專利名稱：一種單片集成功率半導(dǎo)體器件的固體繼電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及固體繼電器，尤其是一種集成了功率半導(dǎo)體器件的固體繼電器。
背景技術(shù)：
固體繼電器(Solid State Relays, SSR)是一種無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān),它利用電子元件(如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體元件)的開關(guān)特性，可達(dá)到無(wú)觸 點(diǎn)無(wú)火花地接通和斷開電路的目的，在其輸入端加上直流或脈沖信號(hào)，輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)(無(wú)信號(hào)時(shí)呈阻斷狀態(tài))，即當(dāng)輸入端控制腳之間施加低電壓時(shí)，固體繼電器導(dǎo)通，而當(dāng)控制腳之間的施加電壓撤銷則固體繼電器斷開，從而控制輸出端的較大負(fù)載，達(dá)到“弱電”控制“強(qiáng)電”的目的。普通型固體繼電器由于在輸出端使用了雙極型晶體管或者雙向可控硅等半導(dǎo)體元件，因?yàn)殡p極型晶體管或者雙向可控硅等半導(dǎo)體元件需要直流偏置電壓，致使這類固體繼電器無(wú)法控制小于幾百毫伏的微電壓或模擬信號(hào)。而光MOS繼電器在其輸出端使用了功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOS)場(chǎng)效應(yīng)管，而MOS器件無(wú)需直流偏置電壓，故光MOS繼電器可以不失真地控制微電壓信號(hào)和模擬信號(hào)。這種器件除了具有半導(dǎo)體繼電器的諸多優(yōu)點(diǎn)，如壽命長(zhǎng)、可靠性高、靈敏度高、導(dǎo)通穩(wěn)定等之外，還綜合了機(jī)械式繼電器的各種特長(zhǎng)，如輸入、輸出之間完全絕緣、耐壓高、輸出線性好等等?，F(xiàn)有的光MOS繼電器，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，通常包括LED控制光部分、光伏陣列PDA部分、控制電路部分和輸出端功率半導(dǎo)體器件。美國(guó)專利號(hào)4804866介紹了一種光MOS繼電器，其基本原理為“將一個(gè)控制裝置連接到光伏二極管陣列與輸出金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管的柵極之間，從而使控制裝置在光伏輸出時(shí)處于高阻狀態(tài)，在光伏輸出消失時(shí)處于低阻狀態(tài)，以便光伏二極管陣列產(chǎn)生的充電電流流向輸出端金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管的柵極”。專利中提到的控制裝置就是加速泄放電路，采用了 N溝道JFET (常閉器件)、二極管及NPN三極管、二極管、電阻組合而成。工藝上其采用的是V型槽隔離方法實(shí)現(xiàn)了光伏二極管陣列與控制電路的單片集成，很好的實(shí)現(xiàn)了固體繼電器的控制功能。類似的專利還包括美國(guó)專利號(hào)5151602、美國(guó)專利號(hào)5278422和公開號(hào)CN1728553A等等。其共同點(diǎn)是采用V型槽隔離方式將光伏二極管陣列與控制電路單片集成，控制電路的輸出端口再外接單片功率MOS元件的柵源端。上述多個(gè)技術(shù)方案均只能將光伏二極管陣列與控制電路進(jìn)行單片集成，然后將LED芯片、光伏二極管陣列與控制電路集成芯片與功率MOS芯片進(jìn)行多芯片封裝，未能實(shí)現(xiàn)光伏二極管陣列、控制電路和功率MOS器件三者的單片集成，由于多芯片增加了封裝的難度，并且控制電路和功率MOS器件的非單片集成會(huì)增加寄生效應(yīng)，降低了整個(gè)固體繼電器的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種單片集成功率半導(dǎo)體器件的固體繼電器，該固體繼電器通過(guò)將固體繼電器中的光伏二極管陣列、控制電路和功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行單片集成，降低了固體繼電器的封裝難度，減少了器件的寄生效應(yīng)，并提高了器件的可靠性。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種單片集成功率半導(dǎo)體器件的固體繼電器，如圖2所示，包括一個(gè)光電池陣列、一個(gè)控制電路和一個(gè)輸出端功率半導(dǎo)體器件；所述光電池陣列、控制電路和輸出端功率半導(dǎo)體器件集成于同一襯底上。所述光電池陣列由若干個(gè)光電池組成，每個(gè)光電池單獨(dú)處于襯底的一個(gè)V型槽內(nèi)，光電池之間通過(guò)金屬連接形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)；所述光電池陣列在耦合光輸入控制信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生光伏輸出信號(hào)并提供給所述控制電路。
