应管因为工艺原因,Vgs耐压偏小,一般使用于5V驱动。若驱动电压过高,将过压击穿毁坏场效应管。而目前成熟的配套驱动IC的驱动电压一般都是12V,若为了第三代GaN等场效应管工作,需要专门开发制作新的驱动电路,例如驱动IC。同时其反向恢复时间理论为零，非常小，并且没有寄生体二极管，比目前市面上的Si基场效应管支持的工作频率，效率都高，反向恢复尖峰很低，甚至没有。但工艺成本高，售价高，经济性差。并且因为没有体二极管，限制了使用场合，一般只能用在开关作用的控制场合，在一些需要沟槽关断期间，产品仍需通过一段时间电流，比如开关电源次级的同步整流电路无法直接使用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管及加工方法，效率更高，损耗更小，反向恢复时间更短。
第一方面，一种类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管，包括至少一个硅基场效应管晶圆，
所述每个硅基场效应管晶圆的源极和漏极之间并联一肖特基二极管晶圆，其中肖特基二极管晶圆的正极接硅基场效应管晶圆的源极，肖特基二极管晶圆的负极接硅基场效应管晶圆的漏极。
优选地，所述肖特基二极管晶圆的正向压降小于所述硅基场效应管晶圆中寄生体二极管的正向压降。
优选地，所述N型硅基新型场效应管的封装形式包括TO-220F全塑封、TO-220BF半塑封、TO-220铁封、TO-247、TO-252、TO-3P、DFN5*6或DFN8X8。
优选地，所述硅基场效应管晶圆采用平面型VDMOS工艺、沟槽型工艺、超级结型工艺或屏蔽栅SGT工艺制成。
优选地，所述硅基场效应管晶圆和所述肖特基二极管晶圆通过金属线键合后，通过焊接工艺合封在同一封装元件内，构成所述N型硅基新型场效应管。
优选地，所述硅基场效应管晶圆的源极、栅极和漏极分别通过金属线连接至N型硅基新型场效应管的源极引脚、栅极引脚和漏极引脚。
优选地，所述硅基场效应管晶圆的漏极和所述肖特基二极管晶圆的负极之间连接的金属线包括设置在硅基场效应管晶圆的漏极和肖特基二极管晶圆的负极之间的铜框架。
第二方面，一种类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管的加工方法，包括以下步骤：
在每个硅基场效应管晶圆的源极和漏极之间并联一肖特基二极管晶圆，并进行封装；
其中肖特基二极管晶圆的正极接硅基场效应管晶圆的源极，肖特基二极管晶圆的负极接硅基场效应管晶圆的漏极；所述肖特基二极管晶圆的正向压降小于所述硅基场效应管晶圆中寄生体二极管的正向压降。
优选地，该方法还包括：
所述N型硅基新型场效应管的封装形式包括TO-220F全塑封、TO-220BF半塑封、TO-220铁封、TO-247、TO-252、TO-3P、DFN5*6或DFN8X8。
优选地，所述硅基场效应管晶圆采用平面型VDMOS工艺、沟槽型工艺、超级结型工艺或屏蔽栅SGT工艺制成。
由上述技术方案可知，本发明提供的类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管及加工方法，效率更高，损耗更小，反向恢复时间更短。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例提供的N型硅基新型场效应管的原理示意图。
图2为本发明实施例提供的N型硅基新型场效应管的封装成品内部透视示意图。
图3为本发明实施例提供的采用TO-220封装的N型硅基新型场效应管的内部解剖侧面示意图。
图4为本发明实施例提供的采用TO-220BF封装的N型硅基新型场效应管的成品立体示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
实施例一：
一种类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管，参见图1，包括至少一个硅基场效应管晶圆P1，
所述每个硅基场效应管晶圆P1的源极和漏极之间并联一肖特基二极管晶圆D2，其中肖特基二极管晶圆D2的正极接硅基场效应管晶圆的源极，肖特基二极管晶圆D2的负极接硅基场效应管晶圆的漏极，其中所述肖特基二极管晶圆D2的正向压降小于所述硅基场效应管晶圆中寄生体二极管D1的正向压降。
具体地，该肖特基二极管晶圆为低压降肖特基二极管晶圆。因为采用的并联的低压降肖特基二极管晶圆，其正向压降小于硅基场效应管晶圆的寄生体二极管的正向压降，因此场效应管漏源极间沟槽关断期间，电流将主要通过肖特基二极管晶圆流过，而极少流过寄生体二极管，效率比原来利用场效应管的寄生体二极管更高、损耗更小、发热降低。并且场效应管沟槽关断时，N型硅基新型场效应管主要利用肖特基二极管晶圆进行反向恢复，而不是通过寄生体二极管进行反向恢复，且肖特基二极管晶圆的反向恢复时间很短，远小于寄生体二极管，甚至为零，具有更好的反向恢复性能，更低的反向恢复尖峰，达到类似和接近于第三代GaN,SiC半导体的反向恢复性能。
该N型硅基新型场效应管应用时，用户可以根据具体情况选用不同正向压降的肖特基二极管晶圆，降低成品综合成本，增加了市场的经济性，成本竞争力。同时能实现第一，第二代半导体中的带有寄生体二极管的场效应管在漏源极间沟槽关断后，可以通过二极管续流的第三代半导体场效应管所缺失的功能。
该N型硅基新型场效应管在效率和反向恢复性能比第一代和第二代半导体大幅提升，比第三代半导体的应用范围更广，成本更低，并且可以兼容原有的第一代和第二代半导体晶圆成熟制程工艺，减少设备更新和投资。
所述N型硅基新型场效应管的封装形式包括TO-220F全塑封、TO-220BF半塑封、TO-220铁封、TO-247、TO-252、TO-3P、DFN5*6或DFN8X8。
具体地，该N型硅基新型场效应管采用以上形式进行封装，和传统场效应管封装引脚类似，可以作为传统场效应管的兼容替换产品。
优选地，所述硅基场效应管晶圆采用平面型VDMOS工艺、沟槽型工艺、超级结型工艺或屏蔽栅SGT工艺制成。
具体地，采用上述工艺方法制成的硅基场效应管晶圆，降低Qg值,增强高频工作性能，降低损耗。特别是采用屏蔽栅SGT工艺制成的硅基场效应管晶圆，Qg减小很多，支持工作频率可以提高到500KHz甚至1MHz左右，Rds阻抗小很多。在大部分应用场合中，综合效率、支持频率、反向恢复性能接近于第三代半导体场效应管，但成本比第三代半导体低，应用领域范围更广。不光可应用于开关控制领域，也可用于电子整流(比如开关电源的同步整流)领域，因此该N型硅基新型场效应管能够促进电子产品的节能降耗。
第三代半导体场效应管因为工艺原因，Vgs耐压偏小,一般使用于5V驱动。若驱动电压过高,将过压击穿毁坏场效应管。但是目前成熟的配套驱动IC的驱动电压一般都是12V。所以若为了第三代GaN等场效应管工作,需要专门开发制作新的驱动电路和驱动IC,不能沿用旧有成熟驱动IC产品,无形中又增加了成本。而申请的N型硅基新型场效应管，Vgs耐压高,兼容传统的12V驱动电压IC,可以采用传统成熟驱动IC与之配套工作,不用重复设计驱动IC,方案总成本低,可选择面宽,更利于市场接受和旧有产品升级改造。
优选地，所述硅基场效应管晶圆和所述肖特基二极管晶圆通过金属线键合后，通过焊接工艺合封在同一封装元件内，构成所述N型硅基新型场效应管。
优选地，所述硅基场效应管晶圆的源极、栅极和漏极分别通过金属线连接至N型硅基新型场效应管的源极引脚、栅极引脚和漏极引脚。
优选地，所述硅基场效应管晶圆的漏极和所述肖特基二极管晶圆的负极之间连接的金属线包括设置在硅基场效应管晶圆的漏极和肖特基二极管晶圆的负极之间的铜框架。
参见图2～4，图2中，1-肖特基二极管晶圆，2-肖特基二极管晶圆的正极，3-硅基场效应管晶圆，4-硅基场效应管晶圆的源极，5-金属线。图3中，6-环氧树脂，7-铜框架。
具体地，铜框架利用其自身的导电性，实现硅基场效应管晶圆的漏极和肖特基二极管晶圆的负极之间的电气连接。
实施例二：
一种类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管的加工方法，包括以下步骤：
在每个硅基场效应管晶圆的源极和漏极之间并联一肖特基二极管晶圆，并进行封装；
