便于结温检测的功率半导体器件及其结温测量方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种便于结温检测的功率半导体器件及其结温测量方法。

背景技术

功率半导体器件是实现电能转换和控制的关键器件，主要包括绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)等，广泛应用于高压直流输电、高速铁路机车、智能电网、变频器等领域。在工作中，功率半导体器件根据控制系统发出的控制指令开通和关断，其开关过程会产生大量的热量，从而造成结温升高。当结温上升超过一定的限度而没有采取有效的冷却降温措施时，功率半导体器件会发生不可逆的损毁。目前，功率半导体器件的结温控制主要采取外加冷却系统。

在实际应用中，功率半导体器件采用的冷却系统主要包括：贴附于功率半导体器件外壳表面的金属冷却板、冷却水路管道、外部散热装置和控制系统等，冷却系统存在自身体积庞大、散热效率低、成本昂贵等方面缺点。此外，目前的功率半导体器件结温监测通常采用测量冷却系统进出水温度推算、红外热成像、器件封装外壳外温度测量推算等间接测量方式，由这些方式测量得到的功率半导体器件结温准确度低、实时性差，在功率半导体器件结温过高时无法做出及时的控制与保护，导致系统运行效率低，同时有可能造成器件损毁，增加系统运行维护成本。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种便于结温检测的功率半导体器件及其结温测量方法，利用微加工制造技术，在功率半导体器件中制造结温监测单元，通过结温监测单元直接测量获得功率半导体器件实时结温。结温监测单元结构简单、易于制造，直接测量获得的结温数值精确度高、实时性优。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提供一种便于结温检测的功率半导体器件，所述功率半导体器件为IGBT器件或MOSFET器件，所述半导体器件包括至少两个单胞单元，其中至少一个单胞单元为结温监测单元，其他单胞单元与IGBT器件或MOSFET器件的结构完全相同；所述结温监测单元与IGBT器件或MOSFET器件的结构区别在于在P+接触区的表面金属化形成阳极，在N+源区表面金属化形成阴极。

当是MOSFET器件时，所述结温监测单元也可在N缓冲层背面金属化形成阴极。

所述IGBT或MOSFET功率半导体器件的材料为硅材料、碳化硅材料或氮化镓材料。

便于结温检测的功率半导体器件的结温检测方法，在所述结温检测单元的阳极与阴极间设置连接电压计，在阳极与阴极间施加正向电流进行结温监测，结温计算公式：

T

其中，V

由于结温监测单元中寄生双极半导体器件正向压降随环境温度升高而降低，因此可通过测量寄生双极半导体器件正向压降而获得功率半导体器件结温数值，具体变化关系如下：

V

由此可得，功率半导体器件工作过程中实时结温T

T

在功率半导体结构中不可避免的含有寄生二极管，常规情况下器件使用过程中是需要规避寄生效应的，但本发明中有效使用寄生二极管，考虑到寄生二极管遵循正向压降随着环境温度的升高而降低的规律，是行使结温监测的有效办法。在此基础之上，不需要重新构建新的结温监测结构，不需要重新设置功率器件与检测结构的隔离，只需要在多组并联的功率器件中选取一个接近芯片最高温位置的单胞，通过合理设计金属化工序，引出寄生二极管的阴阳极，即可实现对结温的检测。一般情况下，在多组单胞并联的功率半导体器件中，居于中心区域温度最高，因此，一般选择将居于芯片中心区域的其中一个单胞作为结温监测单元。

本发明便于结温检测的功率半导体器件及其结温测量方法的优势如下：

(1)将结温监测单元直接制造集成在功率半导体芯片中，能够实时直接测量获得功率半导体器件结温数值，实时准确数值。

(2)此结温监测单元与功率半导体器件的制造工艺兼容，仅需要在金属化工序合理设计版图，引出功率半导体器件的寄生二极管的阴极和阳极电位即可。不需要增加版图数量，不需要增加工艺步骤，不需要增加成本，即可实现实时结温测量。

