KR20200041770A - 차량용 정류기 장치, 정류기, 발전기 장치 및 동력 전달 장치 - Google Patents

차량용 정류기 장치, 정류기, 발전기 장치 및 동력 전달 장치 Download PDF

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Abstract

교류 발전기에서 정류하기 위한 정류 소자를 포함하는 차량 교류 발전기용 정류기 장치가 제공된다. 상기 정류 소자는 EFESD(Enhanced Field Effect Semiconductor Diode)를 지닌다. 상기 EFESD는 나란히 집적된 측면 전도 실리사이드 구조 및 전계 효과 접합 구조를 포함한다. 차량용 정류기, 발전기 장치 및 동력 전달 장치가 또한 제공된다.

Description

차량용 정류기 장치, 정류기, 발전기 장치 및 동력 전달 장치{Rectifier device, rectifier, generator device, and powertrain for vehicle}
본 발명은 차량용 정류기 장치, 정류기, 발전기 장치 및 동력 전달 장치에 관한 것이다.
일반적으로 저손실 다이오드(Low Loss Diode; LLD)는 낮은 역방향 바이어스 누설 전류 및 낮은 순방향 바이어스 전도 저항을 추구한다. 고효율 발전기용 압입 패키지를 지니는 저손실 다이오드는 신뢰성, 구조적 안정성 및 방열(放熱) 능력을 갖추어야 한다. 그러나 저손실 다이오드의 칩 설계가 가장 중요한 요소이다.
현재 시판되고 있는 저손실 다이오드 칩은 바이어스 전압에 따라 역 바이어스 누설 전류가 증가하고,(100mA@20V 하에서 200℃보다 높은) 고온에서 과도한 누설이 유발되며, 셀 밀도가 개선될 수 없는 등의 몇 가지 단점이 있다. 이 경우에, 저손실 다이오드 칩의 전체 정류 효율이 제한을 받게 된다.
본 발명은 높은 순방향 전류 밀도 및 낮은 역방향 누설 전류를 지니고, 그럼으로써 양호한 정류 능력을 지니는 차량용 정류기 칩을 제공하는 것이다.
본 발명은 셀 밀도를 효과적으로 증가시키고, 그럼으로써 칩 정류 효율을 개선하도록 설계된 다른 차량용 정류기 칩을 제공하는 것이다.
본 발명은 차량 교류 발전기용 정류기 장치를 제공하는 것이다. 상기 정류기 장치는 교류 발전기에서 정류하기 위한 정류 소자를 포함한다. 상기 정류 소자는 EFESD(Enhanced Field Effect Semiconductor Diode)를 지닌다. 상기 EFESD는 보디(body) 영역, 실리사이드 층, 전계 효과 접합 구조, 상호접속 층, 기판 및 금속 층을 포함한다. 상기 실리사이드 층은 상기 보디 영역으로 전도하는 측면 전도(lateral conducting) 실리사이드 구조를 포함한다. 상기 측면 전도 실리사이드 구조 및 전계 효과 접합 구조는 나란히 집적되어 있다. 상기 측면 전도 실리사이드 구조는 전도가 이루어질 때 단극(uni-polar) 캐리어 소스를 제공한다. 상기 상호접속 층은 상기 측면 전도 실리사이드 구조 및 상기 전계 효과 접합 구조를 전기적으로 접속시키며, 상기 측면 전도 실리사이드 구조, 상기 전계 효과 접합 구조 및 상기 상호접속 층은 동일한 전위이고, 상기 상호접속 층은 상기 EFESD의 애노드로서 작용하게 된다. 상기 보디 영역은 상기 측면 전도 실리사이드 구조 및 상기 기판 사이에 배치된다. 상기 금속 층은 상기 기판 아래에 배치되고, 상기 금속 층은 상기 EFESD의 캐소드로서 작용하게 된다.
본 발명은 베이스, 리드 구조 및 정류기 칩을 포함하는 차량용 정류기를 제공하는 것이다. 상기 베이스는 수용 공간을 지닌다. 상기 리드 구조는 상기 수용 공간 상에 배치된다. 상기 정류기 칩은 상기 베이스 및 상기 리드 구조 사이에 배치되고, 리드 구조 및 상기 베이스를 전기적으로 접촉시킨다. 상기 정류기 칩은 상기 EFESD를 포함한다.
본 발명은 발전기에 의해 제공되는 교류 전압을 정류하기 위한 정류기를 포함하는 차량용 발전기 장치를 제공하는 것이다. 상기 정류기는 상기 EFESD를 포함한다.
본 발명은 발전기에 의해 제공되는 교류 전압을 정류하기 위한 정류기를 지니는 발전기 장치를 포함하는 차량용 동력 전달 장치를 제공하는 것이다. 상기 정류기는 상기 EFESD를 포함한다.
