半导体器件和操作方法技术

一种场效应晶体管半导体器件，其具有紧凑的器件占用面积，用于汽车和热插拔应用。所述器件包括多个场效应晶体管单元，所述多个晶体管单元包括布置在衬底上的至少一个低阈值电压晶体管单元和至少一个高阈值电压晶体管单元。所述场效应晶体管半导体器件被配置和布置成在线性模式操作期间操作所述至少一个高阈值电压晶体管单元，并且在电阻模式操作期间操作所述低阈值电压晶体管单元和所述高阈值电压晶体管单元两者。独立权利要求被包括在操作包括多个场效应晶体管单元的场效应晶体管半导体器件的方法中。

Semiconductor Devices and Operating Methods

【技术实现步骤摘要】
半导体器件和操作方法
本公开涉及半导体器件和操作方法。更具体地，本公开涉及包括具有不同阈值电压的晶体管单元的晶体管。
技术介绍
功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)通常用作电子控制的功率开关。根据应用，例如在线性稳压器或电子负载中，这些功率MOSFET在线性区域(即线性模式)中操作。当在线性区域中操作时，功率MOSFET器件在开关瞬间期间经历高热应力，其中漏极电流和漏极-源极电压同时较高，导致器件消耗功率较高。当在线性区域中操作时，具有小单元间距(<10μm)(即，器件上相邻晶体管单元之间的距离)的现代功率MOSFET器件易受热失控(thermalrunaway)的影响。小单元间距功率MOSFET的特征在于临界电流密度JC，高于该临界电流密度JC，器件中的操作电流密度随着温度的升高而降低，但低于该临界电流密度JC，器件中的操作电流密度随着温度的升高而增加。如果在临界电流密度JC以下操作功率MOSFET，则温度的小幅增加会使操作电流密度增加。这种效应导致器件温度升高，进而导致更高的电流密度，最终导致热失控。器件的临界电流密度JC受两种竞争效应控制。第一，在操作中，MOSFET器件的沟道电阻由于器件中的加热而增加，这可能导致电流密度的降低。第二，功率MOSFET的阈值电压可随着温度的升高而降低。当在线性区域中操作时，器件中降低的阈值电压会改变有效栅极电压，从而器件的操作电流密度随着温度的升高而增加。随着增益(gain)的增加，第二个效应变得更加重要。具有小单元间距的现代功率MOSFET具有的每单位面积的栅极宽度值较高，并且现代功率MOSFET在各电流下操作，使得第二效应占主导地位，即，MOSFET在临界电流密度JC以下操作。其结果是这些MOSFET更容易发生热失控，从而导致器件故障。因此需要一种减轻一个或多个问题的MOSFET。例如，在汽车应用中，FET可以最有利于能量效率，使得它们具有低导通电阻(Rdson)，但同时能够承受由意外的负载突降情况引起的高电压浪涌或瞬变。当在机动车辆中与汽车电池的连接突然失效时发生负载突降，并且由车辆发电机提供的充电电流持续流动一段时间。该电流必须被汽车电子设备吸收或承受，直到车辆交流发电机关闭。通常，在这种应用中，FET不在线性区域中操作。这种FET包括提供半导体区域，其中每个区域具有沟道宽度w和沟道长度l，并且一个区域的沟道宽度与长度的比率比另一个区域中的更大。每个区域通过不同的预定电阻器与栅极端子电连接。这种器件由互相交错的并联FET构成，这些FET通过两个栅极母线(bus-bars)并联分布、并通过电阻和二极管的网络互连。二极管电路位于FET的栅极和漏极之间。在例如钳位电感(clampedinductive)处理期间，特别是在负载突降情况期间，这种配置可以帮助改善能量处理。因此，这些器件利用了具有相同阈值电压的互相交错的FET。在一些应用中，FET还可以最有利于降低寄生电容。