GaN基单片集成式半桥电路制造技术

技术编号:17564025 阅读:363 留言:0更新日期:2018-03-28 13:57
本发明专利技术属于半导体器件及集成电路技术领域,具体的说是涉及一种GaN基单片集成式半桥电路。与常规的由分立器件组成的半桥电路不同的是,本发明专利技术将两个增强型GaN HEMT及GaN基二极管集成至同一芯片模块上,这便于降低寄生电感,增加开关管开关速度,从而降低开关管开关功耗。同时,在半桥电路的下管两端反向并联场控二极管,这能够减小二极管电极与下管电极之间的寄生电感,使二极管与下管沟道之间能够实现快速的换流。同时,由于场控二极管的正向导通压降较低,能大幅度降低死区时间导通压降,提高系统的效率。另外,由于场控二极管制备工艺与增强型GaN HEMT完全兼容,大大降低了制备工艺的复杂程度。该型半桥电路模块适用于Buck、Boost及Buck‑Boost电路等。

GaN based monolithic integrated half bridge circuit

【技术实现步骤摘要】
GaN基单片集成式半桥电路
本专利技术属于半导体器件及集成电路
,具体的说是涉及一种GaN基单片集成式半桥电路。
技术介绍
氮化镓(GaN)是第三代宽禁带半导体材料代表,正受到各国研究人员的广泛关注。GaN具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小及良好的化学稳定性等特点,因此,GaN基HEMT器件与Si基器件相比,具有较低的导通电阻、较小寄生电容、较高的击穿电压等优良性能,可以满足下一代系统对半导体器件更大功率、更小体积、更高频率的应用需求。然而随着系统工作频率的增加,电路中原本被忽略的寄生现象更加突出,此时,寄生效应对系统的影响需要引起足够的重视。为了应对此问题,系统设计对器件设计、器件封装、PCB板布局方面提出了更高的要求。因此,对整个系统设计而言,在高频工作条件下,为实现更高的性能,主要可以从三个方面优化:器件设计层面,通过优化器件结构,使器件在相同的应用条件下,实现更高的性能;器件封装层面而言,随着系统工作频率的提高,系统对寄生效应更加敏感,不能再采用与硅基器件类似的封装,需采用更低的寄生电感的封装形式;PCB板布局层面而言,需要采用更加紧凑的布局结构来降低寄生效应。综上而言,降低各种寄生效应,合理设计器件,是研究者们需要重点解决的问题之一。例如,文献RichardReiner“IntegratedReverse-DiodeforGaN-HEMTStructures”报道设计了一种器件结构,该器件在源漏两端反向并联了肖特基二极管,能够避免通过外部电路并联二极管导致的寄生电感,同时,能够降低GaNHEMT器件逆向导通功耗。文献KangpingWang“AMultiloopMethodforMinimizationofParasiticInductanceinGaN-BasedHigh-FrequencyDC–DCConverter”报道了几种新型的PCB板布局方案,一定程度上降低了环路的寄生电感,提升了系统工作效率。文献ZhengyangLiu“EvaluationofHigh-VoltageCascodeGaNHEMTinDifferentPackages”评估了不同器件封装对器件开关特性的影响。文献TakehikoNomura“DiscreteandHalfBridgeModuleusingGaNHFETsforHighTemperatureApplicationsmorethan200℃”报道了一种GaN半桥电路,但是该半桥电路采用制备完成的GaN器件封装为半桥电路模块,而且反向并联的二极管为SiC肖特基二极管,不是真正意义上的全GaN基集成式半桥电路芯片模块。虽然近些年研究人员从多个角度优化改进基于GaN器件的系统,来提升系统整体性能,但是,这些改进均是基于分立器件组成的电路。由于分立器件必须通过外接电路进行连接实现具体的功能,因而无法进一步优化寄生效应。随着GaN工艺技术的逐步发展,GaN基功率器件作为开关电源电路的核心部件,为了降低器件之间互连导致的寄生效应,可以通过将GaN基器件设计成为GaN基单片集成式芯片来改善上述问题。
技术实现思路
本专利技术针对以上分立器件通过PCB板组装电路时寄生电感较大,及外接反向并联二极管不能有效降低死区时间导通功耗的问题,提出了一种新型的GaN基单片集成式半桥电路芯片。本专利技术所提出的GaN基单片集成式半桥电路芯片结构经过适当调整,不仅适用于Buck、Boost、Buck-Boost等直流变换的拓扑结构,同样适用于开关电源变换领域的全桥电路等。本专利技术的技术方案是:GaN基单片集成式半桥电路,包括第一GaNHEMT器件、第二GaNHEMT器件和二极管,所述第一GaNHEMT器件为增强型器件;其特征在于,所述的第一GaNHEMT器件、第二GaNHEMT器件和二极管集成在同一GaN基上;其结构为:设定器件的剖面图为由横向方向和垂直方向构成的平面,器件的俯视图为由横向方向和纵向方向构成的平面,所述的横向方向、垂直方向和纵向方向为相互垂直的三维方向;则沿垂直方向,从下至上依次包括:衬底、GaN层、位于GaN层上的有源区;沿横向方向,从器件一端到另一端依次包括:二极管的阴极、二极管的阳极、第一GaNHEMT器件的源极、第一GaNHEMT器件的漏极、第二GaNHEMT器件的源极、第二GaNHEMT器件的漏极;其中,所述的第一GaNHEMT器件的源极和第一GaNHEMT器件的漏极之间具有AlGaN层,AlGaN层下方的GaN基上层形成二维电子气沟道,AlGaN层上具有第一GaNHEMT器件的栅极;所述的第二GaNHEMT器件的源极和第二GaNHEMT器件的漏极之间具有AlGaN层,AlGaN层下方的GaN基上层形成二维电子气沟道,AlGaN层上具有第二GaNHEMT器件的栅极;并且第一GaNHEMT器件的漏极和第二GaNHEMT器件的源极之间具有间距;其中,第一GaNHEMT器件的源极、第二GaNHEMT器件的漏极与二极管的阴极电气连接,第二GaNHEMT器件的源极与二极管的阳极电气连接。本专利技术总的技术方案,与由分立式器件组装的半桥电路不同的是:本专利技术中反向并联二极管与开关管之间集成至同一芯片,能够降低二极管与下管(为了便于描述,第一GaNHEMT称为上管,第二GaNHEMT称为下管)电极之间的寄生电感,使二极管与下管沟道之间能够实现快速的换流。同样,由于集成的二极管是场控二极管,正向导通压降较低,能大幅度降低死区时间导通压降,提高系统的效率。本专利技术的工作原理是:由于该型单片集成式半桥电路芯片可以应用于多种拓扑结构中,现以Buck变换器为例(如图5所示)说明该单片式半桥电路芯片工作原理。如图4为开关管上管与下管栅极驱动信号时序图,在t0-t1阶段,如图5所示,上管栅极驱动信号大于阈值电压,上管开启,电流从开关管上管流过;在t1-t2阶段,如图6所示,开关管上管与下管栅极驱动信号均为0,两开关管沟道均处于关断状态。对于由分立器件组成的电路,由于寄生电感较大,在上管与下管换流阶段t1-t2会形成较大的di/dt,从而形成较大的感生电压,阻挡电流流过外接的反向并联二极管,而不能使二极管发挥作用,其电路示意图如图8所示。而对于该单片集成式半桥电路,由于二极管与开关管之间寄生电感可以忽略不计(如图6所示),所以在t1-t2换流阶段,电流能够顺利通过下管反向并联二极管实现导通续流,从而使反向并联二极管的发挥功能。而且由于反向并联FER二极管导通压降可调,能够实现较低的正向导通电压,低于常规GaN基肖特基二极管正向导通压降,从而能够大幅度降低死区时间导通功耗。另外,系统工作频率越高,该型反向并联二极管对系统效率的提升越明显。在t2-t3阶段,如图7所示,下管栅极驱动信号大于阈值电压,下管沟道开启,电流从反向并联二极管转为从流过。在t3-t4阶段,如图6所示,开关管下管均处于关断状态,电流从下管沟道转为从反向并联二极管流过,该阶段工作状态与t1-t2状态相似。本专利技术的有益效果是:该GaN基单片集成式半桥电路芯片很好地降低了器件之间互联产生的寄生电感,适合与高功率密度,低压,大电流,高频工作的应用场合,能有效地提升器件开关速度,降低开关管开关功耗,减少死区时间导通功耗,本文档来自技高网
...
GaN基单片集成式半桥电路