위의 내용에 기초하여, 본 발명에서는, 상기 측면 전도 실리사이드 구조 및 상기 전계 효과 접합 구조가 상기 EFESD를 형성하도록 나란히 합체된다. 이 경우에, 본 실시 예의 EFESD는 높은 순방향 전류 밀도 및 낮은 역방향 누설 전류를 지니게 하는데, 다시 말하면 상기 EFESD는 양호한 정류 능력을 지닌다. 또한, 본 실시 예의 EFESD는 상기 보디 영역의 면적을 감소시키고 셀 밀도를 효과적으로 증가시켜 칩 사용 영역을 증가시킬 수 있다.
첨부도면들은 본 발명의 더 나은 이해를 제공하기 위해 포함된 것이며 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 이러한 도면들은 본 발명의 실시 예들을 예시하고 본 내용과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정류기 장치를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 정류기 장치를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시 예에 따른 정류기를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 4a는 순방향 전압에서 예 1 및 비교 예 1의 전류 및 전압 간의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 4b는 역방향 전압에서 예 1 및 비교 예 1의 전류 및 전압 간의 관계를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 본 실시 예들의 도면들을 참조하여 보다 완전하게 설명된다. 그러나 본 발명은 또한, 다른 여러 형태로 구현될 수 있으므로, 본 명세서의 실시 예들에 국한되지 않는다. 도면들에서 층들 및 영역들의 두께들은 명료성을 위해 확대되어 있다. 동일하거나 유사한 참조번호들은 동일하거나 유사한 장치들을 나타내므로 다음 단락에서 반복되지는 않는다.
이하의 실시 예들에서, 제1 도전 형태가 P 형일 경우에는, 제2 도전 형태가 N 형이고; 제1 도전 형태가 N 형일 경우에는, 제2 도전 형태가 P 형이다. P 형 도펀트는 예를 들어 붕소 또는 붕소 디플루오라이드이다. N 형 도펀트는 예를 들어 인 또는 비소이다. 본 실시 예에서, 제1 도전 형태는 N 형일 수 있고, 제2 도전 형태는 P 형일 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 국한되지 않고 그 반대로도 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정류기 장치를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시 예는 차량의 교류 발전기용 정류기 장치를 제공한다. 상기 정류기 장치는 교류 발전기에서 정류하기 위한 정류 소자(10a)를 포함한다. 정류 소자(10a)는 EFESD(Enhanced Field Effect Semiconductor Diode)(30a)를 지닌다.
구체적으로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 EFESD(30a)는 기판(12), 에피 택셜 층(14), 복수 개의 보디 영역들(16), 실리사이드 층(18), 복수 개의 게이트 구조들(20), 상호접속 층(26) 및 금속 층(28)을 포함한다. 상기 기판(12)은 서로 대향하는 정면(12a) 및 배면(12b)을 지닌다. 한 실시 예에서, 상기 기판(12)은 Si, SiC, GaN 또는 이들의 조합을 포함한다. 본 실시 예에서, 상기 기판(12)은 N-형이 두껍게 도프된(N+) 실리콘 기판과 같은 제1 도전 형태가 두껍게 도프된 실리콘 기판일 수 있다.
상기 에피택셜 층(14)은 상기 기판(12)의 정면(12a) 상에 위치해 있다. 한 실시 예에서, 상기 에피택셜 층(14)은 제1 도전 형태를 지니는 에피택셜 층, 예를 들어 N-형이 얕게 도프된(N-) 에피택셜 층이다. 다른 한 실시 예에서, 상기 에피택셜 층(14)의 도핑 농도는 1x1016/㎤ 내지 5x1017/㎤ 일 수 있다. 변형 실시 예들에서, 상기 에피택셜 층(14)의 두께(14t)는 2.0㎛ 내지 8.0㎛ 일 수 있다.
상기 보디 영역들(16)은 각각 상기 에피택셜 층(14) 내에 위치해 있다. 한 실시 예에서, 상기 보디 영역들(16)은 P-형이 도프된 영역과 같은 제2 도전 형태를 지니는 도프된 영역이다. 일부 실시 예들에서, 상기 기판(12) 및 상기 에피택셜 층(14)은 동일한 도전 형태를 지니며, 상기 보디 영역(16) 및 상기 에피택셜 층(14)은 상이한 도전 형태를 지닌다. 다른 한 실시 예에서, 상기 보디 영역들(16)의 도핑 농도는 1x1017/cm3 내지 5x1017/cm3 일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 보디 영역(16)의 바닥 표면은 제1 거리(D1)만큼 상기 실리사이드 층(18)의 바닥 표면으로부터 분리되어 있고, 상기 보디 영역(16)의 측면은 제2 거리(D2)만큼 상기 실리사이드 층(18)의 측면으로부터 분리되어 있다. 변형 실시 예들에서, 상기 제1 거리(D1)는 0.5 ㎛ 내지 2.0 ㎛ 일 수 있고; 상기 제2 거리(D2)는 0.1 ㎛ 내지 0.5 ㎛ 일 수 있다. 다른 실시 예들에서, 피치(P)는 인접한 2개의 보디 영역(16) 사이에 포함되어 있고, 상기 피치(P)는 2㎛ 및 3㎛ 사이에 있을 수 있다.
