同步开关变换器及用于同步开关变换器的集成半导体开关器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及电子电路，更具体地涉及集成半导体开关器件。
【背景技术】
[0002]随着电子设备的发展，半导体开关器件已经广泛的应用于各种开关变换器中。例如，同步降压式开关变换器包括耦接在输入端和系统地之间的上侧功率开关管和下侧同步开关管，同步降压式开关变换器通过其上侧功率开关管和下侧同步开关管的导通与关断将输入电压转换为具有一定占空比的脉冲信号，并通过输出滤波电路产生稳定的直流输出电压。然而，由于下侧同步开关管的体二极管导通时的正向导通压降较大，其导通损耗较大，并且体二极管较慢的反向恢复特性进一步的增大了动态损耗，导致同步降压式开关变换器的整体效率难以大幅提升。
【发明内容】
[0003]针对现有技术中的一个或多个问题，本发明的一个目的是提供一种集成半导体开关器件和一种同步开关变换器。
[0004]根据本发明一实施例的一种用于同步开关变换器的集成半导体开关器件，包括:第一半导体单元，包括具有体二极管的MOS元件，所述MOS元件具有源极、漏极和栅极；以及第二半导体单元，与第一半导体单元并联连接，所述第二半导体单元包括二极管，所述二极管具有阳极和阴极，其中阳极耦接至MOS元件的源极，阴极耦接至MOS元件的漏极，所述二极管的导通压降小于MOS元件体二极管的导通压降；其中第二半导体单元根据流过集成半导体开关器件的电流分布而不均匀地分布于第一半导体单元中不均匀地分布。
[0005]根据本发明一实施例的一种用于同步开关变换器的集成半导体开关器件，包括:第一半导体单元，包括具有体二极管的MOS元件，所述MOS元件具有源极、漏极和栅极；以及第二半导体单元，与第一半导体单元并联连接，所述第二半导体单元包括金属氧化物场效应晶体管，所述金属氧化物场效应晶体管具有源极、漏极和栅极，其中金属氧化物场效应晶体管的漏极耦接至MOS元件的漏极，金属氧化物场效应晶体管的源极和栅极耦接至MOS元件的源极，所述金属氧化物场效应晶体管的开启电压小于MOS元件的开启电压;其中第二半导体单元根据流过集成半导体开关器件的电流分布而不均匀地分布于第一半导体单元中。
[0006]根据本发明一实施例的一种同步开关变换器，包括输入端口和提供输出信号的输出端口，所述同步开关变换器包括:输入电容，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至输入端口，第二端耦接至系统地;功率开关，可控制为调节输出信号；电感，在功率开关导通时储存能量，以及在功率开关关断时释放能量；同步开关，可控制为在功率开关关断时提供电感电流的传导路径；以及输出电容，具有第一端和第二端，其中所述输出电容的第一端耦接至输出端口，所述输出电容的第二端耦接至系统地;其中同步开关包括上述集成半导体开关器件。
[0007]根据本发明一实施例的一种用于同步开关变换器的半导体开关器件，包括:第一半导体单元，包括第一掺杂类型的半导体衬底，第二掺杂类型的外延层，在外延层中形成的第一掺杂类型的体区和第二掺杂类型的漂移区，在体区中形成的第二掺杂类型的源极，在漂移区中形成的第二掺杂类型的漏极，位于源极和漏极之间的栅介质层，以及位于栅介质层上方的栅极，其中所述第一掺杂类型和第二掺杂类型相反；以及第二半导体单元，包括第一区域和第二区域，其中第一区域电连接至第一半导体单元的漏极，第二区域电连接至第一半导体单元的源极;其中第二半导体单元根据电流的分布不均匀地分布于第一半导体单元中。
[0008]根据本发明提出的实施例，从整体上减小了集成半导体开关器件的功率损耗，提高了效率。
【附图说明】
[0009]结合附图，根据对示例性实施例的以下说明，本发明的总体构思的上述和/或其他方面将变得显而易见并更易于理解，在附图中，相同或相似的附图标记指示相同或相似的组成部分。其中:
[0010]图1示出了根据本发明实施例的开关变换器100的电路框图。
[0011]图2示出了根据本发明实施例的图1所示的同步开关12的布局图200。
[0012]图3a?3e不出了根据本发明实施例的图1所不的功率开关11、同步开关12、以及输入电容Cin的布局图300a?300e。
[0013]图4示出了根据本发明实施例的同步开关变换器400的电路框图。
[0014]图5示出了根据本发明一实施例图4所示同步开关12的剖视图。
[0015]图6示出了根据本发明实施例的同步开关变换器600的电路框图。
【具体实施方式】