【技术保护点】
GaN基单片集成式半桥电路,包括第一GaN HEMT器件、第二GaN HEMT器件和二极管,所述第一GaN HEMT器件为增强型器件;其特征在于,所述的第一GaN HEMT器件、第二GaN HEMT器件和二极管集成在同一GaN基上;其结构为:设定器件的剖面图为由横向方向和垂直方向构成的平面,则沿垂直方向,从下至上依次包括:衬底、GaN层、位于GaN层上的有源区;沿横向方向,从器件一端到另一端依次包括:二极管的阴极、二极管的阳极、第一GaN HEMT器件的源极、第二GaN HEMT器件的源极、第二GaN HEMT器件的漏极、第一GaN HEMT器件的漏极;其中,所述的第一GaN HEMT器件的源极和第一GaN HEMT器件的漏极之间具有AlGaN层,AlGaN层下方的GaN基上层形成二维电子气沟道,AlGaN层上具有第一GaN HEMT器件的栅极;所述的第二GaN HEMT器件的源极和第二GaN HEMT器件的漏极之间具有AlGaN层,AlGaN层下方的GaN基上层形成二维电子气沟道,AlGaN层上具有第二GaN HEMT器件的栅极;并且第二GaN HEMT器件的漏极和第一GaN HEMT器件的源极之间具有间距;其中,第一GaN HEMT器件的源极、第二GaN HEMT器件的漏极与二极管的阴极电气连接,第二GaN HEMT器件的源极与二极管的阳极电气连接。...

【技术特征摘要】
1.GaN基单片集成式半桥电路,包括第一GaNHEMT器件、第二GaNHEMT器件和二极管,所述第一GaNHEMT器件为增强型器件;其特征在于,所述的第一GaNHEMT器件、第二GaNHEMT器件和二极管集成在同一GaN基上;其结构为:设定器件的剖面图为由横向方向和垂直方向构成的平面,则沿垂直方向,从下至上依次包括:衬底、GaN层、位于GaN层上的有源区;沿横向方向,从器件一端到另一端依次包括:二极管的阴极、二极管的阳极、第一GaNHEMT器件的源极、第二GaNHEMT器件的源极、第二GaNHEMT器件的漏极、第一GaNHEMT器件的漏极;其中,所述的第一GaN...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈万军信亚杰施宜军崔兴涛李茂林李佳张波
申请(专利权)人:电子科技大学电子科技大学广东电子信息工程研究院
类型:发明
国别省市:四川,51

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1