상기 게이트 구조들(20)은 상기 보디 영역들(16) 사이의 에피택셜 층(14)(또는 기판(12)) 상에 위치해 있고, 상기 게이트 구조들(20)은 또한 상기 보디 영역들(16)의 일부를 덮는다. 일부 실시 예들에서, 상기 게이트 구조들(20)은 게이트 재료 층을 패터닝하여 서로 분리된 복수 개의 게이트 구조들(20)을 형성함으로써 형성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 게이트 구조(20)는 게이트 유전체 층(22) 및 게이트(24)를 포함할 수 있다. 상기 게이트 유전체 층(22)은 상기 게이트(24) 및 상기 에피택셜 층(14) 사이에 위치해 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 게이트 유전체 층(22)은 SiO2, HfO2, BaTiO3, ZrO2, SiON 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 게이트 유전체 층(22)은 30Å 내지 200Å의 두께를 지닌다. 그러나 본 발명은 이에 국한되지 않는다. 다른 실시 예들에서, 상기 게이트 유전체 층(22)의 두께는 온-상태 임계 전압을 낮추기 위해 감소될 수 있다. 상기 게이트(24)는 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 상기 게이트(24)는 1.5㎛ 내지 2.0㎛의 폭을 지닌다.
상기 실리사이드 층(18)은 상기 게이트 구조들(20)의 상부 표면들 및 측벽들을 덮고 상기 보디 영역들(16)의 상부 표면들을 덮도록 연장된다. 일부 실시 예들에서, 상기 실리사이드 층(18)은 PtSi, TiSi, NiSi, MoSi, WSi, CoSi 또는 이들의 조합을 포함한다. 상기 실리사이드 층(18)은 실질적으로 동일한 두께를 지니는 컨포멀(conformal) 층으로서 언급될 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 실리사이드 층(18)은 300Å 내지 700Å의 두께(18t)를 지닐 수 있다.
상기 상호접속 층(26)은 상기 게이트 구조들(20) 상에 위치해 있으며 인접한 2개의 게이트 구조(20) 사이의 공간을 채워 수직 전도 채널(15)을 형성한다. 일부 실시 예들에서, 상기 상호접속 층(26)은 금속 재료를 포함하며, 이는 예를 들어 알루미늄, 구리, 알루미늄 구리 등과 같은 적절한 재료일 수 있다. 다른 한 실시 예에서, 상기 수직 전도 채널(15)의 폭(15w)은 0.4㎛ 및 0.6㎛ 사이에 있을 수 있다. 변형 실시 예들에서, 상기 상호 접속 층(26)은 애노드(anode)로서 간주될 수 있다.
상기 금속 층(28)은 상기 기판(12)의 배면(12b) 상에 위치해 있으며 상기 기판(12)의 배면(12b)에 접속되어 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 금속 층(28)은 금속 재료를 포함하며, 이는 예를 들어 알루미늄, 구리, 알루미늄 구리 등일 수 있다. 변형 실시 예들에서, 금속 층(28)은 캐소드(cathod)로서 간주될 수 있다.
여기서 유념해야 할 점은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 보디 영역들(16)과 접촉하고 있는 실리사이드 층(18)은 측면 전도 실리사이드 구조(32)로 간주될 수 있다. 상기 게이트 구조(20) 아래의 보디 영역(16)은 채널(17)로서 간주될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 상기 채널(17)은 상기 측면 전도 실리사이드 구조(32)의 측면, 상기 보디 영역(16)의 측면 및 상기 게이트 유전체 층(22)의 바닥 표면에 의해 한정된 영역이다. 다른 한 실시 예에서, 채널(17)의 길이는 0.5㎛ 미만일 수 있다. 추가로, 상기 보디 영역(16)(또는 채널(17))은 상기 에피택셜 층(14)과 접촉하여 전계 효과 접합 구조(34)를 형성할 수 있다. 본 실시 예에서, 상기 EFESD(30a)는 측면 전도 실리사이드 구조(32) 및 접합 구조(34)를 포함할 수 있으며 이들은 나란히 합체되어 있다. 상기 상호접속 층(26)은 상기 측면 전도 실리사이드 층(32), 상기 전계 효과 접합 구조(34), 및 상기 상호접속 층(26)의 전위가 동등해지도록 상기 측면 전도 실리사이드 구조(32) 및 상기 전계 효과 접합 구조(34)를 전기적으로 접속시킨다. 다른 실시 예들에서, 상기 전계 효과 접합 구조(34)에 대한 상기 측면 전도 실리사이드 구조(32)의 접속은 모놀리식으로 집적되는 것으로 간주될 수 있다.