所述控制電路由雙極型晶體管和二極管組成，每個(gè)雙極型晶體管或二極管單獨(dú)處于襯底的一個(gè)V型槽內(nèi)，控制電路內(nèi)部器件之間通過(guò)金屬連接；所述控制電路對(duì)輸出端功率半導(dǎo)體器件的柵源電容的充放電進(jìn)行控制。所述輸出端功率半導(dǎo)體器件作為整個(gè)固體繼電器的輸出元件，單獨(dú)處于襯底的一個(gè)V型槽內(nèi)；其柵極接所述控制電路的輸出端，源極接地，漏極作為整個(gè)固體繼電器的輸出端。上述技術(shù)方案中，所述襯底結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括N型半導(dǎo)體襯底321、位于N型半導(dǎo)體襯底321表面的第一 SiO2氧化層322、位于第一 SiO2氧化層322表面的多晶娃層320、位于多晶娃層320表面的第二 SiO2氧化層301、位于第二 SiO2氧化層301表面的N+埋層302、位于N+埋層302表面的N-層303 ;其中多晶硅層320、第二 SiO2氧化層301和N+埋層302表面具有縱橫交錯(cuò)的“倒V字形”隆起結(jié)構(gòu)，將N-層303隔離成V型槽陣列結(jié)構(gòu)。圖4所示襯底結(jié)構(gòu)的制備工藝如圖5所示，包括以下步驟步驟I :在一塊N-型半導(dǎo)體襯底303表面刻蝕縱橫交錯(cuò)的“V字形”溝槽320 ；步驟2 :在具有“V字形”溝槽320的N-型半導(dǎo)體襯底303表面沉積一層N+埋層302 ；步驟3 :在N+埋層302表面熱氧化生成第二 SiO2氧化層301 ；步驟4 :在第二 SiO2氧化層301表面沉積多晶硅層320 ；步驟5 :采用另一塊表面具有第一 SiO2氧化層322的N型半導(dǎo)體襯底321，將多晶硅層320與第一 SiO2氧化層322進(jìn)行鍵合；步驟6 :將N-型半導(dǎo)體襯底303背面減薄形成相互隔離的V型槽陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是在現(xiàn)有的基于V型槽結(jié)構(gòu)的光MOS繼電器的基礎(chǔ)上，在同一襯底的V型槽底部引入N+埋層，使得VDM0S、LDM0S或LIGBT等功率半導(dǎo)體器件能夠與光電池陣列和控制電路集成于同一襯底，從而有效地減小了固體繼電器的封裝難度，減少了器件的寄生效應(yīng)，并提高了器件的可靠性。與主流技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I、本發(fā)明在一般V型槽基礎(chǔ)上引入N+埋層結(jié)構(gòu)使得VDMOS、LDMOS或LIGBT等功率半導(dǎo)體器件能夠與光電池陣列和控制電路集成于同一襯底；2、本發(fā)明所集成的VDM0S、LDM0S或LIGBT等功率半導(dǎo)體器件可以通過(guò)調(diào)整V型槽腐蝕深度和版圖面積來(lái)調(diào)節(jié)器件耐壓和導(dǎo)通電阻，應(yīng)用較為靈活；
3、本發(fā)明提供的單片集成功率半導(dǎo)體器件的固體繼電器可以效地減小封裝難度和成本，降低寄生效應(yīng)，并提聞可罪性。


圖I為光MOS繼電器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明提供的固體繼電器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例提供的固體繼電器剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明提供的固體繼電器中襯底結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明提供的固體繼電器中襯底結(jié)構(gòu)的制備工藝示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的單片集成功率半導(dǎo)體器件的固體繼電器，其版圖結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括一個(gè)光電池陣列、一個(gè)控制電路和一個(gè)輸出端功率半導(dǎo)體器件；所述光電池陣列、控制電路和輸出端功率半導(dǎo)體器件集成于同一襯底上；所述光電池陣列由若干個(gè)光電池組成，每個(gè)光電池單獨(dú)處于襯底的一個(gè)V型槽內(nèi)，光電池之間通過(guò)金屬連接形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)；所述光電池陣列在耦合光輸入控制信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生光伏輸出信號(hào)并提供給所述控制電路；所述控制電路由雙極型晶體管和二極管組成，每個(gè)雙極型晶體管或二極管單獨(dú)處于襯底的一個(gè)V型槽內(nèi)，控制電路內(nèi)部器件之間通過(guò)金屬連接；所述控制電路對(duì)輸出端功率半導(dǎo)體器件的柵源電容的充放電進(jìn)行控制；所述輸出端功率半導(dǎo)體器件作為整個(gè)固體繼電器的輸出元件，單獨(dú)處于襯底的一個(gè)V型槽內(nèi)；其柵極接所述控制電路的輸出端，源極接地，漏極作為整個(gè)固體繼電器的輸出端。圖2中光電池陣列中單個(gè)光電池為光伏二極管結(jié)構(gòu)，單個(gè)光伏二極管101由陽(yáng)極103和陰極102構(gòu)成，陽(yáng)極103為P+型摻雜，陰極102在N-阱內(nèi)經(jīng)由重?fù)诫s歐姆接觸形成；控制電路中104為NPN型三極管，105、106和107分別為NPN三極管的基極、發(fā)射極和集電極；108為PNP型三極管，109、110和111分別為PNP型三極管的發(fā)射極集電極和基極。輸出端功率半導(dǎo)體器件的源極為115，柵極為116，漏極為117。圖3為本發(fā)明提供的一種具體固體繼電器剖面結(jié)構(gòu)示意圖。其中A-A’段為圖2中光電池陣列內(nèi)沿A-A’的橫截面圖，201為V型的SiO2槽，202為位于槽上的N+埋層，203為槽內(nèi)的N-摻雜區(qū)，204為陰極N+歐姆接觸區(qū)，205為陽(yáng)極P+摻雜區(qū)，212為抗反射材料用于減少由LED產(chǎn)生的入射光的損失，213與214分別為光伏二極管的陰、陽(yáng)鋁金屬電極。B-B’段為圖2中控制電路內(nèi)沿B-B’的橫截面圖，201為V型的SiO2槽，202為位于槽上的N+埋層，203為槽內(nèi)的N-摻雜區(qū)，206為集電極N+歐姆接觸，207為發(fā)射極N+摻雜區(qū)，208為基極P型摻雜區(qū)，215、216和217分別為集電極、發(fā)射極和基極的鋁金屬電極。C-C’段為圖2中輸出端功率半導(dǎo)體器件(具體為VDMOS器件)內(nèi)沿C-C’的橫截面圖，201為V型的SiO2槽，202為位于槽上的N+埋層此處作為VDMOS的漏極，203為槽內(nèi)的N-摻雜區(qū)，209為源極N+摻雜區(qū)，210為P+摻雜區(qū)其與210短路連接抑制VDMOS的寄生效應(yīng)，211為P型摻雜區(qū)，此區(qū)的摻雜和結(jié)深決定了溝道的長(zhǎng)度和閾值電壓，218、219、220分別為VDMOS的漏極、源極和柵極金屬電極。另外所有的V型槽都位于多晶層221上。圖4為本發(fā)明提供的固體繼電器中襯底結(jié)構(gòu)示意圖。所述襯底包括N型半導(dǎo)體襯底321、位于N型半導(dǎo)體襯底321表面的第一 SiO2氧化層322、位于第一 SiO2氧化層322表面的多晶硅層320、位于多晶硅層320表面的第二 SiO2氧化層301、位于第二 SiO2氧化層301表面的N+埋層302、位于N+埋層302表面的N-層303 ;其中多晶硅層320、第二 SiO2氧化層301和N+埋層302表面具有縱橫交錯(cuò)的“倒V字形”隆起結(jié)構(gòu)，將N-層303隔離成V型槽陣列結(jié)構(gòu)。圖5為本發(fā)明提供的固體繼電器中襯底結(jié)構(gòu)的制備工藝示意圖。包括以下步驟步驟I :在一塊N-型半導(dǎo)體襯底303表面刻蝕縱橫交錯(cuò)的“V字形”溝槽320 ；
步驟2 :在具有“V字形”溝槽320的N-型半導(dǎo)體襯底303表面沉積一層N+埋層302 ；步驟3 :在N+埋層302表面熱氧化生成第二 SiO2氧化層301 ；步驟4 :在第二 SiO2氧化層301表面沉積多晶硅層320 ；步驟5 :采用另一塊表面具有第一 SiO2氧化層322的N型半導(dǎo)體襯底321，將多晶硅層320與第一 SiO2氧化層322進(jìn)行鍵合；步驟6 :將N-型半導(dǎo)體襯底303背面減薄形成相互隔離的V型槽陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的單片集成功率半導(dǎo)體器件的固體繼電器，將光電池陣列、控制電路和輸出端功率半導(dǎo)體器件集成于同一襯底上，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理和大功率輸出的不同功能的單片集成。