一種基于光伏應用的VDMOS旁路開關的制作方法與工藝

本發明涉及半導體技術領域，具體涉及半導體器件及制造工藝，尤其涉及一種基于光伏應用的VDMOS旁路開關。

背景技術：
隨著太陽能的廣泛應用，光伏電池等太陽能相關產業發展迅速。其中光伏板就是由一系列的光伏電池元胞組成。在最佳條件下，所有的細胞都同樣輻照和作用在同一電流水平。然而，在正常操作下一些電池元胞可能會有部分陰影或模糊的。和完全輻照元胞相比這些陰影元胞限制電流產生，在極端的情況下，這些元胞被完全遮蔽了，電流被阻斷。在這種情況下陰影元胞就像一個負載，輻照元胞產生的電流導致過電壓產生，其值完全可以達到擊穿閾值。這種現象被稱作一個“熱點”，會導致陰影元胞的過熱，在某些情況下，甚至永久損傷導致漏電。為了防止熱點的出現，因此，旁路二極管并聯連接于元胞中，可以很好地解決這種情況，如圖1。本發明所提供的就是一種基于光伏應用的旁路開關。

技術實現要素：
本發明提出一種基于光伏應用的VDMOS旁路開關，具有極低的正向導通壓降，更小的反向漏電流，更低的功耗，更長的壽命和更穩定的特性的VDMOS旁路開關。為實現本發明目的，本發明提供了一個由1只N溝道的VDMOS一個驅動控制模塊和一個電容C1構成的電路結構，所述電容C1和驅動電路控制VDMOS的門極驅動，該電路具有旁路開關的作用。所述的結構制作在一塊n型單晶硅上，既可以把電路全部集成在一起，也可以實現單獨連接。所述VDMOS作為核心部分，其陽極與陰極之間并聯一個二極管；所述驅動控制模塊的C+極接電容C1正端，C-極接電容C1負端，G極接VDMOS柵級，D+極接VDMOS陽極，D-極接VDMOS陰級，上述構成了本發明的整個電路結構，具體參見圖3。本發明的最重要之處是利用受驅動電路控制的VDMOS的特點來代替肖特基二極管實現旁路開關。VDMOS采用分離柵以及JFET區注入結構以減小旁路開關的導通壓降和寄生電容，使旁路開關具有優良的性能，VDMOS的具體結構參見圖2。本發明的工作原理是：其工作原理類似于肖特基二極管，作為光伏電池元胞的旁路開關，當光伏電池元胞中出現熱點時，電流就會經旁路開關流過而不會阻斷，而在光伏電池一切都正常的情況下，旁路開關不會起作用，處于關斷狀態，如圖5。在電流流經旁路開關時，首先VDMOS處于關斷狀態，電流流經二極管，振蕩器開始工作，配合電荷泵將二極管壓升壓給電容充電，充至比較器預設的高電平值時完成充電，此階段旁路開關的壓降約為一普通二極管的壓降。當電容充電階段完成后，驅動模塊開始工作，比較器輸出的使能信號關斷電荷泵，電容上的電荷用于驅動VDMOS直到電容上電壓達到比較器預設的低電平值，VDMOS導通形成低阻抗路徑，電流絕大部分流過VDMOS。此階段旁路開關的壓降約為VDMOS的導通壓降，由于充電階段的占空比小，平均導通壓降極低，仿真得出在電流能力為8A的條件下，導通壓降可以做到小于50mV。所述驅動控制模塊包括單芯片處理器CMP、驅動器、電荷泵以及振蕩器OSC，其驅動原理圖參見圖4；所述振蕩器OSC由兩個PMOS、兩個NMOS和一個電阻構成電流基準給所述電容C1充電，能在低電壓下工作；所述驅動模塊中電荷泵由若干個子電荷泵串聯構成，子電荷泵電路結構如圖6所示：其內部含有電容C2和電容C3，電容C2和電容C3的負端分別接兩個反相的振蕩器信號，根據振蕩器信號電平的高低，電容C2和電容C3分別交替完成兩個工作過程：1、電容C2和電容C3負端接地，電容C2和電容C3正端充電至輸入電壓Vin；2、電容C2和電容C3負端接高電平，由于電容C2和電容C3兩端壓差不變，電容C2和電容C3正端電壓泵升輸出，將較低的體二極管輸入電壓泵升給外接電容C1充電。所述驅動模塊中的振蕩器電路結構如圖7所示，該振蕩器能工作在0.6V的低輸入電壓下，振蕩頻率受電源電壓影響較小。振蕩器通過由2個PMOS和2個NMOS和1個電阻構成電流基準給電容C1充電，電容C1充電至一定電位時遲滯反相器開始輸出低電平，將充電電流減小且放電管開啟開始放電，電容C1上的電壓開始降低，當放電至低電位后開始充電過程，實現振蕩。開關中的VDMOS為橫向結構的VDMOS或縱向結構的LDMOS。進一步，VDMOS旁路開關的制造方法的步驟流程主要包括以下步驟：硅片制備—外延層生長—有源區光刻—柵氧化層生長—多晶刻蝕—JFET區注入—p型注入—p+型注入—n+型注入—接觸孔刻蝕—金屬淀積、刻蝕—制成合金—鈍化—退火工藝步驟制備。VDMOS的柵介質為SiO2、Si3N4、Al2O3、La2O3、HfO2或ZrO2。VDMOS旁路開關采用體硅、碳化硅、砷化鎵、磷化銦以及鍺硅半導體材料選自其中一種制作而成。