한 실시 예에서, 상기 측면 전도 실리사이드 구조(32)는 전도가 이루어질 때 단극 캐리어 소스를 제공할 수 있다. 상기 EFESD(30a)의 전류 경로(11)는 상기 실리사이드 층(18), 상기 보디 영역(16)(또는 상기 채널(17)), 상기 에피택셜 층(14), 및 상기 기판(12)을 통해 상기 상호접속 층(26)(다시 말하면, 애노드)에서부터 상기 금속 층(28)(다시 말하면, 캐소드)에 이르기 까지의 경로일 수 있다. 다른 한 실시 예에서, 상기 EFESD(30a)의 전류 경로(11)는 상기 수직 전도 채널(15)로부터 측면 전도 채널(31)로 만곡된 다음에, 상기 금속 층(28)(다시 말하면, 캐소드)에 대한 다른 한 수직 전도 채널(19)로 만곡된다. 상기 측면 전도 채널(31)은 전압이 상기 게이트(24)에 인가될 때 상기 게이트 유전체 층(22) 아래에 생성되는 반전 층 때문에 만들어진 것이다. 구체적으로는, 순방향 바이어스의 경우에, 상기 반전 층은 채널(17)에서 형성된다. 상기 반전 층은 에너지 밴드를 만곡시키고 장벽 높이를 낮추어서 상기 순방향 전압을 감소시킬 수 있다. 변형 실시 예들에서, 상기 순방향 전압은 0.78V 및 0.60V 사이에 있을 수도 있고 0.60V 미만일 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 상기 EFESD(30a)는 0.6V의 순방향 전압에서 약 500A/cm2의 전류 밀도를 지니며, -18 V의 역방향 전압에서 약 50μA/cm2의 역방향 전류 밀도를 지닌다. 고정 전압에서, 역방향 바이어스 전류에 대한 순방향 바이어스 전류의 비(다시 말하면, IF@0.6V / IR@-18V)는 1x 107 일 수 있다. 비교해 보면, 시판중인 슈퍼 배리어 정류기(Super Barrier Rectifier; SBR)는 0.6V의 순방향 전압에서 약 300A/cm2의 전류 밀도를 지니고, -18V의 역 전압에서 약 100μA/cm2의 역 전류 밀도를 지니며, 다시 말하면 종래의 SRB의 역방향 바이어스 전류에 대한 순방향 바이어스 전류의 비(다시 말하면, IF@0.06V / IR@-18V)는 단지 3x106일 수 있다. 다시 말하면, 본 실시 예의 EFESD(30a)는 상당히 높은 고정 전압에서의 역방향 바이어스 전류에 대한 순방향 바이어스 전류의 비를 지니고, 그럼으로써 상기 SBR과 같은 종래의 정류 소자들보다 양호한 정류 능력을 나타낸다.
변형 실시 예들에서, 상기 EFESD(30a)의 보디 영역들(16)의 도핑 농도가 종래의 SBR의 보디 영역들의 도핑 농도와 동일할 때, 상기 EFESD(30a)의 누설 전류는 고정 역 전압에서 상기 SBR의 누설 전류보다 작다. 다시 말하면, 상기 EFESD(30a)와 상기 SBR이 동일한 정류 능력, 다시 말하면 고정 전압에서 순방향 바이어스 전류 대 역방향 바이어스 전류의 동일한 비율을 지니도록 설계되면, 본 실시 예의 EFESD(30a)의 보디 영역들(16)의 도핑 농도는 상기 SBR의 보디 영역들의 도핑 농도보다 낮아지게 된다. 다시 말하면, 본 실시 예에서는, 상기 EFESD(30a)의 상대적으로 낮은 도핑 농도를 지니는 보디 영역들은 종래의 SBR과 동일한 장벽 높이를 달성할 수 있다. 상기 보디 영역들의 도핑 농도가 감소함에 따라, 채널 상의 턴-온 전압도 감소한다. 그러므로 본 실시 예의 EFESD(30a)는 종래의 정류 소자에 비해 브레이크다운 전압(breakdown voltage)이 상대적으로 크게 된다. 다른 한 실시 예에서, 상기 EFESD(30a)는 20V 및 25V 사이의 브레이크다운 전압을 지닐 수 있다. 또한, 상대적으로 낮은 도핑 농도를 지니는 보디 영역들은 본 실시 예가 동일한 정류 능력을 달성하기 위해 상기 보디 영역들의 면적을 감소시킬 수 있음을 나타낸다. 상기 보디 영역들의 면적이 감소함에 따라, 상기 EFESD(30a)의 전류 집중 효과(current crowding effect)는 감소한다. 이 경우, 본 실시 예의 EFESD(30a)는 효과적으로 정류 효율을 개선하도록 셀 밀도를 증가시킬 수 있다. 다른 실시 예들에서, 상기 실리사이드 층(18)은 상기 보디 영역들(16)을 형성하도록 자기 정렬된다. "자기 정렬(self-alignment)"이라는 용어는 상기 실리사이드 층(18)이 추가적인 리소그래피 및 에칭 프로세스 없이 상기 보디 영역들(16)에 정렬될 수 있음을 의미한다. 그러므로 본 실시 예의 실리사이드 층(18)은 프로세스 변화에 영향을 받지 않고 형성될 수 있는데, 이는 프로세스 윈도우를 증가시키고 더 많은 셀이 단위 영역에 집적되는 것을 허용할 수 있다.