其中肖特基二极管晶圆的正极接硅基场效应管晶圆的源极，肖特基二极管晶圆的负极接硅基场效应管晶圆的漏极；所述肖特基二极管晶圆的正向压降小于所述硅基场效应管晶圆中寄生体二极管的正向压降。
优选地，该方法还包括：
所述N型硅基新型场效应管的封装形式包括TO-220F全塑封、TO-220BF半塑封、TO-220铁封、TO-247、TO-252、TO-3P、DFN5*6或DFN8X8。
优选地，所述硅基场效应管晶圆采用平面型VDMOS工艺、沟槽型工艺、超级结型工艺或屏蔽栅SGT工艺制成。
本发明实施例所提供的方法，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述产品实施例中相应内容。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管，包括至少一个硅基场效应管晶圆，其特征在于，
所述每个硅基场效应管晶圆的源极和漏极之间并联一肖特基二极管晶圆，其中肖特基二极管晶圆的正极接硅基场效应管晶圆的源极，肖特基二极管晶圆的负极接硅基场效应管晶圆的漏极。
2.根据权利要求1所述类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管，其特征在于，
所述肖特基二极管晶圆的正向压降小于所述硅基场效应管晶圆中寄生体二极管的正向压降。
3.根据权利要求1所述类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管，其特征在于，
所述N型硅基新型场效应管的封装形式包括TO-220F全塑封、TO-220BF半塑封、TO-220铁封、TO-247、TO-252、TO-3P、DFN5*6或DFN8X8。
4.根据权利要求1所述类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管，其特征在于，
所述硅基场效应管晶圆采用平面型VDMOS工艺、沟槽型工艺、超级结型工艺或屏蔽栅SGT工艺制成。
5.根据权利要求1所述类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管，其特征在于，
所述硅基场效应管晶圆和所述肖特基二极管晶圆通过金属线键合后，通过焊接工艺合封在同一封装元件内，构成所述N型硅基新型场效应管。
6.根据权利要求5所述类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管，其特征在于，
所述硅基场效应管晶圆的源极、栅极和漏极分别通过金属线连接至N型硅基新型场效应管的源极引脚、栅极引脚和漏极引脚。
7.根据权利要求5所述类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管，其特征在于，
所述硅基场效应管晶圆的漏极和所述肖特基二极管晶圆的负极之间连接的金属线包括设置在硅基场效应管晶圆的漏极和肖特基二极管晶圆的负极之间的铜框架。
8.一种类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
在每个硅基场效应管晶圆的源极和漏极之间并联一肖特基二极管晶圆，并进行封装；
其中肖特基二极管晶圆的正极接硅基场效应管晶圆的源极，肖特基二极管晶圆的负极接硅基场效应管晶圆的漏极；所述肖特基二极管晶圆的正向压降小于所述硅基场效应管晶圆中寄生体二极管的正向压降。
9.根据权利要求8所述类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管的加工方法，其特征在于，该方法还包括：
所述N型硅基新型场效应管的封装形式包括TO-220F全塑封、TO-220BF半塑封、TO-220铁封、TO-247、TO-252、TO-3P、DFN5*6或DFN8X8。
10.根据权利要求8所述类第三代半导体性能的N型硅基新型场效应管的加工方法，其特征在于，
所述硅基场效应管晶圆采用平面型VDMOS工艺、沟槽型工艺、超级结型工艺或屏蔽栅SGT工艺制成。
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