本發明的優點：本發明旁路開關其導通壓降可以降低到50mV以下，并具有更小的反向漏電流，更低的功耗，更好的溫度特性，更長的壽命和更穩定的特性。其性能遠遠優于現目前國內使用的肖特基二極管陣列的旁路開關。附圖說明圖1為本發明的VDMOS旁路開關的光伏應用；圖2為本發明的VDMOS基本結構；圖3為本發明的VDMOS旁路開關的連接圖；圖4為本發明的VDMOS驅動模塊原理圖；圖5為本發明的VDMOS驅動模塊原理圖；圖6為本發明的電荷泵的電路圖；；圖7為本發明的振蕩器的電路圖；具體實施方式下面結合實施例對本發明作進一步說明，但不應該理解為本發明上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發明上述技術思想的情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發明的保護范圍內。本發明提供了一個由1只N溝道的VDMOS、一個驅動控制模塊和一個電容C1構成的電路結構，所述電容C1和驅動電路控制VDMOS的門極驅動，該電路具有旁路開關的作用。所述的結構制作在一塊n型單晶硅上，既可以把電路全部集成在一起，也可以實現單獨連接。本實施例中VDMOS旁路開關個電子器件優選的將所有電子器件全部集成在同一硅片上，電路具體連接參見圖3。所述VDMOS作為核心部分，其陽極與陰極之間并聯一個二極管；所述驅動控制模塊的C+極接電容C1正端，C-極接電容C1負端，G極接VDMOS柵級，D-極接VDMOS陽極，D+極接VDMOS陰級，上述構成了本發明的整個電路結構。所述電路中N溝道的VDMOS元件主要通過n+硅片制備—生長n-外延—有源區光刻—柵氧化層生長—多晶刻蝕—JFET區注入—p型注入—p+型注入—n+型注入—接觸孔刻蝕—金屬淀積、刻蝕——制成合金—鈍化—退火等工藝步驟制備。制備好后的N溝道的VDMOS元件結構具體參見圖2。VDMOS的柵介質優選為SiO2高k介質。VDMOS旁路開關優選采用體硅半導體材料制作，開關中的VDMOS優選為橫向結構。所述驅動控制模塊內部電路結構參見圖4，包括單芯片處理器CMP、驅動器、電荷泵以及振蕩器OSC。所述電荷泵的電路結構圖參見圖6，電荷泵由若干個子電荷泵串聯構成，子電荷泵電路結構內部含有兩個電容C2和電容C3，電容C2和電容C3的負端分別接兩個反相的振蕩器信號，根據振蕩器信號電平的高低，電容C2和電容C3分別交替完成兩個工作過程：1、電容C2和電容C3負端接地，電容C2和電容C3正端充電至輸入電壓Vin；2、電容C2和電容C3負端接高電平，由于電容C2和電容C3兩端壓差不變，電容C2和電容C3正端電壓泵升輸出，將較低的體二極管輸入電壓泵升給外接電容C1充電。如圖5所示，作為光伏電池元胞的旁路開關，當光伏電池元胞中出現熱點時，電流就會經旁路開關流過而不會阻斷，而在光伏電池一切都正常的情況下，旁路開關不會起作用，處于關斷狀態，當旁路開關采用肖特基二極管陣列，其導通壓降至少在200mV之上，耐壓較小，漏電流也很大。當采用本發明的旁路開關時，在電流流經旁路開關時，首先VDMOS處于關斷狀態，電流流經二極管，振蕩器開始工作，配合電荷泵將二極管壓升壓給電容充電，充至比較器預設的高電平值時完成充電，此階段旁路開關的壓降約為一普通二極管的壓降。當電容充電階段完成后，驅動模塊開始工作，比較器輸出的使能信號關斷電荷泵，電容上的電荷用于驅動VDMOS直到電容上電壓達到比較器預設的低電平值，VDMOS導通形成低阻抗路徑，電流絕大部分流過VDMOS。此階段旁路開關的壓降約為VDMOS的導通壓降，由于充電階段的占空比小，平均導通壓降極低，仿真得出在電流能力為8A的條件下，導通壓降可以做到小于50mV。漏電流可以降低兩個量級，耐壓也可以根據實際需要得到提高。所述驅動模塊中的振蕩器電路結構如圖7所示，該振蕩器能工作在0.6V的低輸入電壓下，振蕩頻率受電源電壓影響較小。振蕩器通過由2個PMOS和2個NMOS和1個電阻構成電流基準給電容C1充電，電容C1充電至一定電位時遲滯反相器開始輸出低電平，將充電電流減小且放電管開啟開始放電，電容C1上的電壓開始降低，當放電至低電位后開始充電過程，實現振蕩。應當說明，本發明的核心發明點在于用VDMOS組成的旁路開關，本發明的制備工藝具有多種變化，既可以把其附帶電路集成在一塊芯片里面，又可以單獨連接。本發明中提供的制備方法僅為實現該電路結構的一種途徑，本發明不可能也沒有必要一一列出所有制備方法，但本領域技術人員應當理解在本發明的基礎上所做出的各種結構或者工藝上的變化，均在本發明申請保護的范圍之內。