본 발명의 달성 능력을 입증하기 위해, 하기 예 1을 들어 본 발명의 EFESD를 부연 설명한다.
구체적으로, 예 1의 칩은 본 발명의 EFESD(그 구조는 도 1에 도시됨)를 포함하며, 비교 예 1의 칩은 시판중인 SBR을 포함한다. 다음에, 예 1의 칩 및 비교 예 1의 칩에 대해 각각 전기 측정이 수행되며, 전류 및 전압 곡선(다시 말하면, IV 곡선)의 결과들은 도 4a 및 도 4b에 나타나 있다.
도 4a를 참조하면, 예 1의 칩이 비교 예 1의 칩과 동일한 칩 면적을 지니는 경우, 예 1의 칩의 순방향 전류 밀도는 0.42V보다 큰 순방향 전압에서 비교 예 1의 순방향 전류 밀도보다 크다. 다른 한편으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 예 1의 칩 및 비교 예 1의 칩이 동일한 칩 면적을 지니는 경우, 예 1의 칩의 역 전류 밀도는 비교 예 1의 칩의 역 전류 밀도보다 작다. 다시 말하면, 예 1의 칩은 상대적으로 높은 순방향 전류 밀도 및 상대적으로 낮은 누설 전류를 지닌다. 그러므로 본 발명의 EFESD는 시판중인 SBR보다 양호한 정류 능력을 지닌다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 정류기 장치를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제2 실시 예의 정류 소자(10b)는 기본적으로 제1 실시 예의 정류 소자(10a)와 유사하다. 동일한 부재의 구성 및 재료들은 상기 실시 예에서 구체적으로 기재되었으므로 반복하여 기재하지 않을 것이다. 이들 간의 차이점은 상기 제2 실시 예의 정류 소자(10b)가 EFESD(30b)를 포함한다는 것이다. 상기 EFESD(30b)의 상호접속 층(26)은 상기 실리사이드 층(18)을 관통하여 상기 보디 영역들(16)과 접촉한다. 구체적으로는, 상기 실리사이드 층(16)을 형성한 후에, 상기 실리사이드 층(18)의 일부를 제거하여 상기 보디 영역들(16)의 상부 표면들을 노출시킨다. 그 다음에, 상기 상호접속 층(26)은 인접한 2개의 게이트 구조(20) 사이의 공간을 채우도록 형성되고, 그럼으로써 상기 상호접속 층(26)이 상기 보디 영역들(16)과 접촉하게 된다.
도 3은 본 발명의 한 실시 예에 따른 정류기를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 3을 참조하면, 정류기(100)는 베이스(102), 리드 구조(104) 및 정류기 칩(106)을 포함한다. 상기 베이스(102)는 수용 공간(102a)을 지닌다. 한 실시 예에서, 상기 베이스(102)는 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금을 포함하지만, 본 발명은 이들에 국한되지 않는다. 상기 리드 구조(104)는 상기 수용 공간(102a) 상에 배치된다. 상기 정류기 칩(106)은 상기 베이스(102)의 수용 공간(102a)에 배치되고 상기 베이스(102) 및 상기 리드 구조(104)와 각각 전기 접촉한다. 본 실시 예에서, 상기 정류기 칩(106)은 상기 EFESD들(30a, 30b) 중 어느 하나를 포함한다. 상기 EFESD들(30a, 30b)의 구조 및 재료들은 상기 실시 예들에서 구체적으로 기재되었으므로 반복하여 기재하지 않을 것이다. 상기 베이스(102) 및 상기 리드 구조(104)는 각각 외부 회로들에 접속될 수 있다. 본 실시 예에서, 상기 정류기(100)는 예를 들어 교류(AC)를 직류(DC)로 정류하고 이를 자동차 시스템의 다양한 전기 장치 및 배터리로 전송하기 위해 차량용 발전기 상에 배치될 수 있다.
