特許第5939260号(P5939260)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5939260
(24)【登録日】2016年5月27日
(45)【発行日】2016年6月22日
(54)【発明の名称】自動車に電圧供給するための発電機装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 29/872 20060101AFI20160609BHJP
   H01L 29/861 20060101ALI20160609BHJP
   H01L 29/868 20060101ALI20160609BHJP
   H01L 29/41 20060101ALI20160609BHJP
   H01L 29/47 20060101ALI20160609BHJP
【FI】
   H01L29/86 301F
   H01L29/91 L
   H01L29/44 S
   H01L29/48 F
【請求項の数】7
【全頁数】7
(21)【出願番号】特願2013-542427(P2013-542427)
(86)(22)【出願日】2011年10月20日
(65)【公表番号】特表2014-502425(P2014-502425A)
(43)【公表日】2014年1月30日
(86)【国際出願番号】EP2011068298
(87)【国際公開番号】WO2012076231
(87)【国際公開日】20120614
【審査請求日】2013年6月10日
(31)【優先権主張番号】102010062677.5
(32)【優先日】2010年12月9日
(33)【優先権主張国】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】390023711
【氏名又は名称】ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ROBERT BOSCH GMBH
(73)【特許権者】
【識別番号】599158797
【氏名又は名称】インフィネオン テクノロジーズ アクチエンゲゼルシャフト
【氏名又は名称原語表記】Infineon Technologies AG
(74)【代理人】
【識別番号】100114890
【弁理士】
【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス=ラインハルト
(74)【代理人】
【識別番号】100099483
【弁理士】
【氏名又は名称】久野 琢也
(72)【発明者】
【氏名】リヒャート シュピッツ
(72)【発明者】
【氏名】アルフレート ゲアラッハ
(72)【発明者】
【氏名】カロリーン トルクスドルフ
(72)【発明者】
【氏名】ディアク アーラース
(72)【発明者】
【氏名】ディートリッヒ ボナート
【審査官】 工藤 一光
(56)【参考文献】
【文献】 特表2000−512805(JP,A)
【文献】 特開2004−153887(JP,A)
【文献】 特表2008−521226(JP,A)
【文献】 特表2001−512299(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L29/41
H01L29/47
H01L29/861−29/885
H02P9/00−9/48
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
発電機によって供給される交流電圧を整流するために少なくとも1つの整流素子を備えた、車両の電圧供給用発電機装置において、
前記整流素子はnチャネルMOS電界効果トランジスタを備え、該nチャネルMOS電界効果トランジスタにおいてゲート、ボディエリアおよびソースエリアが電気的に互いに接続され、前記ソースエリアがアノードとして機能し、ドレインエリアがカソードとして機能し、
前記整流素子は、pnダイオードの順方向電圧よりも低いオン状態電圧(UON)を有しており、ここで、前記整流素子は、500A/cm2の電流が流れる場合に、オン状態電圧(UON)が0.7Vより小さくなり、
前記整流素子は、20nm未満のゲート酸化層の厚さを備えており、
前記整流素子は、電圧制限部を備えており、前記電圧制限部が、ボディダイオードのアバランシェ降伏に起因して過電圧を制限する、
ことを特徴とする、
発電機装置。
【請求項2】
前記ボディエリアのドーピングの濃度が、表面におけるしきい値電圧低減のために引き下げられることを特徴とする、請求項1に記載の発電機装置。
【請求項3】
前記ソースエリア前記ゲートの接続はモノリシックに集積されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の発電機装置。
【請求項4】
前記整流素子は、前記整流素子のゲート、ボディエリアおよびソースエリアの上方に金属層(7)を有し、前記整流素子は、前記整流素子のゲート、ボディエリアおよびソースエリアの下方に基板(1)を有し、前記金属層(7)の上方には、ハンダ付け可能な表側の面(8)が形成され、前記基板(1)の下方には、ハンダ付け可能な裏側の面(9)が形成されていることを特徴とする、請求項1から3のうちのいずれか一項に記載の発電機装置。
