CN104104384A - 级联的半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种级联晶体管电路，具有耗尽模式晶体管和开关装置。栅极偏置电路连接在耗尽模式晶体管的栅极和低电源线之间。栅极偏置电路适用于补偿开关装置的二极管功能的正向电压。将耗尽模式晶体管和栅极偏置电路形成为集成电路的一部分。

Description

级联的半导体器件
技术领域
本发明涉及一种级联的半导体器件。本发明具体地涉及具有开关装置的级联电路中的耗尽模式晶体管。
背景技术
本发明特别地涉及耗尽模式晶体管，例如氮化镓(GaN)晶体管(例如，GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)或者碳化硅(SiC)场效应晶体管。基本的GaN功率半导体是耗尽模式(常通)器件。然而，这具有以下缺点：在施加电源之前主动地关断基本GaN功率半导体，否则所述器件会将电源短路。此外，依赖于环境，当使用开关电感性负载时，例如在应用中可能发生较大的负电流(即从源极到漏极而不是从漏极到源极的电流)的情况下，较大的电流将流到栅极中。因为这可能会容易地破坏栅极结构，必须防止这种情况。
例如，可以通过添加反并联二极管来在应用电路中实现这种措施，但是这是不利的，因为常规的硅MOSFET不需要这种附加的电路。因此，这使得将现有MOSFET替换为GaN功率晶体管没有吸引力。
试图在功率半导体的叠层中引入附加的层以使得器件常断(从而与MOSFET可互换)伴随着器件性能的恶化。因此，级联高电压GaN开关和传统低电压硅MOSFET是将硅和GaN功率器件的优势进行组合的一种可变选项。
已知的是向级联电路中的GaN功率晶体管提供硅MOSFET开关。级联开关的优势在于可以现有的标准栅极驱动器，因为器件驱动特性主要由硅MOSFET限定。因此，可以将所述器件用作硅MOSFET或IGBT的直接替代。
图1示出了以级联结构将常开氮化镓晶体管(MGaN)和常断硅MOSFET晶体管(MSi)功率开关串联连接的公知方法。随着与硅基开关相比具有更高器件特性的新GaN和SiC功率半导体的兴起，这种方法对于功率电子应用变得越来越受欢迎。
在图1的标准级联结构中，通过栅极驱动器只有源控制功率MOSFETMSi，所述栅极驱动器产生栅极信号VGM。当将MOSFET MSi漏极-源极电压连接为等于GaN源极-栅极电压时，经由硅MOSFET MSi间接地控制GaN开关MGaN。
基本GaN晶体管具有肖特基栅极接触(非绝缘)。在GaN晶体管的栅极与源极或漏极之间的正电压大于肖特基接触的正向电压时，电流流过。图2是描述了这种GaN晶体管的示范性栅极接触行为的曲线。可以清楚地看出栅极具有0.9V(即VF＝0.9V)的拐点电压(在这种示范性情况下)的典型(肖特基)二极管行为。
因为GaN HEMT是场效应晶体管，栅极不是设计用于传导DC正向电流。但是在级联结构中使用GaN HEMT的情况下，当级联开关反向操作时可以发生明显的正向栅极电流(IG＞0.4mA/μm2)。在针对图1的级联电路的反向传导模式情况下的两个可能电流路径由图3中的虚线箭头示出。
图4包括第一曲线和第二曲线，分别示出了针对图1的级联电路中的600V/250mΩGaN开关的漏极电流(ID)和栅极电流(IG)对电压的测量变化。对于较高的反向漏极电流，GaN HEMT栅极二极管导通。还可以看出栅极电流在8A的漏极电流下达到了360mA的最大值(即IG＝360mAID＝8A)。
GaN HEMT是在管芯表面上具有栅极、漏极和源极指状部的横向器件。在图5A和5B中分别示出了传统的GaN HEMT的示范性器件布局和横截面。单独的栅极指状部的长度是500μm(即LGF＝500μm)，而HEMT晶体管的总宽度是48mm。(Al)栅极金属的厚度是360nm(即Th＝360nm)，具有1.6μm的指状部宽度(即WGF＝1.6μm)。
假设栅极指状部两端的恒定电流密度的最优情况，可以将每一个栅极指状部的起点处的最大电流密度估计如下：
J G = I G / W × W GF T × L = 360 mA / 48 mm × 0.5 mm 360 nm × 1.6 um = 6.5 mA / μm 2
因此可以看出栅极电流密度容易超过0.4mA/μm2的电子迁移限制。因此，图1所示的级联电路的传统GaN开关不能以反向传导模式可靠地操作。
然而，反向传导模式在许多功率转换应用中具有重大价值。
发明内容
根据本发明，提出了一种如权利要求限定的级联晶体管电路。
根据一个方面，提出了一种级联晶体管电路，包括：第一耗尽模式晶体管，其漏极与高电源线相连；开关装置，连接在第一晶体管的源极和低电源线之间；以及栅极偏置电路，连接在第一晶体管的栅极和低电源线之间，所述栅极偏置电路适用于补偿开关装置的二极管功能的正向电压，其中第一晶体管和栅极偏置电路形成为集成电路的一部分。
本发明提出了一种级联电路，所述级联电路包括栅极偏置电路，所述栅极偏置电路可以补偿开关装置(例如硅MOSFET的体二极管)的二极管功能的正向电压。因此，实施例可以减小针对反向漏极电流的栅极电流，并且使能了反向传导模式下的可靠操作。
实施例可以使能级联开关可靠地反向操作。这种级联开关可以用于自由旋转目的，由于反向恢复电荷及其相关联的开关损耗较低，这是有益的。
在第一示例中，栅极偏置电路包括并联以及沿相反方向连接的二极管对。两个二级管的第一二级管用于确保硅MOSFET体二极管的正向电压和耗尽模式晶体管栅极接触的正向电压之间的关系是有利的，从而减小栅极电流。两个二级管的第二二级管用于确保在切换期间对耗尽模式晶体管的输入电容进行充电和放电。
耗尽模式晶体管可以包括高电子迁移率晶体管，并且开关装置可以包括沟槽MOS晶体管。
本发明还提出了一种电路结构，所述电路结构包括本发明的级联晶体管电路。电源可以使用这种电路结构。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：
图1示出了已知的级联电路；
图2是描述了传统的GaN晶体管的示范性栅极接触行为的曲线；
图3描述了在针对图1的级联电路的反向传导模式情况下的两种可能电流路径；
图4描述了第一曲线和第二曲线，所述第一曲线和第二曲线分别示出了针对图1的级联电路中的600V/250mΩGaN开关的测量的漏极电流和栅极电流随电压的变化；
图5A和5B分别描述了传统GaN HEMT的示范性器件布局和横截面；
图6示出了根据本发明实施例的级联晶体管电路；
图7描述了第一曲线和第二曲线，所述第一曲线和第二曲线分别示出了针对图6的级联晶体管电路中的GaN开关的测量的漏极电流和栅极电流随电压的变化；
图8描述了根据本发明实施例的示范性器件布局；以及
图9示出了根据本发明另一个实施例的级联晶体管电路。
具体实施方式
本发明的实施例提出了一种级联晶体管电路，具有形成的主耗尽模式晶体管和级联MOSFET，对所述两个晶体管进行封装以形成所述级联晶体管电路。偏置电路连接在功率晶体管的栅极和电路的低电源线之间。将偏置电路集成到晶体管电路中，用于补偿级联MOSFET的体二极管的正向电压。在没有偏置电路的情况下，肖特基栅极与级联MOSFET的体二极管并联。因为正向电压可以是几乎相等的，较大的电流可以流过肖特基栅极。
偏置电路针对反向电流有意增加肖特基栅极的正向电压，因此所有的电流将流过MOSFET体二极管。
因此，所提出的级联晶体管电路结构可以使能级联开关可靠地反向操作。
参考图6，示出了根据本发明实施例的级联晶体管电路。所述电路与图1所示的传统电路类似的地方在于：所述电路包括在高电源线和低电源线之间级联结构的常通GaN晶体管MGaN和常断硅MOSFET晶体管MSi功率开关的串联连接。更具体地，GaN晶体管MGaN的漏极与高电源线电压VD相连，并且GaN晶体管MGaN的源极与硅MOSFET晶体管MSi的漏极相连。硅MOSFET晶体管MSi的源极与低电源线电压相连。
高电源线和低电源线一起限定了电源，即高电源线是一对电源轨的高侧电源轨，并且低电源线是一对电源轨的低侧电源轨。
然而，图6的实施例还包括连接在GaN晶体管MGaN的栅极和硅MOSFET晶体管MSi的源极(也与低电源线相连)之间的栅极偏置电路10。更具体地，栅极偏置电路10包括并联并且沿相反方向连接的一对二极管D1、D2。可以将二极管D1、D2称作以“反并联”结构连接，因为它们并联连接但是沿相反的正向方向。第一二极管D1的正向方向是从硅MOSFET晶体管MSi的源极到GaN晶体管MGaN的栅极，而第二二极管D2的正向方向是从GaN晶体管MGaN的栅极到硅MOSFET晶体管MSi的源极。
将二极管D1和D2与GaN晶体管MGaN集成，并且因此可以称作GaN集成反并联二极管。
这些附加的栅极串联二极管D1、D2增加了GaN HEMT栅极的势垒高度。
硅MOSFET MSi体二极管14的正向电压和GaN晶体管MGaN栅极接触的正向电压之间的关系因此是有利的。
图7描述了第一曲线和第二曲线，所述第一曲线和第二曲线分别示出了针对图6的级联电路中的600V/250mΩGaN晶体管的测量的漏极电流和栅极电流随电压的变化。
可以看出与针对图4所示的传统GaN晶体管级联电路的栅极电流测量相比，栅极电流显著地减小了(在ID＝8A的漏极电流下减小至IG＝160μA)。
对于这一事例，可以将最大栅极电流密度计算如下：
J G = 160 μA / 48 mm × 0.5 mm 360 nm × 1.6 um = 2.9 μA / μm 2
栅极电流密度的该值刚好小于0.4mA/μm2的电子迁移限制。因此维持了级联电路的漏极电流，以及反向传导能力。
第二反并联二极管D2用于确保在切换期间GaN晶体管MGaN的输入电容进行充电和放电。换句话说，第二反并联二极管D2使能了栅极电流沿两个方向流动。
反并联栅极二极管D1和D2可以容易地集成到与晶体管MGaN相邻的GaN管芯上。作为示例，图8描述了具有根据实施例的集成反并联二极管D1和D2的GaN HEMT。这里，二极管D1和D2要求集成器件的总有源面积的约6.5％。
可以将根据实施例的级联电路形成为封装器件。例如，这种封装器件可以具有从GaN晶体管MGaN的漏极到第一封装端子的第一连接、从硅MOSFET晶体管MSi的栅极到第二封装端子的第二连接、以及从硅MOSFET晶体管MSi的源极到第三封装端子的第三连接。封装端子之一可以包括管芯附着焊盘端子。
实施例可以用于功率转换应用中，其中要求常断开关并且GaN级联器件提供益处。示范性应用包括功率因子校正(PFC)电路(例如，连接电网的电源)；高电压转换器电路(例如，马达驱动或者光伏逆变器)的相位管脚；以及软切换转换器电路。
参考图9，示出了根据本发明另一个实施例的级联晶体管电路。所述电路是图6所示的电路，不同之处在于已经用肖特基二极管20替换了MOSFET晶体管MSi功率开关。因此，所述电路包括在高电源线和低电源线之间的级联结构的常通GaN晶体管MGaN和肖特基二极管20的串联连接。更具体地，GaN晶体管MGaN的漏极与高电源线电压VD相连，并且肖特基二极管20连接在GaN晶体管MGaN的源极和低电源线电压之间。肖特基二极管20的正向方向是从低电源线至GaN晶体管MGaN的源极。
如同图6的实施例那样，图9的实施例包括连接在GaN晶体管MGaN的栅极和低电源线之间的栅极偏置电路10。栅极偏置电路10包括并联连接并且沿相反方向连接的一对二极管D1、D2。如前所述，可以将二极管D1、D2称作连接为“反并联”结构，因为它们并联连接并且沿相反的正向方向连接。二极管D1和D2与GaN晶体管MGaN集成，因此可以称作GaN集成反并联二极管。偏置电路针对反向电流而有意增大肖特基栅极的正向电压，因此所有的电流将流过肖特基二极管20。
因此，实质上，已经用二极管20替换了图6的实施例的M0SFET晶体管MSi，以获得较好的高电压二极管。GaN晶体管MGaN将阻断高电压，并且低电压二极管20限定了非常低的反向恢复电荷。
通过学习附图、公开和所附权利要求，本领域普通技术人员在实践要求权利的本发明时可以理解和实现所公开实施例的其他变化。唯一的事实在于在相互不同的从属权利要求中引用的特定措施不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任意参考符号不应该解释为限制范围。

Claims (11)

1.一种级联晶体管电路，包括：
第一耗尽模式晶体管(MGaN)，其漏极与高电源线相连；
开关装置，连接在第一晶体管的源极和低电源线之间，所述开关装置包括用于使能在第一晶体管中的反向电流的二极管功能；以及
栅极偏置电路(10)，连接在第一晶体管的栅极和低电源线之间，所述栅极偏置电路适用于补偿开关装置的二极管功能的正向电压，
其中第一晶体管和栅极偏置电路形成为集成电路的一部分。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述栅极偏置电路包括一个或多个二极管。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述栅极偏置电路包括并联并且沿相反方向连接的第一二极管(D1)和第二二极管(D2)。
4.根据任一前述权利要求所述的电路，其中所述第一耗尽模式晶体管(MGaN)包括氮化镓或碳化硅晶体管。
5.根据任一前述权利要求所述的电路，其中所述第一耗尽模式晶体管(MGaN)包括高电子迁移率晶体管。
6.根据任一前述权利要求所述的电路，其中所述开关装置包括硅MOSFET(MSi)，所述硅MOSFET的漏极与第一晶体管的源极相连，所述硅MOSFET的源极与低电源线相连，所述硅MOSFET包括体二极管。
7.根据权利要求6所述的电路，其中所述硅MOSFET(MSi)包括沟槽MOS晶体管。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的电路，其中所述开关装置包括二极管，所述二极管的正向方向是从低电源线到耗尽模式晶体管(MGaN)的源极。
9.根据任一前述权利要求所述的电路，利用从第一晶体管漏极到第一封装端子的第一连接和从开关装置到第二封装端子的第二连接形成为封装器件，其中所述封装端子之一包括管芯附着焊盘端子。
10.一种电路结构，包括根据任一前述权利要求所述的级联晶体管申路。
11.一种装置，包括根据权利要求10所述的电路结构，其中所述装置包括：
电源；或者
功率因子校正电路；或者
逆变器电路；或者
开关模式功率转换电路。
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