본 실시 예에서, 상기 베이스(102)의 주변부(102b)는 예를 들어 원형, 정사각형 또는 육각형이지만, 이들에 국한되지 않으며, 다른 다각형 형상 또는 불규칙한 형상일 수 있다. 상기 베이스(102)의 수용 공간(102a)은 상기 주변부(102b)의 형상에 대응할 수도 있고 대응하지 않을 수도 있으며, 상기 수용 공간(102a)은 예를 들어 정사각형, 원형 또는 육각형일 수 있다. 다른 한 실시 예에서, 상기 베이스(102)의 주변부(102b)는 또한 방열 면적을 증가시키고 압입 연결 기법을 사용하여 상기 차량용 발전기에 상기 정류기(100)를 장착함으로써 발생하는 상기 정류기(100)의 응력(stress)을 분산시키기 위해 기어(gear)형 프로파일을 지닐 수 있으며, 그럼으로써 상기 베이스(102) 내 상기 정류기 칩(106)이 손상되지 않게 하거나 상기 베이스(102) 내 상기 정류기 칩(106)에 결함이 없게 한다. 본 실시 예의 베이스(102)는 구리 베이스, 순수 알루미늄 베이스 또는 알루미늄 합금 베이스일 수 있다.
본 실시 예에서, 상기 리드 구조(104)는 베이스 부분(104a) 및 리드(104b)를 포함하며, 상기 베이스 부분(104a)은 상기 정류기 칩(106)의 상부 표면(106a)과 직접 접촉할 수도 있고, 변형적으로는 상기 베이스 부분(104a)은 상기 정류기 칩(106) 및 상기 리드 구조(104) 사이에 배치된 전도성 접착제 층(110b)을 통해 상기 정류기 칩(106)에 전기적으로 접속될 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 리드 구조(104)의 상기 베이스 부분(104a)의 바닥 표면(104c)의 형상은 정사각형, 원형 또는 육각형과 같은 상기 정류기 칩(106)의 형상에 대응할 수도 있고 대응하지 않을 수도 있다. 상기 리드 구조(104)의 재료는 예를 들어, 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금(예컨대, 알루미늄 합금)일 수 있다. 다른 한 실시 예에서, 상기 리드 구조(104)의 상기 베이스 부분(104a)의 영역은 상기 베이스(102)의 수용 공간(102a)의 바닥(102c)의 영역보다 실질적으로 작거나 같다.
도 3을 참조하면, 본 실시 예에서, 상기 정류기 칩(106)의 바닥 표면(106b)은 상기 베이스(102)와 직접 접촉할 수도 있고, 변형적으로는 상기 정류기 칩(106)의 바닥 표면(106b)은 상기 정류기 칩(106) 및 상기 베이스(102) 사이에 배치된 전도성 접착제 층(110a)을 통해 상기 베이스(102)에 전기적으로 접속될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 전도성 접착제 층들(110a, 110b)은 납-주석 땜납과 같은, 당 업계에서 일반적으로 사용되는 땜납들이다.
추가로, 상기 정류기(100)는 상기 수용 공간(102a) 내 상기 정류기 칩(106) 및 상기 리드 구조(104)의 일부를 캡슐화하기 위한 봉합재(encapsulant)(108)를 지닐 수도 있다. 상기 봉합재(108)는 예를 들어 에폭시 수지, 비페닐 수지, 불포화 폴리에스테르 또는 세라믹 재료일 수 있다. 추가로, 상기 봉합재(108)의 경우, 상기 수용 공간(102a)의 벽은 내부로 연장되는 로킹 구조(locking structure; 102d)를 지닐 수 있다. 상기 로킹 구조(102d)는 상기 봉합재(108)를 고정시키고, 그럼으로써 상기 정류기(100)의 전체 패키지 신뢰도 및 수명을 개선할 수 있다. 상기 로킹 구조(102d)는 예를 들어 상기 수용 공간(102a)의 벽 상에 분산된 복수 개의 돌출 구조들 또는 연속 환형 구조일 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시 예에서, 차량용 발전기 장치가 제공되며 상기 차량용 발전기 장치는 발전기에 의해 제공되는 교류 전압을 정류하기 위한 정류기를 포함한다. 상기 정류기는 상기 EFESD들(30a, 30b) 중 어느 하나를 포함한다. 차량용 발전기 장치의 일부 실시 예들에서, 상기 EFESD는 종래의 SBR의 로드 덤프(load dump) 보호 능력보다 양호한 로드 덤프 보호 능력을 지닌다. 차량용 발전기 장치의 다른 실시 예들에서, 상기 EFESD는 종래의 SBR의 전력 손실보다 낮은 전력 손실을 지닌다. 상기 EFESD의 전력 손실은 100A의 순방향 전류(다시 말하면, 순방향 전압 VF = 0.55V이고 순방향 전류 IF = 100A임)에서의 동일한 칩 영역 및 패키지 조건하에서 15% 이상만큼 종래의 SBR의 전력 손실보다 낮다. 변형 실시 예들에서, 상기 차량용 발전기 장치는 권선 모터, 영구 자석 모터 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예들에서, 차량용 동력 전달 장치는 발전기에 의해 제공되는 교류 전압을 정류하기 위한 정류기를 지니는 차량용 발전기 장치를 포함한다. 상기 정류기는 상기 EFESD들(30a, 30b) 중 어느 하나를 포함한다. 변형 실시 예들에서, 차량용 동력 전달 장치는 아이들 스톱 스타트(idle stop start; ISS) 시스템, 벨트 구동 스타터 발전기(belt driven starter generator; BSG) 시스템, 및 집적 스타터 발전기(integrated starter generator; ISG) 시스템, 또는 이들의 조합을 포함한다. 다시 말하면, 본 실시 예의 정류기는 연료 차량뿐만 아니라 하이브리드 전기 차량 또는 전기 차량에도 적용될 수 있다.
