CN113630011A - 高压半导体装置以及相关的电源供应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高压半导体装置以及相关的电源供应器，其中该半导体装置包含有第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、高压接脚、控制栅接脚、主源接脚、取样接脚、充电接脚及充电控制接脚。该第一晶体管与该第二晶体管为垂直式元件，各具有源端、栅端及漏端。该第一晶体管的源端电连接至该主源接脚。该第二晶体管的源端电连接至该取样接脚。该第一晶体管与该第二晶体管的该等栅端电连接至该控制栅接脚。该第三晶体管为垂直式JFET结场效应晶体管，具有源端、控制端及漏端。该第三晶体管的源端电连接至该充电接脚。该第三晶体管的控制端电连接至该充电控制接脚。该第一晶体管、该第二晶体管及该第三晶体管的该等漏端彼此电连接至该高压接脚。

Description

高压半导体装置以及相关的电源供应器
技术领域
本发明涉及开关式电源转换器，尤其是涉及具有电流取样与高压启动结构的半导体装置与相关的电源转换器。
背景技术
图1显示现有具有返驰式(flyback)架构的一电源转换器100，用以将一次侧的输入电源VIN转换为二次侧的输出电源VOUT。输入电源VIN可能高达260V，通过市电整流后所产生。输出电源VOUT可能低至5V。
脉冲宽度调变控制器102通过栅输出接脚GATE控制功率开关NS，其跟电感LP、电流检测电阻RCS串联于输入电源VIN与接地线之间。通过电流检测接脚CS，脉冲宽度调变控制器102可以检测流经功率开关NS的电流，据以产生适当的脉冲信号来控制功率开关NS。
脉冲宽度调变控制器102具有高压启动功能(high-voltage startup)，整合有高压启动装置104。高压启动装置104通过高压接脚HV以及电阻RHV，电连接至输入电源VIN。举例来说，当输入电源VIN刚刚连接到一市电时，高压启动装置104可以从高压接脚HV汲取电流，通过电源接脚VCC，对电源电容CVCC充电，来建立操作电源VCC。操作电源VCC提供脉冲宽度调变控制器102所需的电源。
随着技术不断的发展，如何在有限的技术能力内，让电源转换器的转换效率提高并降低电源转换器的制造成本，是电源设计业者不断追求的目标。
发明内容
本发明实施例提供一半导体装置，包含有第一晶体管、一第二晶体管、一第三晶体管、一高压接脚、一控制栅接脚、一主源接脚、一取样接脚、一充电接脚、以及一充电控制接脚。该第一晶体管与该第二晶体管为一垂直式元件，各具有一源端、一栅端、以及一漏端。该第一晶体管的该源端电连接至该主源接脚。该第二晶体管的该源端电连接至该取样接脚。该第一晶体管与该第二晶体管的该等栅端电连接至该控制栅接脚。该第三晶体管为一垂直式结场效应晶体管(JFET)，具有一源端、一控制端、以及一漏端。该第三晶体管的该源端电连接至该充电接脚。该第三晶体管的该控制端电连接至该充电控制接脚。该第一晶体管、该第二晶体管、以及该第三晶体管的该等漏端彼此电连接至该高压接脚。
本发明实施例提供一电源供应器，包含有一高压半导体装置、一脉冲宽度调变(PWM)控制器、一电感、与一电流检测电阻。该高压半导体装置，包含有一第一晶体管、一第二晶体管、以及一第三晶体管。该第一晶体管与该第二晶体管为一垂直式元件，各具有一源端、一栅端、以及一漏端。该第三晶体管为一垂直式JFET结场效应晶体管，具有一源端、一控制端、以及一漏端。该第一晶体管的该源端电连接至一接地线。该脉冲宽度调变控制器包含有一启动接脚、一启动控制接脚、一栅输出接脚、以及一电流检测接脚。该启动接脚电连接至该第三晶体管的该源端。该启动控制接脚电连接至该第三晶体管的该控制端。该栅输出接脚电连接至该第一晶体管与该第二晶体管的该等栅端。该电流检测接脚电连接至该第二晶体管的该源端。该电感电连接至该第一、第二、第三晶体管的该等漏端。该电流检测电阻电连接于该第二晶体管的该源端与该接地线之间。
附图说明
图1为现有具有返驰式(flyback)架构的一电源转换器的示意图；
图2为本发明所实施的电源供应器，具有返驰式(flyback)架构的示意图；
图3为高压半导体装置204的一剖面示意图；
图4A与图4B为高压半导体装置204的两个上视图。
符号说明
100、200 电源转换器
102、202 脉冲宽度调变控制器
104 高压启动装置
204 高压半导体装置
300 单芯片
302 N型基底
3042、3044、3046 P型体掺杂区
3062、3064、3066 N型重掺杂区