例如，条带沟槽(stripetrench)FET可以配置有具有变化的电压阈值的多个晶体管单元。通过将单元中的一些划分为具有变化的阈值电压的多个区域，当晶体管首次导通时，优先在低阈值电压的区域中发生导通。因此，这些区域中的电流密度将高于临界电流密度JC或刚好低于临界电流密度JC，从而降低热失控的风险。这些单元布置成条带，以具有变化的阈值电压区域，所述变化的阈值电压区域沿条带中的至少一些分布，以减轻增加的电流密度。通过确保较低阈值电压区域沿着与较高阈值电压区域相同的条带分布，可以避免大面积的大电流，从而降低可能在器件中导致热失控的电流拥挤的风险。当用于开关应用时，可以将电压钳位电路连接到这些FET，以确保电压轨上的电压尖峰或瞬变不会在关断期间对器件造成损坏。在大量高阈值电压单元和少量低阈值电压单元的情况下，可以采用双阈值电压方法。在线性模式操作中，在这些器件中低阈值电压单元导通。这允许器件的这些区域中的电流密度增加，或者高于临界电流密度JC或者远低于临界电流密度JC。
技术实现思路
根据实施例，场效应晶体管半导体器件包括器件栅极端子、器件源极端子、器件漏极端子、衬底、和多个场效应晶体管单元，每个晶体管单元包括栅极端子、源极端子和漏极端子，其中所述多个晶体管单元包括布置在所述衬底上的至少一个低阈值电压晶体管单元和至少一个高阈值电压晶体管单元，所述至少一个低阈值电压晶体管单元的栅极连接到第一电导体，并且所述至少一个高阈值电压晶体管单元的栅极连接到第二电导体，并且其中所述第一电导体和第二电导体电耦接到所述器件栅极端子，并且所述高阈值电压晶体管单元和所述低阈值电压晶体管单元的每个漏极端子并联连接到所述器件漏极端子。所述场效应晶体管半导体器件被配置和布置成在线性模式操作期间操作所述至少一个高阈值电压晶体管单元，并且在电阻模式操作期间操作所述低阈值电压晶体管单元和所述高阈值电压晶体管单元两者。有利的是，以这样的方式操作场效应晶体管半导体器件允许器件在线性模式中承受较高的电流密度，而不会遭受热失控的风险。根据另一实施例，是操作场效应晶体管半导体器件的方法，所述场效应晶体管半导体器件包括器件栅极端子、器件源极端子、器件漏极端子、衬底、和多个场效应晶体管单元，每个晶体管单元包括栅极端子、源极端子和漏极端子，其中所述多个晶体管单元包括布置在所述衬底上的至少一个低阈值电压晶体管单元和至少一个高阈值电压晶体管单元，所述至少一个低阈值电压晶体管单元的栅极连接到第一电导体，并且所述至少一个高阈值电压晶体管单元的栅极连接到第二电导体，并且其中所述第一电导体和第二电导体电耦接到所述器件栅极端子，并且所述高阈值电压晶体管单元和所述低阈值电压晶体管单元的每个漏极端子并联连接到所述器件漏极端子。所述方法包括：当在线性模式中操作所述场效应晶体管半导体器件时，操作所述至少一个高阈值电压晶体管单元，以及当在电阻模式中操作所述场效应晶体管半导体器件时，操作所述低阈值电压晶体管单元和所述高阈值电压晶体管单元两者。附图说明为了更完整地理解本公开，现在参考以下结合附图的描述，其中：图1示出了示例性条带沟槽FET器件的布置的俯视图；图2(a)至图2(d)示出了不同条带沟槽FET器件的电路表示；图3(a)至图3(c)示出了适用于条带沟槽FET器件的不同分压器电路配置；和图4(a)至图4(b)示出了用于不同条带沟槽FET器件的线性模式和电阻模式操作中的低Vt栅极母线电压分布和高Vt栅极母线电压分布。具体实施方式在根据实施例的半导体器件中，沟槽FET结构可以包括如图1所示布置为条带的多个FET单元。所述多个单元布置在半导体衬底(未示出)上，并且可以包括多个低阈值(Vt)电压单元103和多个高阈值(Vt)电压单元104。