요약하면, 본 발명에서, 측면 전도 실리사이드 구조 및 전계 효과 접합 구조는 상기 EFESD를 형성하기 위해 나란히 집적된다. 순방향 바이어스에서, 반전 층은 채널 내에 형성되고, 상기 반전 층은 에너지 밴드를 만곡시키고 장벽 높이를 낮추어서 전도 상태를 형성할 수 있다. 추가로, 역방향 바이어스에서는, 상기 채널을 폐쇄하기 위해 상기 채널 내에 공핍(depletion) 층을 형성함으로써 누설 전류를 감소시킨다. 이 경우에, 본 실시 예의 EFESD는 높은 순방향 전류 밀도 및 낮은 누설 전류를 지니는데, 다시 말하면 이는 상대적으로 양호한 정류 능력을 지닌다. 또한, 본 실시 예의 EFESD는 상기 보디 영역의 면적을 감소시키고 셀 밀도를 효과적으로 증가시킴으로써 전도 저항이 낮고 누설 전류가 낮은 효과들을 달성할 수 있다.

Claims (18)

  1. 차량 교류 발전기용 정류기 장치로서,
    상기 정류기 장치는,
    교류 발전기에서 정류하기 위한 정류 소자
    를 포함하며,
    상기 정류 소자는,
    EFESD(Enhanced Field Effect Semiconductor Diode)를 지니고,
    상기 EFESD는,
    보디 영역;
    상기 보디 영역에 전도하는 측면 전도 실리사이드 구조를 포함하는 실리사이드 층;
    전계 효과 접합 구조 - 상기 측면 전도 실리사이드 구조 및 전계 효과 접합 구조가 나란히 집적되고 상기 측면 전도 실리사이드 구조는 전도가 이루어질 때 단극(uni-polar) 캐리어 소스를 제공함 -;
    상기 측면 전도 실리사이드 구조 및 상기 전계 효과 접합 구조를 전기적으로 접속하는 상호접속 층 - 상기 측면 전도 실리사이드 구조, 상기 전계 효과 접합 구조 및 상기 상호접속 층은 동일한 전위이고, 상기 상호접속 층은 상기 EFESD의 애노드로서 작용하게 됨 -;
    기판 - 상기 보디 영역이 상기 측면 전도 실리사이드 구조 및 상기 기판 사이에 배치됨; 및
    상기 기판 하부에 배치된 금속 층 - 금속 층은 상기 EFESD의 캐소드로서 작용하게 됨 -;
    을 포함하는, 정류기 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 EFESD는,
    서로 대향하는 정면 및 배면을 지니는 상기 기판;
    상기 기판의 정면상에 배치된 에피택셜 층;
    상기 에피택셜 층 내에 배치된 상기 보디 영역 - 상기 기판 및 상기 에피택 셜 층이 동일한 도전 형태를 지니며, 상기 보디 영역 및 상기 에피택셜 층이 상이한 도전 형태를 지님 -;
    상기 에피택셜 층상에 배치된 게이트로서, 인접한 2개의 게이트 사이에는 수직 전도 채널이 포함되고, 상기 수직 전도 채널은 상기 보디 영역에 대응함 -;
    상기 게이트 및 상기 에피택셜 층 사이에 배치된 게이트 유전체 층; 및
    상기 게이트의 상부 표면 및 측벽을 덮고 상기 상호접속 층 및 상기 보디 영역 사이에서 연장되는 상기 실리사이드 층;
    을 포함하는, 정류기 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 EFESD의 전류 경로는 상기 애노드에서부터 상기 실리사이드 층, 상기 보디 영역, 상기 에피택셜 층 및 상기 기판을 통해 상기 캐소드에 이르기까지이며,
    상기 전류 경로는 상기 수직 전도 채널로부터 측면 전도 채널로 만곡되고, 상기 측면 전도 채널은 순방향 바이어스가 상기 게이트에 인가될 때 상기 게이트 유전체 층 아래에 생성된 반전 층으로부터 생기게 되는, 정류기 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    채널은 상기 측면 전도 실리사이드 구조의 측면, 상기 보디 영역의 측면 및 상기 게이트 유전체 층의 바닥 표면에 의해 한정되는 영역이고, 상기 채널의 길이는 0.5 ㎛ 미만이며,