(3)通过测量寄生双极半导体器件正向压降获得功率半导体器件结温数值，方法简单，计算结果准确。

(4)在测量获得功率半导体器件结温实时准确数值基础上，可优化器件控制系统和冷却系统，提高器件冷却系统散热效率，降低冷却系统成本。

附图说明

图1，常规经典纵向MOSFET结构。

图2，适用于与MOSFET配套的结温监测单元。

图3，常规经典IGBT结构图。

图4，适用于与IGBT配套的结温监测单元。

图5，结温监测单元结温测量电路原理图。

图6，MOSFET器件的N缓冲区背面金属化形成阴极结构示意图。

图7，按常规工艺完成半导体器件的内部结构。

图8，表面沉积一层金属。

图9，进行金属刻蚀，制作功率半导体的引出电极以及结温监测单元的引出电极。

图10，便于结温检测的功率半导体器件结温测量电路原理图。

具体实施方式

特别声明，以下的描述本质上只是起到了宏观解释和实例说明的作用，对本发明及其应用或使用进行任何限制。除非另外特别说明，否则，在实施例中阐述的部件和步骤的相对布置以及数字表达式和数值并不限制本发明的范围。另外，本领域技术人员已知的技术、方法和装置可能不被详细讨论，但在适当的情况下可以作为说明书的一部分。

一种便于结温检测的功率半导体器件，功率半导体器件为IGBT器件或MOSFET器件，功率半导体器件包括至少两个单胞单元，其中至少一个单胞单元为结温监测单元，其他单胞单元与IGBT器件或MOSFET器件的结构完全相同；结温监测单元与IGBT器件或MOSFET器件的结构区别在于在P+接触区的表面金属化形成阳极，在N+源区表面金属化形成阴极。

下面分别以IGBT功率半导体器件和MOSFET功率半导体器件结构进行说明。

实施例一

图1为常规经典纵向MOSFET结构，自下而上依次包括漏极10、N缓冲层、N漂移区、Pbody区、P+接触区、N+源区、栅电极11和源极12。在该图中，画出了在器件中寄生二极管示意图，以便更好的理解。以图1的MOSFET功率半导体器件结构为例说明。

在硅材料中利用常规的方法在芯片上制作两个并联的MOSFET功率半导体器件的单胞单元，不包含表面的金属化工艺；其中一个单胞单元选做结温监测单元；另一个单胞单元作为可实现MOSFET功能的功率半导体器件的MOSFET单胞单元；

选做结温监测单元的单胞单元上，参看图2，在P+接触区和N+源区区域分别进行表面金属化，在P+接触区表面形成导电的阳极20，在N+源区区域表面形成导电的阴极21，阳极20和阴极21作为结温监测单元的引出极；另一个作为实现MOSFET功能的功率半导体器件的单胞单元则继续完成常规MOSFET功率半导体器件制作工艺，形成可实现MOSFET功能的单胞单元，参看图1。

参看图5，在结温监测单元的阳极20与阴极21间通过电流源50施加10μA电流值的正向电流，同时利用电压计60测量半导体器件中寄生二极管的正向压降，通过寄生二极管正向压降与结温温度之间的关系，测量半导体器件结温；

公式：

T

式中，V

其中，V

通过公式计算得到利用硅材料制造的金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)功率半导体器件的结温。

在实施例1中，制作的MOSFET功率半导体器件中包含两个单胞单元，其中一个承担MOSFET功率半导体器件结温监测功能，另一个承担MOSFET功率半导体器件功能。

在实际应用中，MOSFET功率半导体器件中可以包含大于两个的多个单胞单元，其仅需满足其中一个单胞单元作为结温监测单元，承担结温监测功能即可，其他的单胞单元均承担MOSFET功率半导体器件功能。在多个单胞单元存在时，作为结温监测单元的单胞单元最好位于所有单胞单元排列的中心区域，以便测得的结温更为精确。

