热稳定性好的高功率半导体组件制造技术

本发明专利技术提供一种热稳定性好的高功率半导体组件，其包括一电路，用以提供该高功率半导体中栅极的栅极驱动电压，此栅极驱动电压具有一负温度系数，可在高功率半导体组件温度递增时提供一渐减的栅极驱动电压，使高功率半导体组件的净源极－漏极温度系数小于或等于零。在一实施例中，栅极驱动电路包括具有负正向电压温度系数的二极管，其连接在高功率半导体组件的栅极和源极之间；在另一实施例中，将栅极电压与高功率半导体组件所组成的集成电路中的高功率半导体组件合并。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种高功率半导体组件及电路的结构和性能，特别涉及一种如沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管'(MOSFET)的热稳定性好的高功率 半导体组件的电路设计、装置结构及制造方法。
技术介绍
随着高速化金属氧化物半导体(MOS)栅极器件的出现，如何维持高功 率半导体组件的热稳定性已成为一特别的技术问题。尤其，当高功率半导体 如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)应用在功率切换 (power-switch)时，通常都处于高电流、高电压的环境下执行，此执行环境 会造成大量的功率消耗，并使温度快速上升；就算正确地控制操作，高功率 半导体同样会产生热失控现象(thermal runaway phenomenon)最终使装置和系统执行失败。有急迫的需要去解决此种技术问题，因为如金属氧化物半导体场效应晶 体管这些高功率半导体广泛应用在多种电路系统中，特别是运用在高功率且 高频率的切换操作作业上。当金属氧化物半导体场效应晶体管应用在低压降 稳压器(low dropout voltage regulator, LDO)时，高功率的金属氧化物半导体 场效应晶体管在饱和区域中操作，此时源极到漏极的电压(Vds)及源极到 漏极的电流(Ids)具有高同步率。在此操作环境下，金属氧化物半导体场效 应晶体管的功率消耗将造成温度上升，若设计不正确，更会发生热失控的情 况，而高功率金属氧化物半导体场效应晶体管更会因过热而失败。图1为高功率场效晶体管中典型的漏极电流对应栅极-源极电压(Vgs) 的曲线图，而源极-漏极电压(Vds)固定不变。在图1中， 一开始无法感知 漏极电流(Ids)，直到输入的栅极-源极电压超过晶体管的阈值电压。当高 功率金属氧化物半导体场效应晶体管的操作温度上升时，晶体管的阈值电压 Vt将会由于负温度系数(negative temperature coefficient, TC)的缘故而下降，7由于温度上升，以Vgs-Vt定义的栅极过度驱动电压(gate overdrive voltage) 也会上升，此栅极过度驱动电压更会使操作温度上升；此时，由于操作温度 上升，又因为上升温度的载体移动率(the mobility of the carrier)下降，使晶 体管的漏极电流有减少的趋势。 一方面而言，较高的温度会使阈值电压减弱， 使电流升高，但另一方面，较高的温度会使载体移动率下降而造成电流变小， 而不幸的是这两种冲突矛盾无法互相抵消。图2所示为在约摄氏25度室温和 摄氏125度时，将Ids对Vgs的曲线图迭加后的阈值电压Vt变化，其中在两 曲线的左侧区域为负温度系数，而右侧区域则为正温度系数。如图2所示，阈值的降低可从源极-漏极电流(Ids)曲线的膝部向左变 化看出。载体移动率下降使源极-漏极电流斜率减小，而两曲线的交叉点定义 为IdsO。若金属氧化物半导体场效应晶体管的操作电流大于IdsO，则漏极电 流的温度系数(TC)为负值，而在金属氧化物半导体场效应晶体管的操作电 流小于IdsO时，漏极电流的温度系数(TC)为正值。当金属氧化物半导体场 效应晶体管的操作电流和电压使温度上升时会造成热失控的现象，且较高的 温度也会造成电流上升，更会使晶体管的温度增加，此问题在高功率沟槽金 属氧化物半导体场效应晶体管(trench powerMOSFET)上甚至更严重，因为 其具有高传导率。有为数众多的途径可解决这个问题，C. Blake在2005年11月出版的高 功率电子科技的第40到44页文章「评估高功率金属氧化物半导体场效应晶 体管的可靠性」中介绍了低传导率的平面式金属氧化物半导体场效应晶体管 (planar MOSFET);此外，另一种相关技术利用将晶体管的源极镇流 (ballasting)，更可帮助解决效果降低的问题，然而这两种途径都会使金属 氧化物半导体场效应晶体管的接地电阻值增加。