多个低阈值电压Vt单元103可以布置为载体或衬底(未示出)的表面上的均匀细长条带，产生多个低Vt单元的区域109、110、111。每个低Vt单元103包括栅极108、源极和漏极(未示出)以及与栅极108紧邻的导电区域107。导电区域107恰好在下一个相邻栅极之前终止。每个低Vt单元103的栅极108电耦接到公共低Vt栅极母线101。多个高阈值电压Vt单元104也可以布置为载体或衬底(未示出)的表面上的均匀细长条带。每本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种场效应晶体管半导体器件，包括：器件栅极端子；器件源极端子；器件漏极端子；衬底；以及多个场效应晶体管单元，每个晶体管单元包括栅极端子、源极端子和漏极端子，其中所述多个晶体管单元包括布置在所述衬底上的至少一个低阈值电压晶体管单元和至少一个高阈值电压晶体管单元，所述至少一个低阈值电压晶体管单元的栅极连接到第一电导体，并且所述至少一个高阈值电压晶体管单元的栅极连接到第二电导体，并且其中，所述第一电导体和第二电导体电耦接到所述器件栅极端子，并且所述高阈值电压晶体管单元和所述低阈值电压晶体管单元的每个漏极端子并联连接到所述器件漏极端子；所述场效应晶体管半导体器件被配置和布置成：在线性模式操作期间操作所述至少一个高阈值电压晶体管单元，并且在电阻模式操作期间操作所述低阈值电压晶体管单元和所述高阈值电压晶体管单元两者。

【技术特征摘要】
2017.10.31 EP 17199452.81.一种场效应晶体管半导体器件，包括：器件栅极端子；器件源极端子；器件漏极端子；衬底；以及多个场效应晶体管单元，每个晶体管单元包括栅极端子、源极端子和漏极端子，其中所述多个晶体管单元包括布置在所述衬底上的至少一个低阈值电压晶体管单元和至少一个高阈值电压晶体管单元，所述至少一个低阈值电压晶体管单元的栅极连接到第一电导体，并且所述至少一个高阈值电压晶体管单元的栅极连接到第二电导体，并且其中，所述第一电导体和第二电导体电耦接到所述器件栅极端子，并且所述高阈值电压晶体管单元和所述低阈值电压晶体管单元的每个漏极端子并联连接到所述器件漏极端子；所述场效应晶体管半导体器件被配置和布置成：在线性模式操作期间操作所述至少一个高阈值电压晶体管单元，并且在电阻模式操作期间操作所述低阈值电压晶体管单元和所述高阈值电压晶体管单元两者。2.根据权利要求1所述的场效应晶体管半导体器件，其中所述多个晶体管单元以分布在所述衬底的主表面上的条带而连接。3.根据权利要求1和2中任一项所述的场效应晶体管半导体器件，包括两个低电压阈值晶体管单元，其中所述高电压阈值晶体管单元位于在所述衬底上的所述两个低电压阈值晶体管单元之间。4.根据权利要求1至3中任一项所述的场效应晶体管半导体器件，包括在所述衬底的主表面上的多于两个的低电压阈值晶体管单元和多个高电压阈值晶体管单元，其中所述多个高电压阈值晶体管单元以交错的方式位于所述低电压阈值晶体管单元之间，并且其中在所述衬底的主表面上的两个相邻的高电压阈值晶体管单元之间存在多于一个的低电压阈值晶体管单元。5.根据权利要求4所述的场效应晶体管半导体器件，其中在两个相邻的高电压阈值晶体管单元之间的低电压阈值晶体管单元的数量是相同的。6.根据权利要求2至5中任一项所述的半导体器件，其中所述器件栅极端子通过栅极控制电路电耦接到一组...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚当·布朗，吉姆·帕金，菲尔·鲁特，史蒂文·沃特豪斯，所罗伯·潘迪，
申请(专利权)人：安世有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL