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TWI813465B - 具單閘極之雙向GaN場效電晶體 - Google Patents

具單閘極之雙向GaN場效電晶體 Download PDF

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TWI813465B
TWI813465B TW111138287A TW111138287A TWI813465B TW I813465 B TWI813465 B TW I813465B TW 111138287 A TW111138287 A TW 111138287A TW 111138287 A TW111138287 A TW 111138287A TW I813465 B TWI813465 B TW I813465B
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文嘉 廖
建軍 曹
羅伯特 畢曲
智凱 唐
愛德華 李
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美商高效電源轉換公司
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Abstract

具有一單閘極之一雙向氮化鎵(GaN)場效電晶體可藉由整合一單閘極雙向氮化鎵場效電晶體來形成，該單閘極雙向氮化鎵場效電晶體與由具有一共同源極之兩個背靠背氮化鎵場效電晶體形成之一雙向裝置並聯。該單閘極雙向氮化鎵場效電晶體佔有該積體電路晶粒之大部分，使得該整合裝置具有一低通道電阻、同時亦取得一背靠背雙向氮化鎵場效電晶體之優點。

Description

具單閘極之雙向GaN場效電晶體
發明領域
本發明大體而言係有關一開關，且更特定於一雙向氮化鎵場效電晶體(FET)開關。
發明背景
一增強模式氮化鎵場效電晶體自然地為雙向-亦即，其以雙向傳導電流。然而，阻隔一氮化鎵場效電晶體之功能的電壓為非對稱-該汲極可阻隔高電壓、而該源極僅可阻隔低電壓。
具有雙閘極之背靠背氮化鎵場效電晶體，諸如美國專利申請案編號第8,604,512號中揭示，具有於每一方向傳導電流及同時阻隔高電壓的功能。然而，流經該裝置之電流必需於兩個閘極下方流動(亦即，該電流於該第一場效電晶體之閘極與該第二場效電晶體之閘極下方流動)，其會不需要地增加該通道電阻(RDS(ON))。
一單閘極雙向氮化鎵場效電晶體於美國專利申請案編號第7,465,997號中揭示，但該裝置具有一浮動基體，其會造成臨界電壓移位及動態(RDS(ON))。
因此，期望的是具有一單閘極雙向氮化鎵場效電晶體，而該基體位在源極或閘極電位(亦即，非浮動)。
發明概要
本發明藉由提供一裝置來克服習知技術之上述缺點且達到上述目的，其中該裝置中，一單閘極雙向氮化鎵場效電晶體整合於一單一晶粒上、與由具有一共同源極之兩個背靠背氮化鎵場效電晶體形成之一雙向裝置並聯。該單閘極雙向氮化鎵場效電晶體佔有該積體電路晶粒之大部分區域，使得該整合裝置具有一單一閘極裝置之低通道電阻、而無一習知單閘極雙向氮化鎵場效電晶體裝置之上述缺點。
本文所述之以上及其他較佳特徵，包括各種不同新奇的實施態樣之細節以及元件之組合，現將參照該等伴隨圖式以及於該等請求項中指出來更特別說明。應了解該等特別方法及裝置僅作為該等請求項之舉例解說而非作為限制來顯示。如業界熟於此技者所了解，在不違背該等請求項之範疇的情況下，本文教示之原則及特徵可用於各種不同及許多實施例中。
100,200,300,400,500,900:雙向增強模式氮化鎵開關
110:基體
120:氮化鎵層
130:氮化鋁鎵層
140:第一歐姆功率電極
150:第二歐姆功率電極
160:閘極
170:第三歐姆功率電極、源極
180,181,182:場板
P1-P2,P3-P4:路徑
191,192,201,203:齊納二極體
194,195:電晶體
196:比較器
200,204:二極體
205:分壓器
600,700,800:第一子開關
從下文列舉之詳細內容連同採用該等圖式時，本揭示內容之特徵、目的、以及優點將變更加明顯，其中類似參考字元於全文作相對應地識別，且其中：圖1繪示本發明之雙向增強模式氮化鎵開關，包括第一及第二子開關的一頂視圖。
圖1A及1B各別繪示該第一子開關的一頂視圖以及該第二子開關的一頂視圖。
圖2為本發明之雙向增強模式氮化鎵開關的一第一實施例之一橫截面圖。
圖3A及3C繪示該雙向增強模式氮化鎵開關之一等效電路及一方 塊圖。
圖3B為該雙向增強模式氮化鎵開關之兩個子開關的一示意圖。
圖4為本發明之雙向增強模式氮化鎵開關的一第二實施例之一橫截面圖。
圖5為本發明之雙向增強模式氮化鎵開關的一第三實施例之一橫截面圖。
圖6為本發明之雙向增強模式氮化鎵開關的一第四實施例之一橫截面圖。
圖7為本發明之雙向增強模式氮化鎵開關的一第五實施例之一橫截面圖。
圖8為一根據本發明之一第六實施例，一第一子開關，亦即，一雙向增強模式氮化鎵開關之一單閘極氮化鎵場效電晶體的橫截面圖。
圖9為一根據本發明之一第七實施例，一第一子開關，亦即，一雙向增強模式氮化鎵開關之一單閘極氮化鎵場效電晶體的橫截面圖。
圖10為一根據本發明之一第八實施例，一第一子開關，亦即，一雙向增強模式氮化鎵開關之一單閘極氮化鎵場效電晶體的橫截面圖。
圖11為於一不同佈局中包括兩個子開關之一雙向增強模式氮化鎵開關的一頂視圖。
圖12為具有閘極保護電路系統之一雙向增強模式氮化鎵開關的一橫截面圖。
圖13為一根據本發明之另一實施例，具有閘極保護電路系統之一雙向增強模式氮化鎵開關的一橫截面圖。
圖14為圖13之雙向增強模式氮化鎵開關的第一子開關之一橫截面圖。
圖15為一第一子開關之一橫截面圖，其類似圖6中所示之雙向增強模式氮化鎵開關的第一子開關，除了該基體為電氣接地、而非電氣短路至閘極160之外。
圖16為一第一子開關之一橫截面圖，其類似圖6中所示之雙向增強模式氮化鎵開關的第一子開關，除了該基體110之電位以一較低控制電壓跟隨該閘極160通過一分壓器205之外。
較佳實施例之詳細說明
下列詳細說明中，係參考某些實施例。該等實施例以充分的細節來說明使得業界熟於此技者能加以實作。應了解亦可使用其他實施例，且可作各種不同的架構、邏輯、及電氣上的改變。
圖1及圖2各別繪示根據本發明之一第一實施例，包括兩個子開關之一雙向增強模式氮化鎵開關100的一頂視圖及一橫截面圖。圖2為圖1中穿過C1-C1之一橫截面圖。圖3A及圖3C各別繪示雙向增強模式氮化鎵開關100之一等效電路圖及一方塊圖；以及圖3B顯示雙向增強模式氮化鎵開關100之兩個子開關的一示意圖。
開關100由兩個子開關，亦即，第一及第二子開關(各別為子開關#1及子開關#2)來形成。子開關#1由一單閘極氮化鎵場效電晶體所組成，而子開關#2由兩個背靠背氮化鎵場效電晶體所組成。子開關#1及子開關#2共同整合於一單一裝置中，因而擷取兩者的優點，將於下文更完整說明。參照圖1，本發明之一實際實施態樣中，子開關#1佔有該晶粒區域的大部分，而子開關#2僅佔用該晶粒區域的一小比例。
開關100包括一基體110、該基體110上之一氮化鎵層120、該氮化鎵層120上之一氮化鋁鎵層130、具有交替安排之子電極的一第一歐姆功率電極 140及一第二歐姆功率電極150、一第三歐姆功率電極170、以及一閘極160。該第一歐姆功率電極140及該第二歐姆功率電極150用來作為該第一子開關之源極/汲極(S/D或D/S，取決於電流之方向)。該第一歐姆功率電極140及該第二歐姆功率電極150亦用來作為該第二子開關之兩個背靠背場效電晶體(FET)的源極/汲極(S/D或D/S，取決於電流之方向)；且該第三歐姆功率電極170操作來作為該第二子開關之兩個背靠背場效電晶體的一共同源極。
該第一子開關中，該閘極160與該等第一及第二歐姆功率電極140、150隔開一相同距離來達到電壓阻隔功能上的對稱。亦即，該閘極160相關該等相鄰第一及第二歐姆功率電極140、150位於中央。因此，該第一子開關可於每一方向(電流從140至150、或從150至140流動)平均阻隔高電壓。具有背對背場效電晶體之該第二子開關，亦可於每一方向平均阻隔高電壓。因此，本發明之開關100為可阻隔相同電壓之一雙向增強模式氮化鎵開關，而不論哪個歐姆功率電極140、150位於一較高電位。
該第一子開關中，不僅高電壓可於電流的兩方向中被平均阻隔(從140至150、或從150至140)，而且，此外，該電流僅於一個閘極下方有利地流動。因為該第一子開關佔有該晶粒的大部分，藉由整合該第一子開關及該第二開關，相較僅包含背對背場效電晶體之一雙向開關，該開關100之通道電阻(RDS(ON))可顯著降低。取決於該應用情境，作為該第二子開關之一共同源極的該第三歐姆功率電極170，可為左浮動(如圖6所示)、或用來作為一參考點來驅動該閘極160、或連接至一齊納二極體或其他閘極保護電路來保護該閘極。藉由整合該第一子開關及該第二子開關，該開關100具有兩子開關之優點，亦即，降低的通道電阻及一參考點來驅動該閘極160。
參照圖2，該第一實施例，本發明之裝置具有四個終端：閘極160、D/S 140、S/D 150以及源極170。場板180(包含場板181及場板182)以及基體110為 電氣短路至子開關#2之源極170。沿著子開關#1之歐姆功率電極140及歐姆功率電極150間的通道，僅有一個閘極。因此，相較具有兩個閘極之一裝置，佔有該晶粒的大部分之子開關#1的通道電阻可被降低。
如圖3A所示，第一及第二子開關於該等效電路中為並聯。圖3B之上半部為該第一子開關沿如圖1中標示之路徑P1-P2的示意圖，其顯示該第一歐姆功率電極140及該第二歐姆功率電極150之間，取決於該電流的方向，該第一子開關具有一源極-閘極-汲極或汲極-閘極-源極之配置。圖3B之下半部為該第二子開關沿如圖1中標示之路徑P3-P4的示意圖，其顯示該第二子開關於該第一歐姆功率電極140及該第二歐姆功率電極150之間，具有一汲極-閘極-源極-閘極-汲極之配置，亦即，具有一共同源極之背對背場效電晶體。
圖4繪示本發明之雙向增強模式氮化鎵開關的一第二實施例之一橫截面圖。開關200具有四個終端：閘極160、D/S 140、S/D 150以及源極170。該場板180(場板181及182)短路至子開關#2之源極170。
圖5繪示本發明之雙向增強模式氮化鎵開關的一第三實施例之一橫截面圖。開關300具有四個終端：閘極160、D/S 140、S/D 150以及源極170。場板180短路至閘極160。基體110短路至子開關#2之源極170。
圖6繪示本發明之雙向增強模式氮化鎵開關的一第四實施例400之一橫截面圖。開關400具有三個終端：D/S 140、S/D 150以及閘極160。源極170為浮動。
圖7繪示一根據本發明之一第五實施例，一雙向增強模式氮化鎵開關500之橫截面圖。開關500類似圖5中所示之開關300，除了開關300中，該閘極170及該源極160之間加入一齊納二極體191(或其他適合的閘極保護電路系統)來保護該閘極170免於一過電壓造成的損害之外。該閘極接受一過電壓時，齊納二極體191崩潰以保護該閘極170。
圖8繪示一根據本發明之一第六實施例，一第一子開關600之橫截面圖。開關600類似開關400之該第一子開關，除了子開關600中，閘極160及基體110間連接之一齊納二極體192(或任何其他適合的閘極保護電路系統)來保護閘極170免於一過電壓造成的損害之外。
圖9繪示一根據本發明之一第七實施例，一第一子開關700之橫截面圖。子開關700類似子開關600，除了子開關700中，基體110由被動裝置，諸如二極體192來連接至該等歐姆功率電極140、150之每一個的較低電位之外。
圖10繪示一根據本發明之一第八實施例，一第一子開關800之橫截面圖。子開關800類似子開關600，除了該子開關600中，該基體110藉由使用一主動電路來連接至該等歐姆功率電極140、150的其中之一的較低電位之外。如圖10所示，該開關800更包括電晶體194、195以及一比較器196。該電晶體194之閘極導通時，電晶體194將基體110連接至歐姆功率電極140。該電晶體195之閘極導通時，電晶體195將基體110連接至歐姆功率電極150。比較器196係電氣連接至該等歐姆功率電極140及150、以及該等電晶體194及195之閘極，以便根據該等電極140、150之電位來控制該等第一及第二電晶體。比較器196比較該等歐姆功率電極140及150之電位以決定該等歐姆功率電極140及150的哪一個具有一較低電位，且根據該等歐姆功率電極140及150之決定的較低電位來導通電晶體194或電晶體195，以及關閉另一電晶體194或195。因此，基體110電氣連接至歐姆功率電極140及150之較低電位者。
圖11繪示一根據本發明之另一實施例，包括兩個子開關之一雙向增強模式氮化鎵開關900的頂視圖。類似開關100，開關900包括兩個子開關，亦即，第一及第二子開關(各別為子開關#1及#2)。然而，相較於開關100，開關900具有一不同的布局。例如，開關900之該共同源極170位於該裝置的一側，而非開關100中佔有該裝置的四側。儘管其布局不同，但開關900具有與開關100相同的 等效電路(圖3A)及相同的方塊圖(圖3B)。
圖12為一雙向增強模式氮化鎵開關之一橫截面圖，其類似圖6中所示之雙向增強模式氮化鎵開關400，其某些差異說明如下。圖12中，閘體160由兩/雙齊納二極體201或其他保護裝置來保護以免過電壓，其每一個位於該閘體160與第一歐姆功率電極140之間、或者該閘體160與該第二歐姆功率電極150之間。具有等於或大於該雙向開關之崩潰電壓的一高崩潰電壓之一二極體202與該等兩個齊納二極體201串聯以增加該裝置之崩潰電壓。相較於一pn二極體，針對其低順向電壓降、高崩潰電壓，使用一蕭基(Schottky)二極體較佳，且更易整合於一氮化鎵裝置平台。一高電壓氮化鎵場效電晶體可取代二極體201。該第一子開關之每一汲極-閘極或源極-閘極路徑中的兩背靠背二極體201、202可被整合、共同封裝、及/或位於外部。如圖6中，該第三歐姆功率電極170(共同源極)為浮動。
圖13為一雙向增強模式氮化鎵開關之一橫截面圖，類似圖6中所示之雙向增強模式氮化鎵開關400，其某些差異說明如下。閘體160由一齊納二極體203保護以免過電壓，該二極體與連接於閘體160及第一歐姆功率電極140之間、以及閘體160及第二歐姆功率電極150之間的兩個平行高電壓二極體204串聯。此外，使用一蕭基二極體較佳。該過電壓保護亦可由一高電壓氮化鎵場效電晶體來提供。該第一子開關之每一汲極-閘極或源極-閘極路徑中的兩背靠背二極體可被整合、共同封裝、及/或位於外部。