3082、3084 多晶硅栅
309 场氧化层
3102、3104、3106、3107 金属层
312 背面金属层
402、404、406 有源区
BS 背面
COUT、CVCC 电源电容
CG 控制栅接脚
CGP 开关控制垫
CS 电流检测接脚
D 漏端
D1 整流二极管
G 栅端
GATE 栅输出接脚
GND 接地接脚
GS 主源接脚
GSP 主源垫
HV 高压接脚
JG 充电控制接脚
JGP 启动控制垫
JHV JFET结场效应晶体管
JS 充电接脚
JSP 启动源垫
LP 电感
NC、NMMOS 场效应晶体管
NS 功率开关
Pth1、Pth2 电流路径
P-FOX 场氧化图案
P-G 栅端图案
RCS 电流检测电阻
RHV 电阻
S 源端
SS 取样接脚
SSP 检测源垫
STR 启动接脚
STRC 启动控制接脚
TF 变压器
TR 终端环状区
TS 正面
VCC 操作电源
VCC 电源接脚
VIN 输入电源
VOUT 输出电源
具体实施方式
在本说明书中，有一些相同的符号，其表示具有相同或是类似的结构、功能、原理的元件，且为业界具有一般知识能力者可以依据本说明书的教导而推知。为说明书的简洁度考虑，相同的符号的元件将不再重述。
在本发明的一实施例中，一单芯片上整合有一两个增强型MOS场效应晶体管，以及一空乏型JFET结场效应晶体管。
两个增强型MOS场效应晶体管其中之一作为一电源供应器中的主要功率开关，另一作为电流取样开关，这样可以增加电源供应器的转换效率。
JFET结场效应晶体管可以作为该电源供应器中的高压启动开关，除了提升转换效率外，也可能可以降低整体电源供应器的制造成本。因为该电源供应器中的一脉冲宽度调变控制器所在的另一单芯片可能可以用一低压制作工艺来制作。
图2为依据本发明所实施的电源供应器200，具有返驰式(flyback)架构。图2仅仅作为一个例子，并不用来限制本发明。举例来说，依据本发明所实施的一电源供应器可能是LLC电源转换器、或是升压转换器(booster)。
电源供应器200将一次侧的输入电源VIN转换为二次侧的输出电源VOUT。电源供应器200包含有脉冲宽度调变控制器202、高压半导体装置204、变压器TF、电流检测电阻RCS、整流二极管D1、电源电容CVCC、COUT。
在一实施例中，脉冲宽度调变控制器202与高压半导体装置204的主要电路分别形成于两个单芯片上。封装后，脉冲宽度调变控制器202具有，但不限于，电源接脚VCC、启动接脚STR、启动控制接脚STRC、栅输出接脚GATE、电流检测接脚CS、以及接地接脚GND。高压半导体装置204具有，但不限于，高压接脚HV、控制栅接脚CG、主源接脚GS、取样接脚SS、充电接脚JS、以及充电控制接脚JG。在另一个实施例中，脉冲宽度调变控制器202与高压半导体装置204的主要电路分别形成于两个单芯片，而这两个单芯片封装为具有多个接脚的单一集成电路。
高压半导体装置204包含有三个高压晶体管：增强型MOS场效应晶体管NC与NM、JFET结场效应晶体管JHV。增强型MOS场效应晶体管NC与NM、以及JFET结场效应晶体管JHV，三者的漏端D，都通过高压接脚HV，电连接到变压器TF中的一次侧绕组LP，其另一端电连接到输入电源VIN。增强型MOS场效应晶体管NC与NM的栅端G，都通过控制栅接脚CG，电连接到脉冲宽度调变控制器202的栅输出接脚GATE。增强型MOS场效应晶体管NM的源端S，通过主源接脚GS，电连接到接地线。增强型MOS场效应晶体管NC的源端S，通过取样接脚SS，电连接到脉冲宽度调变控制器202的电流检测接脚CS与电流检测电阻RCS，电流检测电阻RCS的另一端电连接到接地线。FET结场效应晶体管JHV的控制端G，通过充电控制接脚JG，电连接到脉冲宽度调变控制器202的启动控制接脚STRC。FET结场效应晶体管JHV的源端S，通过充电接脚JS，电连接到脉冲宽度调变控制器202的启动接脚STR。
开关增强型MOS场效应晶体管NM作为主要功率开关，开关增强型MOS场效应晶体管NC作为电流取样开关。脉冲宽度调变控制器202通过栅输出接脚GATE，提供PWM信号，开关增强型MOS场效应晶体管NC与NM，来控制变压器TF的储能与释能。当变压器TF释能时，通过整流二极管D1，可以在二次侧建立输出电源VOUT。脉冲宽度调变控制器202可以通过电流检测接脚CS，检测流经增强型MOS场效应晶体管NC与NM的电流。