结果，必须制造出更大或更 耗成本的晶体管才能克服热稳定性的问题。因此，本专利技术即针对上述现有技术的缺点，提出一种热稳定性佳的高功 率半导体组件，从而有效克服上述问题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种热稳定性好的高功率半导体组件，其包 含一提供负温度系数栅极驱动信号的电路。此栅极驱动信号的负温度系数可接着补偿高功率半导体组件阈值电压的负温度系数，进而提供一净温度系数 Ids,从而获得热稳定性高的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管组件。本专利技术的另一目的在于提供一种负温度系数栅极驱动信号，其利用二极 管和电阻组成的简单电路来实施，此简单电路为栅极电压驱动器，可轻松集 成到高功率半导体组件中，且可制成集成电路的一部分。利用增加最小的制 造成本且在相当大程度上不需增加栅极电压驱动器尺寸，更不需改变封装组 件的形成因素，即可将栅极电压驱动器的执行程序最简化。特别地，本专利技术的另一 目的在于提供一种稳定性好的高功率半导体组件， 其连接一电路，此电路提供一高功率金属氧化物半导体场效应晶体管组件中栅极的负温度系数栅极驱动信号(negative temperature coefficient)，其平行 耦合在源极与栅极之间。该电路可以利用两个互联的具有负向电压温度系数 的二极管来实现。用电阻将所述二极管连接在源极和栅极之间，随着温度的 增加，栅极驱动电压减少，从而补偿了阈值电压的减少。利用本专利技术提供的 新增电路，将负温度系数Ids应用于半导体功率器件上，就得到了热稳定性 良好的MOSFET器件。本专利技术的又一目的在于利用一静电放电电路(ESD circuit)提供双重的 静电放电防护功能，并同时提供栅极驱动电压的负温度系数。本专利技术的一个简单实施例公开一种高功率半导体组件，其包含一电路， 可提供一栅极信号，此栅极信号具有栅极驱动电压的负温度系数，在温度增 加时降低栅极驱动电压，因此高功率半导体组件具有一小于或等于零的净温 度系数。在一实施例中，栅极电压驱动器包含一二极管，其设置在高功率半 导体组件的栅极与源极之间，具有一负向电压温度系数。在另一实施例中， 栅极电压与高功率半导体组件所组成的集成电路中的高功率半导体组件合 并。本专利技术更公开一种补偿高功率半导体组件中阈值的负系数的方法，将该 提供负温度系数栅极驱动信号的电路与栅极连接，使净源极-漏极电流(Ids) 温度系数小于或等于零，且当温度上升时，栅极驱动电压的下降幅度等于或 大于阈值电压的下降。以下由具体实施例详加说明，使本领域的技术人员更容易了解本专利技术的 目的、
技术实现思路
、特点及其所达成的效果。附图说明图1为一高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极电流对栅极-源 极电压的曲线图2为一高功率金属氧化物半导体场效应晶体管在约摄氏25度室温和摄 氏125度时，将Ids对Vgs的曲线图迭加后的阈值电压Vt变化的曲线图3为应用栅极过度驱动电压来提供零温度系数或负温度系数从而获得 热稳定性好的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的功能模块图4为在图3中应用栅极过度驱动电压来提供零温度系数或负温度系数 从而获得热稳定性好的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的电路图5为配置一静电放电防护电路(electrostatic protection device, ESD)在 栅极电压驱动电压中，来提供一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率半导体组件，包括：　一电路，其用以提供该高功率半导体中栅极的栅极驱动电压，该栅极驱动电压具有一负温度系数，可在该高功率半导体组件温度增加时提供一减小的栅极驱动电压，使该高功率半导体组件的净温度系数小于或等于零。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安荷叭刺，圣杰哈佛纳，斯科K雷，
申请(专利权)人：万国半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：BM[百慕大]