【請求項5】
前記nチャネルMOS電界効果トランジスタが、プレーナー技術によって製造されたnチャネルパワーMOS電界効果トランジスタ、または、トレンチ技術によって製造されたnチャネルパワーMOS電界効果トランジスタである、請求項1から4のうちのいずれか一項に記載の発電機装置。
【請求項6】
前記発電機装置は複数の整流素子を備え、それぞれが、1つの二極性ダイオード圧入筐体に備えられていることを特徴とする、請求項1から5のうちのいずれか一項に記載の発電機装置。
【請求項7】
前記整流素子に、電圧制限素子が並列に接続されていることを特徴とする、請求項1から6のうちのいずれか一項に記載の発電機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自動車に電圧供給するための発電機装置に関する。
【0002】
背景技術
自動車用三相交流発電機または交流発電機(オルタネータ)においては、整流のために交流ブリッジ(整流器)が使用される。整流素子として主にシリコンから成りpn接合を備えた半導体ダイオードが使用される。例えば三相交流発電機では6個の半導体ダイオードが1つのB6ブリッジへ相互接続される。時にはダイオードも並列に接続され、例えば6個のダイオードの代わりに12個のダイオードが使用される。異なる相数の交流発電機ではそれに応じて適合されたダイオードブリッジが使用される。ダイオードは電流密度が500A/cm2超までの大きい電流および最大障壁接合温度Tjが約225℃の高い温度で動作するよう設計されている。典型的には、順方向での電圧降下、すなわち順方向電圧UFは、使用する電流が大きい場合には、約1Vに達する。一般的に逆方向の動作では、降伏電圧UZまでは非常に小さな逆方向電流IRしか流れない。この電圧を超えると、逆方向電流が非常に強く増大する。それ故に、さらなる電圧の上昇が防止される。これに関して、ツェナーダイオード(Zダイオード)は、車両の車載電源の電圧に応じて逆方向電圧が約20V〜40Vのものが主に使用されている。Zダイオードは降伏時に非常に大きな電流を短時間に加えることさえ可能である。したがってZダイオードは、負荷変化時に発電機の過電圧を制限する(ロードダンプ)ために使用される。このようなダイオードは例えばDE19549202B4に記述されているように通常、堅牢なダイオード圧入筐体に包入されている。
【0003】
このような装置の欠点はpnダイオードの順方向電圧が伝導損を、ひいては発電機の効率悪化をもたらすことにある。発電機の電流出力の際に平均して常に2個のダイオードが直列に接続されているため、平均伝導損は100A発電機で約200Wである。それに伴うダイオードと整流器の温度上昇は、費用のかかる冷却手段によって、例えば放熱器またはブロワを使用して、抑制する必要がある。
【0004】
伝導損を低減するために、DE102004056663A1は、いわゆる高効率ダイオード(HED)をpnダイオードの代わりに使用することを提示している。高効率ダイオード(HED)としてショットキーダイオードが挙げられており、これは従来のショットキーダイオードとは対照的に逆方向電圧によって引き起こされる障壁低下効果(BL)を有しておらず、それ故に逆方向電流は低い。高効率ショットキーダイオード(HED)は、モノリシックに半導体チップに一体化された、従来型ショットキーダイオード(SBD)とフィールドプレート、pn接合またはさまざまな障壁金属のようなほかのエレメントとの組み合わせから構成される。これにはしばしばトレンチ技術が使用される。
【0005】
高効率ショットキーダイオード(HED)によって、その範囲が0.5V〜0.6Vにある、格段に低い順方向電圧UFが実現できる。ダイオードの伝導損が小さいことにより、各発電機の効率と電力出力が高まる。ショットキーダイオードは多数キャリアコンポーネントとして非常にスイッチングが高速で、さらには特定周波数域における発電機のRF干渉が最大10dBに改善される。
【0006】
逆方向電力損失が低い結果、加えてダイオード冷却の費用はpnダイオードを使用する場合と比べて低減される。
【0007】
しかし、高効率ショットキーダイオード(HED)の製造は費用がかかり、技術的要求度も非常に高い。メサ幅が500nm以下の範囲の非常に細かい溝構造をシリコンにエッチングしなければならないことのほかに、特に適切で頑丈なショットキー接点を低費用で製造するという課題がある。ショットキー接点として好ましくはニッケルシリサイドまたは他の適切なシリサイドが使用される。パワーMOSFETを製造している現代の半導体工場では、このシリサイドプロセスはほとんど使用できない。
【0008】
発明の開示
本発明によれば、自動車発電機用整流器内に専用に作られたnチャネルMOSFETが使用され、このnチャネルMOSFETではゲート、ボディエリアおよびソースエリアが固定的に電気的に相互に結合され、ドレインエリアがカソードとして用いられる。この特別な、疑似ショットキーダイオード(PSD)とも呼ばれる整流素子により、HEDと同じように、pnダイオードの順方向電圧よりも低い順方向電圧を得ることができる。好ましくはこのような整流素子は、500A/cm2の電流が流れる場合、0.7Vより小さいオン状態電圧ないしは導通電圧を有する。好ましくはこのオン状態電圧は0.5V〜0.7Vの間にある。このような整流素子はショットキー接触を含んでおらず、したがって特別なシリサイドプロセスも不要である。これは、MOSFET用標準プロセスを軽度に変更して、プレーナー技術でもトレンチ技術でも製造することができる。これは多数キャリアコンポーネントとして、やはり非常に高速にスイッチングする。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】本発明による発電機装置の1つの実施形態を例示した図
図2】疑似ショットキーダイオードの実施形態を例示した断面図
【0010】
本発明による発電機装置の一例を図1に示す。ここでは、参照符号10はスター接続で動作する三相交流発電機で、相巻線もしくはコイルU、VおよびW、および回転可能な励磁コイルEを備えている。発電機として例えば自動車において一般的なクローポール型発電機が使用される。当然他の発電機の使用も、および三相よりも多くの相を備えた発電機の使用も可能である。発電機内で他の電気的相互接続も、例えば三角結線も可能である。参照符号20はそれぞれ、整流コンポーネントとしてエンハンスメント型nチャネルMOSFETを使用して実現された疑似ショットキーダイオードを示している。エンハンスメント型nチャネルMOSFET20は、ここではゲート、ボディエリアおよびソースエリアが固定的に電気的に相互に結合され、およびドレインエリアがカソードとして機能するように結線されている。この結線は、基本的に個別に行うことができるが、特に有利にはモノリシックに、疑似ショットキーとして機能するMOSFET内で実現される。これによって図1に示されたアノード端子Aおよびカソード端子Kを備えた二極構造が得られる。
【0011】
カソード端子Kに、アノード端子Aに対して正電圧が印加された場合、MOSFETは阻止状態となる。なぜならMOSFETのゲートはソース電位にあるからである。わずかな逆方向電流を除き、電流の流れが阻止される。さらにこの構造においては、MOSFETはZダイオードとしてさえも使用可能である。このようにすれば、例えば突然、負荷が欠落したときの電圧上昇のような故障時(ロードダンプ)に、過電圧を制限することができる。電圧がボディダイオードの降伏電圧UZを超えて上昇すると、ダイオードが降伏し(アバランシェ降伏または電子なだれ降伏)、電圧がさらに上昇するのを阻止する。
【0012】
電圧の極性が反転すると、トランジスタは第3象限で動作する。しきい値電圧を超えると電流が流れる。なぜなら内蔵ダイオード、いわゆるボディダイオードは、順方向に極性づけられている。ダイオードの順方向電圧UFは降下する。ゲートがMOSFETのドレイン端子と結線されている構造とは異なり、このゲートは今は電気的にソース接点と接続されている。この場合、オン状態電圧UONは順方向電圧UFよりもいくらか小さい。ただし市販されているMOSFETは、この2つの電圧間の差は非常に小さい。60VのパワーMOSFETでしきい値電圧UTHが約1.8Vの場合、その差は、mA範囲で測定して、20mVの範囲にある。したがって疑似ショットキーダイオードでは、さらにMOSFETの構成部品固有の特性を、適切な方法で一般的なトランジスタに比べて変えておく必要がある。
【0013】
疑似ショットキーダイオード(PSD)の基本的な構造は大体において、例えば教科書J. Lutz, Halbleiter-Leistungsbauelemente (Springer Verlag出版、2006年) に記述されている一般的なパワーMOSFETの構造と一致している。しかし一般的なMOSFETとは異なり、ゲート接続は通例別途導出されているわけではなく、直接ソースエリアと接続されている。しかしながらオン状態電圧UONを低くするためには、PSDとして機能するMOSFETにはさらなる変更を施す必要がある。
【0014】
これについて以下で述べる。MOSFETの第3象限での動作における動作原理は、PSDの伝導方向で、ソース端子Sとドレイン端子Dを取り替えてMOSFETの第1象限での動作として見ることもできる。この場合、ソースエリアSからドレイン端子D’が取り出され、ドレインエリアDからソース端子S’が取り出される。このように名称を変更することにより、一般的な名称において第3象限での動作から第1象限の動作になる。pドープされたボディエリアB、高濃度にnドープされたドレインエリアD’(以前のソースエリアS)およびゲートGは、したがってドレイン電位UD’にある。しかしその場合は、電圧がD’とS’の間でダイオード順方向電圧UFを上回って上昇することはできない。この考察からわかるのは、UD’S’=UGS’であるためにトランジスタが常に飽和状態で作動されること、およびUD’S’=UBS’>0であるためにpドープされたボディエリアに、S’に対してあらかじめ正電圧が印加されていることである。しかしボディエリアの正電圧によって、MOSFETのしきい値電圧UTHが低減される。ボディエリアの正電位によって低減された空間電荷は、いっそう高い反転電荷によって相殺される。