还可以通过电流源50施加20μA或40μA电流值的正向电流。但是需保证测量V

实施例二

图3为常规经典纵向IGBT结构，自下而上依次包括集电极30、P+集电区、N缓冲层、N漂移区、Pbody区、P+接触区、N+源区、栅电极31和发射极32。以图3的IGBT功率半导体器件结构为例说明。

在硅材料中利用常规的方法在芯片上制作两个IGBT功率半导体器件的单胞单元，不包含表面的金属化工艺；其中一个单胞单元选做结温监测单元，另一个单胞单元作为可实现IGBT功能的功率半导体器件的单胞单元；

选做结温监测单元的单胞单元上，参看图4，在P+接触区和N+源区区域分别进行表面金属化，在P+接触区表面形成导电的阳极40，在N+源区区域表面形成导电的阴极41，阳极40和阴极41作为结温监测单元的引出极；另一个作为实现IGBT功能的功率半导体器件的单胞单元则继续完成常规IGBT功率半导体器件制作工艺，形成可实现IGBT功能的单胞单元，参看图3。

其结温监测方法与实施例1中的完全相同，在此则不再重复描述。

与MOSFET器件相同，制作的IGBT功率半导体器件中包含两个单胞单元，其中一个承担IGBT功率半导体器件结温监测功能，另一个承担IGBT功率半导体器件功能。

在实际应用中，IGBT功率半导体器件中可以包含大于两个的多个单胞单元，其仅需满足其中一个单胞单元作为结温监测单元，承担结温监测功能即可，其他的单胞单元均承担IGBT功率半导体器件功能。在多个单胞单元存在时，作为结温监测单元的单胞单元最好位于所有单胞单元排列的中心区域，以便测得的结温更为精确。

实施例三

由于在功率半导体器件中，寄生二极管存在多处，因此，阴极可以不局限于在N+源区表面设置。

当为MOSFET功率半导体器件时，寄生二极管阴极引出端可以设置在N缓冲区，参看图6，在N缓冲区背面表面金属化形成的漏极可以作为阴极71，与设置在P+接触区表面金属化形成的阳极70作为寄生二极管的引出端，通过实施例1中的结温检测方法进行结温实时监测。

此结构仅适用于MOSFET功率半导体器件，由于IGBT功率半导体器件的N缓冲区背面为P+集电区，因此，IGBT功率半导体器件不适用。

实施例4

为功率半导体器件的简单工艺步骤:

先按照标准的功率半导体功率器件制备流程工艺完成至少两组并联的MOSFET单胞制备，在其上均形成栅氧层80，如图7；

在制备的单胞芯片表面沉积一层金属81，如图8；

对金属层81进行刻蚀，以引出各单胞的电极。选择一个最靠近芯片中心区域的单胞作为芯片结温监测单元，在对其上的金属层81进行刻蚀，在P+接触区和N+源区分别形成阳极82和阴极83；在实现功率半导体器件功能的单胞单元上经过刻蚀形成栅电极84、源极85，如图9，通过设置在P+接触区和N+源区的阳极和阴极检测寄生二极管的压降来获得器件的精确结温。

参看图10，本发明最终形成的便于结温检测的功率半导体器件A(图中以虚线表示)包括实现功率半导体器件功能的功率半导体器件B和与之并联的进行功率半导体器件结温监测的结温监测单元C。功率半导体器件B通过与外部电路连接实现半导体器件功能，结温监测单元将阴阳极连接，通过电流源90为其提供正向电流，通过电压计91测量半导体器件中寄生二极管实时的正向压降，以换算出实时的半导体器件结温温度。

本发明的功率半导体器件，通过牺牲芯片中的一个单胞单元作为结温监测单元，实现半导体器件的结温的实时监测，简化了结温检测方法；由于结温监测单元与功率半导体器件的其他单胞单元的制作工艺流程基本相同，仅需设计金属化版图就可以完成结温监测单元的制作，降低了结温监测的制作成本和监测成本，提高了结温监测的精确性。

上述的IGBT或MOSFET功率半导体器件的材料为硅材料或碳化硅材料或氮化镓材料。