JFET结场效应晶体管JHV作为电源供应器200中的高压启动开关。脉冲宽度调变控制器202包含有启动装置206，其可以通过启动控制接脚STRC，来开关FET结场效应晶体管JHV。当FET结场效应晶体管JHV开启时，部分流经电感LP的电流，可以通过启动接脚STR与电源接脚VCC，对电源电容CVCC充电，来建立操作电源VCC。举例来说，当输入电源VIN刚刚连接到一市电时，FET结场效应晶体管JHV为开启状态，进行高压启动，通过电源接脚VCC，对电源电容CVCC充电，来建立操作电源VCC。当操作电源VCC到达一预设电压时，譬如10V，脉冲宽度调变控制器202可以通过启动控制接脚STRC，来关闭FET结场效应晶体管JHV。
图3显示高压半导体装置204的一剖面示意图。高压半导体装置204中的三个晶体管整合于单芯片300上。单芯片300的正面TS大致上可以由场氧化层309区隔为有源区402、404与406，分别用来形成MOS场效应晶体管NM、MOS场效应晶体管NC、以及FET结场效应晶体管JHV。单芯片300上形成有N型基底302、P型体掺杂区3042、3044、3046、N型重掺杂区3062、3064、3066。多晶硅栅(polysilicon gate)3082绝缘地形成于P型体掺杂区3042与N型重掺杂区3062上，而多晶硅栅3084绝缘地形成于P型体掺杂区3044与N型重掺杂区3064上。
增强型MOS场效应晶体管NM可以是一垂直式双扩散金属氧化物半导体场效晶体管(Vertical Double-diffused MOS，VDMOS)。MOS场效应晶体管NM的源端、体端、漏端、以及栅端分别是N型重掺杂区3062、P型体掺杂区3042、N型基底302、以及多晶硅栅3082。N型重掺杂区3062与P型体掺杂区3042通过金属层3102短路在一起，电连接到主源接脚GS。类似地，增强型MOS场效应晶体管NC也可以是一VDMOS。MOS场效应晶体管NC的源端、体端、漏端、以及栅端分别是N型重掺杂区3064、P型体掺杂区3044、N型基底302以及多晶硅栅3084。N型重掺杂区3064与P型体掺杂区3044通过金属层3104短路在一起，电连接到取样接脚SS。多晶硅栅3082与3084电性相短路，电连接到控制栅接脚CG。
MOS场效应晶体管NM与NC是垂直式元件，因为连接源端与漏端两者的直线延展的方向，大约垂直于单芯片300的表面。
单芯片300的背面BS上形成有背面金属层312，作为N型基底302的电性接触，可以电连接到高压接脚HV。
当控制栅接脚CG的电压足够高时，多晶硅栅3082下方的P型体掺杂区3042与3046的表面形成导电通道，可以分别电连接N型基底302与N型重掺杂区3062，以及N型基底302与N型重掺杂区3064。导电通道平行于单芯片300的表面。电流路径Pth1与Pth2分别显示当增强型MOS场效应晶体管NM与NC开启时的主要电流路径。
FET结场效应晶体管JHV的源端、控制端、以及漏端分别是N型重掺杂区3066、P型体掺杂区3046、以及N型基底302。P型体掺杂区3046通过金属层3106，电连接至充电控制接脚JG。N型重掺杂区3066通过金属层3107，电连接至充电接脚JS。
FET结场效应晶体管JHV的源端与控制端之间的跨压，可以控制两个P型体掺杂区3046中的导电通道，其垂直于单芯片300的表面。FET结场效应晶体管JHV为一垂直式元件，因为连接源端与漏端两者的直线延展的方向，大约垂直于单芯片300的表面。两个P型体掺杂区3046之间的距离可以决定FET结场效应晶体管JHV的临界电压。在一实施例中，FET结场效应晶体管JHV为一空乏型元件，在另一实施例中，为一增强型元件。
如同图3的高压半导体装置204所显示，单芯片300具有正面TS以及背面BS，增强型MOS场效应晶体管NC与NM、JFET结场效应晶体管JHV的漏端都通过背面BS的背面金属层312电连接至主绕组LP，增强型MOS场效应晶体管NM的源端通过正面TS电连接至接地线。
图4A显示高压半导体装置204的上视图，其中显示了场氧化图案P-FOX以及栅端图案P-G。图4A中，场氧化图案P-FOX定义出了有源区402、404与406，分别用来形成增强型MOS场效应晶体管NM与NC、JFET结场效应晶体管JHV。栅端图案P-G具有许多长条物，横跨于有源区402与404上，作为多晶硅栅3082与3084。