和現(xiàn)有的固體繼電器架構(gòu)相比，在實(shí)現(xiàn)同樣功能的情況下，兩塊芯片集成在一起，從而縮小了整體的芯片面積，減小了寄生效應(yīng)，降低了封裝難度和成本，并提高了芯片應(yīng)用的可靠性。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單片集成功率半導(dǎo)體器件的固體繼電器，包括一個(gè)光電池陣列、一個(gè)控制電路和一個(gè)輸出端功率半導(dǎo)體器件；所述光電池陣列、控制電路和輸出端功率半導(dǎo)體器件集成于同一襯底上； 所述光電池陣列由若干個(gè)光電池組成，每個(gè)光電池單獨(dú)處于襯底的一個(gè)V型槽內(nèi)，光電池之間通過(guò)金屬連接形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)；所述光電池陣列在耦合光輸入控制信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生光伏輸出信號(hào)并提供給所述控制電路； 所述控制電路由雙極型晶體管和二極管組成，每個(gè)雙極型晶體管或二極管單獨(dú)處于襯底的一個(gè)V型槽內(nèi)，控制電路內(nèi)部器件之間通過(guò)金屬連接；所述控制電路對(duì)輸出端功率半導(dǎo)體器件的柵源電容的充放電進(jìn)行控制； 所述輸出端功率半導(dǎo)體器件作為整個(gè)固體繼電器的輸出元件，單獨(dú)處于襯底的一個(gè)V型槽內(nèi)；其柵極接所述控制電路的輸出端，源極接地，漏極作為整個(gè)固體繼電器的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單片集成功率半導(dǎo)體器件的固體繼電器，其特征在于，所述襯底包括N型半導(dǎo)體襯底(321)、位于N型半導(dǎo)體襯底(321)表面的第一 SiO2氧化層(322)、位于第一 SiO2氧化層(322)表面的多晶娃層(320)、位于多晶娃層(320)表面的第二 SiO2氧化層(301)、位于第二 SiO2氧化層(301)表面的N+埋層(302)、位于N+埋層(302)表面的N-層(303);其中多晶硅層(320)、第二 SiO2氧化層(301)和N+埋層(302)表面具有縱橫交錯(cuò)的“倒V字形”隆起結(jié)構(gòu)，將N-層(303)隔離成V型槽陣列結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單片集成功率半導(dǎo)體器件的固體繼電器，其特征在于，所述襯底的制備工藝包括以下步驟 步驟I :在一塊N-型半導(dǎo)體襯底(303)表面刻蝕縱橫交錯(cuò)的“V字形”溝槽(320)； 步驟2 :在具有“V字形”溝槽(320)的N-型半導(dǎo)體襯底(303)表面沉積一層N+埋層(302)； 步驟3 :在N+埋層(302)表面熱氧化生成第二 SiO2氧化層(301)； 步驟4 :在第二 SiO2氧化層(301)表面沉積多晶硅層(320)； 步驟5 :采用另一塊表面具有第一 SiO2氧化層(322)的N型半導(dǎo)體襯底(321)，將多晶硅層(320)與第一 SiO2氧化層(322)進(jìn)行鍵合； 步驟6 :將N-型半導(dǎo)體襯底(303)背面減薄形成相互隔離的V型槽陣列結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的單片集成功率半導(dǎo)體器件的固體繼電器，其特征在于，所述輸出端功率半導(dǎo)體器件為VDMOS器件、LDMOS器件或LIGBT器件。
全文摘要
一種單片集成功率半導(dǎo)體器件的固體繼電器，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。包括集成于同一襯底上的光電池陣列、控制電路和輸出端功率半導(dǎo)體器件；光電池陣列由若干個(gè)光電池串聯(lián)而成，每個(gè)光電池單獨(dú)處于襯底的一個(gè)V型槽內(nèi)；控制電路由雙極型晶體管和二極管組成，每個(gè)晶體管或二極管單獨(dú)處于襯底的一個(gè)V型槽內(nèi)；輸出端功率半導(dǎo)體器件作為整個(gè)固體繼電器的輸出元件，單獨(dú)處于襯底的一個(gè)V型槽內(nèi)。本發(fā)明在同一襯底的V型槽底部引入N+埋層，使得VDMOS、LDMOS或LIGBT等功率半導(dǎo)體器件能夠與光電池陣列和控制電路集成于同一襯底，從而有效地減小了固體繼電器的封裝難度，減少了器件的寄生效應(yīng)，并提高了器件的可靠性。
文檔編號(hào)H03K17/72GK102970019SQ20121052953
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者張有潤(rùn), 吳浩然, 劉影, 張波 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)