圖14為圖13之雙向增強模式氮化鎵開關的第一子開關之一橫截面圖。
圖15為類似圖6中所示之雙向增強模式氮化鎵開關400的第一子開關之一第一子開關的一橫截面圖，除了，圖15中，該基體110為電氣接地，而非電氣短路至閘體160之外。
圖16為一第一子開關之一橫截面圖，其類似圖6中所示之雙向增強 模式氮化鎵開關400的第一子開關，除了，圖16中，該基體110之電位透過一分壓器205以一較低控制電壓跟隨該閘極160之外。此可最小化故障情況期間該緩衝區之電洞注入及捕捉，而該裝置關閉時，高Vgd會另外造成該歐姆功率電極140及該歐姆功率電極150間之高關閉狀態漏電流。
上述說明及圖式僅視為特定實施例之舉例解說，其可達到本文所述之特徵及優點。亦可作特定程序情況之修改及替代。因此，本發明之實施例並不視為由上述說明及圖式來限制。
100:雙向增強模式氮化鎵開關 110:基體 120:氮化鎵層 130:氮化鋁鎵層 140:第一歐姆功率電極 150:第二歐姆功率電極 160:閘極 170:第三歐姆功率電極、源極 180,181,182:場板

Claims (10)

  1. 一種具有一單閘極之雙向氮化鎵場效電晶體開關，其包含： 並聯之一第一子開關及一第二子開關，其中： 該第一子開關包含一單閘極氮化鎵場效電晶體(FET)，其具有第一功率電極及第二功率電極、以及位在該第一功率電極及該第二功率電極之間的一閘極； 該第二子開關包含於一背靠背配置中連接、並具有一共同源極與一共同閘極之一第一氮化鎵場效電晶體以及一第二氮化鎵場效電晶體；以及 該第一子開關之該單閘極氮化鎵場效電晶體的該閘極係電氣連接至該第二子開關之背靠背的該第一氮化鎵場效電晶體及該第二氮化鎵場效電晶體的該共同閘極，以形成該雙向氮化鎵場效電晶體開關之該單閘極。
  2. 如請求項1之雙向氮化鎵場效電晶體開關，其中該開關於一基體上形成，且該基體係電氣連接至該單閘極。
  3. 如請求項1之雙向氮化鎵場效電晶體開關，其中該開關於一基體上形成，且該基體係電氣連接至該第二子開關之該共同源極。
  4. 如請求項1之雙向氮化鎵場效電晶體開關，其更包含至少一個場板，其中該至少一個場板係連接至該第二子開關之該共同源極。
  5. 如請求項2之雙向氮化鎵場效電晶體開關，其更包含於該第二子開關之該共同源極與該單閘極之間的一保護電路系統，其係電氣連接至該基體，以保護該單閘極免於一過電壓。
  6. 如請求項1之雙向氮化鎵場效電晶體開關，其中該開關於一基體上形成，且該基體係由各別的二極體來電氣連接至該裝置之該等功率電極。
  7. 如請求項6之雙向氮化鎵場效電晶體開關，其更包含一齊納二極體，該齊納二極體連接於每一各別的二極體與該雙向氮化鎵場效電晶體開關之該單閘極之間以為該單閘極提供過電壓保護。
  8. 如請求項1之雙向氮化鎵場效電晶體開關，其中該開關於一基體上形成，且該基體係由一主動電路來電氣連接至該裝置之電源終端，該主動電路包含連接至第一電晶體與第二電晶體之一比較器，該等電晶體各別連接於該第一功率電極及該第二功率電極與該基體之間，其中該比較器係經組配來： 比較該第一功率電極及該第二功率電極之電位；以及 將該第一電晶體及該第二電晶體中對應於具有較低電位之功率電極的一者導通。
  9. 如請求項1之雙向氮化鎵場效電晶體開關，其中該開關於一基體上形成，且該基體係連接至接地。
  10. 如請求項1之雙向氮化鎵場效電晶體開關，其中該開關於一基體上形成，且更包含電氣連接於該單閘極與接地間之一分壓器，該分壓器係電氣連接至該基體，使得該基體具有以該單閘極之一電位的一部分來跟隨該單閘極之該電位的一電位。
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