[0016]下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在下面对本发明的详细描述中，为了更好地理解本发明，描述了大量的细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。为了清晰明了地阐述本发明，本文简化了一些具体结构和功能的详细描述。此外，在一些实施例中已经详细描述过的类似的结构和功能，在其它实施例中不再赘述。尽管本发明的各项术语是结合具体的示范实施例来一一描述的，但这些术语不应理解为局限于这里阐述的示范实施方式。
[0017]图1示出了根据本发明实施例的同步开关变换器100的电路框图。同步开关变换器100包括接收输入电压的输入端口 IN、耦接在输入端口 IN和系统地之间的输入电容Cin、输出端口 OUT、耦接在输出端口 OUT和系统地之间的输出电容Cout、电感L、功率开关11、以及同步开关12。电感L在功率开关11导通时储存能量，在功率开关11关断时释放能量。可通过控制功率开关11调节输出端口 OUT提供的输出信号。在一个实施例中，功率开关11包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等半导体开关器件。图1所示的实施例中，功率开关11包括源极S、漏极D和栅极G，其栅极接收开关控制信号Vgl。同步开关12可控制为在功率开关11关断时提供电感电流的传导路径。同步开关12包括由第一半导体单元13和第二半导体单元14集成的半导体开关器件。第一半导体单元13包括具有体二极管Dl的金属氧化物半导体(MOS)元件，所述MOS元件具有源极S、漏极D和栅极G，其栅极G接收开关控制信号Vg2。第二半导体单元14与第一半导体单元13并联连接。第二半导体单元14包括具有低开启电压的金属氧化物半导体场效应管或具有快恢复特性的二极管。在一个实施例中，第二半导体单元14包括肖特基二极管，其阳极耦接至第一半导体单元13中MOS元件的源极S，其阴极耦接至第一半导体单元13中MOS元件的漏极D。在另一个实施例中，第二半导体单元14包括具有较低开启电压的金属氧化物半导体场效应管。
[0018]图2示出了根据本发明实施例的图1所示的同步开关12的布局图200。在图2所示的实施例中，第二半导体单元14均匀的分布于第一半导体单元13中。同步开关12包括多个半导体模块21，每个半导体模块21均由第一半导体单元13与第二半导体单元14并联组成，在每个半导体模块21中，第一半导体单元13与第二半导体单元14都按总面积比均匀分布。
[0019]然而在实际应用中，由印刷电路板(PCB)、集成电路的封装等带来的不均匀分布的寄生电感，导致流过同步开关12的电流Il并不是均匀分布的。图3a?图3e示出了优化的实施例，第二半导体单元14根据流过同步开关12的电流Il的分布而不均匀地分布于第一半导体单元13中。在一个实施例中，第一半导体单元13与第二半导体单元14在保持总面积比不变的情况下，局部面积比随着电流Il分布的变化而变化，从而在不改变同步开关12导通损耗等其它特性的同时，减小动态损耗，从整体上进一步提高电源系统的转换效率。例如，在电流Il越大的区域，第二半导体单元14所占的面积越大，第一半导体单元13所占的面积越小。以及在电流Il越小的区域，第二半导体单元14所占的面积越小，第一半导体单元13所占的面积越大。
[°02°]图3a?图3e不出了根据本发明实施例的图1所不的功率开关11、同步开关12、以及输入电容Cin的布局图300a?300e。在图3a?图3e所示的实施例中，第二半导体单元14根据流过同步开关12的电流Il的分布而不均匀地分布于第一半导体单元13中。其中越靠近输入电容Cin的区域，电流Il越大，第二半导体单元14所占的面积越大，第一半导体单元13所占的面积越小;反之，越远离输入电容Cin的区域，电流Il越小，第二半导体单元14所占的面积越小，第一半导体单元13所占的面积越大。在图3a所示的实施例中，第二半导体单元14和第一半导体单元13的面积比在远离输入电容Cin的方向X上逐渐减小。在图3b和图3c所示的实施例中，第二半导体单元14和第一半导体单元13的面积比在远离输入电容Cin的方向X和方向Y上同时减小。在图3d所示的实施例中，第二半导体单元14和第一半导体单元13的面积比在相反的两个反向X、_X上同时增大。在图3e所示的实施例中，第二半导体单元14和第一半导体单元13的面积比在方向X和方向-X上增大，在方向Y上减小，其中方向X和方向-X相反，方向Y垂直于方向X和方向-X。
[0021]图4示出了根据本发明实施例的同步开关变换器400的电路框图。在图4所示的实施