【0015】
HEDに匹敵するオン状態電圧UONを得るため、PSDとして適したMOSFETでは、しきい値電圧UTHが非常に低いだけではなくボディ効果による相当大きな低減を有していなければならない。これら2つの要件は、根本的に矛盾する。したがって大きなボディ効果を得るために、ゲート酸化層の厚さおよびボディドーピングを可能な限り高く選択すると有利である。しかしボディドーピングは、選択された逆方向電圧によってすでに決定されている。他方でこのことは、低いしきい値電圧UTHを要求することと矛盾する。このような理由から、追加の措置によってしきい値電圧をボディ効果とは無関係に設定しなければならない。このことは、例えばドナーによるしきい値インプランテーションによって実施される。これにより、ボディエリア表面へのpドーピングは低下され、それによってしきい値電圧UTHも下がる。この処置によってHEDに匹敵する順方向電圧を有する疑似ショットキーダイオードが得られ、この順方向電圧はさらにZダイオードとして作用する。
【0016】
図2は、疑似ショットキーダイオード(PSD)の実施形態を例示する断面図である。ここでは断面として1つのセルのみが観察できる。高濃度にn+ドープされた半導体1上にnドープされた層2があり、この層内にpドープされた層3(ボディエリア)が施されている。ボディエリア3内には特定の間隔(チャネル長L)を空けてボディエリア3の縁から離れた、薄い、非常に高濃度にn+ドープされたエリア4(ソースエリアS)がある。半導体表面上には、例えば範囲約50〜200nmの厚さtoxの二酸化ケイ素からなる誘電層5があり、これはボディエリア3の間にあるnドープされたエリア2、チャネルLの範囲のボディエリア3、および一部はソースエリア4とも重なり合っている。この誘電層5は高濃度にドープされたポリシリコン層6(ゲート電極)によって覆われている。
【0017】
以上の点においては、この構造は一般的なプレーナーDMOS構造に相当する。
【0018】
しかし一般的なプレーナーDMOS構造とは異なり、ゲート電極はソースエリア4およびボディエリア3と電気的に絶縁されておらず、それらとガルバニックに接続されている。ポリシリコン層6およびそれによって覆われていないソースエリア4とボディエリア3の上方には金属層7があり、この層は3つのエリアを電気的に互いに接続している。これに加えてソースエリア4は直接、エリア6と接続されている。しかしこれは必ずしも不可欠ではない。なぜなら金属7によっても接続が行われるからである。金属層7は好ましくはAlSiCuまたはAlCuまたは銅から構成されている。金属層7の上方および基板1の下方には金属層系8および9があり、これらは基板1のオーム接触を保証し、および加えてハンダ付け可能な表側8および裏側9を形成している。金属層系は例えばTi/NiV/Agであってよい。コンポーネントはただ2つの端子すなわちアノード端子A(エリア8)とカソード端子K(エリア9)を備えている。しきい値電圧を低減するために、PSDのpドープされたボディエリア3はその表面に(少なくともチャネル範囲に)より低度にドーピングされる。この範囲は図2の明瞭さを保つために図示されていない。
【0019】
本発明のさらに別の実施例について、ここでもう一度図1を参照しながら説明する。名称と機能は前述の実施例と一致する。この例もやはり整流素子における、短絡したゲートエリア、ソースエリア、およびボディエリアを備えた各MOSFETであり、第3象限で動作する。これもまた、ソース端子S’とドレイン端子D’の取り替えにより、第1象限での飽和状態での動作として見なされる。しかし前述の実施例とは異なり、ここではボディ効果の好ましい影響を大部分は放棄している。それに対してしきい値電圧UTHは前述の実施例と比較してさらに大幅に低く選択されている。低いしきい値電圧UTHは、好ましくは厚さが20nm未満、例えば10nmの非常に薄いゲート酸化物を使用することによって、およびこれに加えて、やはりドナーによるpドープされたベース6のしきい値インプランテーションの実施によって達成される。一般的なSiO2ゲート酸化物の代わりに、例えばHfO2、ZrO2、Si34等(いわゆる高誘電率材料)のような、誘電率のより高い誘電性の材料を使用してもよい。このような材料は、例えばUS2010/0078707に記述されている。
【0020】
ロードダンプ時の電圧限界がPSD単独では不十分な場合、整流器内で従来型のZダイオードをPSDに並列に接続してもよい。この場合、PSDの降伏電圧はZダイオードより大きな電圧が選択される。そのようにすれば、PSDは順方向で電流を受け入れ、他方で降伏は付加的なZダイオード内でのみ行われる。
【0021】
さらに、PSD内では、例えば追加的に別の、降伏電圧を決めるpn接合を内蔵する構造を使用してよい。
【0022】
加えて、それぞれプラスダイオードだけが、またはその別法としてマイナスダイオードだけが、PSDによって代替される回路を採用してよい。
図1
図2