图4B显示高压半导体204的另一上视图，其中显示了开关控制垫CGP、主源垫GSP、检测源垫SSP、启动控制垫JGP、启动源垫JSP，每个在一实施例中，可以在上形成一焊线(bonding wire)，用以连接至一接脚。多晶硅栅3082与3084电连接到过开关控制垫CGP。N型重掺杂区3062与P型体掺杂区3042通过金属层3102，电连接到主源垫GSP。N型重掺杂区3064与P型体掺杂区3044通过金属层3104，电连接到取样接脚SSP。P型体掺杂区3046通过金属层3106，电连接至启动控制垫JGP。N型重掺杂区3066通过金属层3107，电连接至启动源垫JSP。图4B也显示了包围了有源区402、404与406的终端环状区(termination ring)TR，用以保护高压半导体204在经历芯片切割(singulation)时，避免受到损害。
在另一实施例中，图4A中的场氧化图案P-FOX上可以另形成以多晶硅构成的电阻，电连接于JFET结场效应晶体管JHV的金属层3107与启动源垫JSP之间，可以作为电连接于JFET结场效应晶体管JHV的限流电阻。
图2的电源供应器200，相较于图1的电源供应器100，有以下的优点。
较佳的电源转换效率。电源供应器200中，流经一次侧绕组LP的电流，只有部分流经电流检测电阻RCS。因此，电流检测电阻RCS消耗比较少的电能，使得电源供应器200有较佳的电源转换效率。
较便宜的芯片制作成本。图1中的脉冲宽度调变控制器102，如果是一单芯片，必须采用可以耐受数百伏特高压的超高压制作工艺。相较之下，图2的电源供应器200可以采用耐受数十伏特的高压制作工艺就可以，芯片制作成本可以大幅降低。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种半导体装置，其特征在于，该半导体装置包含有：
第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、高压接脚、控制栅接脚、主源接脚、取样接脚、充电接脚、以及充电控制接脚；
其中，该第一晶体管与该第二晶体管为垂直式元件，各具有源端、栅端、以及漏端，该第一晶体管的该源端电连接至该主源接脚，该第二晶体管的该源端电连接至该取样接脚，该第一晶体管与该第二晶体管的该多个栅端电连接至该控制栅接脚；
该第三晶体管为垂直式结场效应晶体管，具有源端、控制端、以及漏端，该第三晶体管的该源端电连接至该充电接脚，该第三晶体管的该控制端电连接至该充电控制接脚；以及
该第一晶体管、该第二晶体管、以及该第三晶体管的该多个漏端彼此电连接至该高压接脚。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其中，该第一晶体管与该第二晶体管为增强型MOS场效应晶体管，且该第三晶体管为空乏型结场效应晶体管。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其中，该第一晶体管、该第二晶体管、以及该第三晶体管整合于一单芯片上。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其中，该单芯片具有正面以及背面，该开关控制垫、该主源垫、该检测源垫、该启动控制垫、以及该启动源垫形成于该正面上，而该半导体装置另包含有背面金属层，形成于该背面，作为该第一晶体管、该第二晶体管、以及该第三晶体管的该多个漏端。
5.一种电源供应器，其特征在于，该电源供应器包含有：
高压半导体装置，包含有：
第一晶体管、第二晶体管、以及第三晶体管，其中，该第一晶体管与该第二晶体管为垂直式元件，各具有源端、栅端、以及漏端，该第三晶体管为垂直式结场效应晶体管，具有源端、控制端、以及漏端，该第一晶体管的该源端电连接至接地线；
脉冲宽度调变(PWM)控制器，包含有启动接脚、启动控制接脚、栅输出接脚、以及电流检测接脚，其中该启动接脚电连接至该第三晶体管的该源端，该启动控制接脚电连接至该第三晶体管的该控制端，该栅输出接脚电连接至该第一晶体管与该第二晶体管的该多个栅端，该电流检测接脚电连接至该第二晶体管的该源端；
电感，电连接至该第一、第二、第三晶体管的该多个漏端；以及
电流检测电阻，电连接于该第二晶体管的该源端与该接地线之间。
6.如权利要求5所述的电源供应器，其中，该第一晶体管与该第二晶体管为增强型MOS场效应晶体管，且该第三晶体管为空乏型结场效应晶体管。
7.如权利要求5所述的电源供应器，其中，该高压半导体装置形成于第一单芯片上，该脉冲宽度调变控制器形成于第二单芯片上。
8.如权利要求7所述的电源供应器，其中，该第一单芯片具有正面以及背面，该第一、第二、以及第三晶体管的该多个漏端通过该背面电连接至该电感，该第一晶体管的该源端通过该正面电连接至该接地线。
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