    순방향 바이어스일 경우에는 상기 채널 내에 반전 층이 형성되고 상기 반전 층은 에너지 밴드를 만곡시키고 장벽 높이를 낮추어서 순방향 전압을 감소시킬 수 있는, 정류기 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 기판은 Si, SiC, GaN 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 게이트는 폴리실리콘 또는 금속을 포함하며, 상기 게이트 유전체 층은 SiO2, HfO2, BaTiO3, ZrO2, SiNO 또는 이들의 조합을 포함하는, 정류기 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 실리사이드 층은 PtSi, TiSi, NiSi, MoSi, WSi, CoSi 또는 이들의 조합 을 포함하는, 정류기 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 상호접속 층은 상기 보디 영역과 접촉하도록 상기 실리사이드 층을 부가적으로 관통하는, 정류기 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 게이트 유전체 층의 두께가 감소하면 임계 전압이 감소하고,
    상기 보디 영역의 도핑 농도가 감소하면 채널 상의 턴-온 전압이 감소하며,
    상기 보디 영역의 면적이 감소하고 얕은 깊이를 지닐 때 셀 밀도를 증가시키도록 상기 EFESD의 전류 집중 효과가 감소하는, 정류기 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 정류 소자는 전류가 500A/cm2 에서 상기 EFESD를 통해 흐를 때 0.6V 미만의 전도 상태 전압을 지니며,
    상기 EFESD의 역방향 전류 밀도는 -18V의 역방향 전압에서 50μA/cm2 미만이고,
    상기 EFESD의 순방향 전류 밀도는 0.6V의 순방향 전압에서 500A/cm2 보다 큰, 정류기 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 실리사이드 층은 상기 보디 영역과 자기 정렬되고, 그럼으로써 셀들이 단위 면적 내에 집적되는, 정류기 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 EFESD의 보디 영역의 도핑 농도가 슈퍼 배리어 정류기(Super Barrier Rectifier; SBR)의 보디 영역의 도핑 영역과 동일할 때 상기 EFESD의 누설 전류는 고정 역방향 전압에서 상기 SBR의 누설 전류보다 작은, 정류기 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전계 효과 접합 구조에 대한 상기 측면 전도 실리사이드 구조의 접속은 모놀리식으로 집적되는, 정류기 장치.
  13. 차량용 정류기에 있어서,
    상기 차량용 정류기는,
    수용 공간을 지니는 베이스;
    상기 수용 공간상에 배치된 리드 구조; 및
    상기 베이스 및 상기 리드 구조 사이에 배치되고 상기 리드 구조 및 상기 베이스를 전기적으로 접촉시키는 정류기 칩;
    을 포함하며,
    상기 정류기 칩은 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 EFESD를 포함하는, 차량용 정류기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 베이스는 Cu, Al 또는 이들의 합금을 포함하는, 차량용 정류기.
  15. 차량용 발전기 장치에 있어서,
    상기 차량용 발전기 장치는,
    발전기에 의해 제공된 교류 전압을 정류하는 정류기;
    를 포함하며,
    상기 정류기는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 EFESD를 포함하는, 차량용 발전기 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 발전기 장치는 권선 모터, 영구 자석 모터, 또는 이들의 조합을 포함하는, 차량용 발전기 장치.
  17. 차량용 동력 전달 장치에 있어서,
    상기 차량용 동력 전달 장치는,
    발전기에 의해 제공된 교류 전압을 정류하는 정류기를 지니는 발전기 장치;
    를 포함하며,
    상기 정류기는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 EFESD를 포함하는, 차량용 동력 전달 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 차량용 동력 전달 장치는 아이들 스톱 스타트(idle stop start; ISS) 시스템, 벨트 구동 스타터 발전기(belt driven starter generator; BSG) 시스템, 집적 스타터 발전기(integrated starter generator; ISG) 시스템, 또는 이들의 조합을 포함하는, 차량용 동력 전달 장치.
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