具有增加可靠性的高功率半导体电子部件制造技术

一种电子部件，其包括耗尽型晶体管、增强型晶体管和电阻器。耗尽型晶体管具有比增强型晶体管更高的击穿电压。电阻器的第一端子电连接到增强型晶体管，并且电阻器的第二端子和耗尽型晶体管的源极分别电连接到增强型晶体管的漏极。耗尽型晶体管的栅极可以电连接到增强型晶体管的源极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有增加可靠性的高功率半导体电子部件
本专利技术涉及为实现增加的可靠性而设计的半导体电子器件。
技术介绍
迄今，通常用硅（Si）半导体材料来制作用在电力电子应用中的大部分晶体管。用于电力应用的常见晶体管器件包括SiCoolMOS、Si功率MOSFETs和Si绝缘栅双极晶体管（IGBTs）。尽管Si功率器件廉价，但它们存在许多缺点，包括相对低的开关速度和高电噪声电平。近年来，碳化硅功率器件由于其优良特性已经受到关注。III-N半导体器件，诸如氮化镓（GaN）器件现在已经变为用于承载大电流、支撑高电压和提供极低的导通电阻和快速开关时间的有吸引力的候选。大多数常规III-N高电子迁移率晶体管（HEMTs）和相关晶体管器件是常开型，即，具有负阈值电压，意指它们能在零栅极电压传导电流。具有负阈值电压的这些器件称为耗尽型（D型）器件。在功率电子器件中优选的是具有常关型器件，即，在零栅极电压下实质上不传导电流的具有正阈值电压的器件，以便通过防止器件的意外导通而避免损坏器件或其他电路部件。常关型器件通常称为增强型（E型）器件。迄今已经证实高压III-NE型晶体管的可靠制作和制造很难。单个高压E型晶体管的一种替代方案是，在图1的结构中，将高压D型晶体管与低压E型晶体管结合来形成混合器件，其能以与单个高压E型晶体管相同的方式操作以及在大多数情况下，实现与单个高压E型晶体管相同或类似的输出特性，如图2所示。图1的混合器件包括能够可选地被同时装入在封装10中的高压D型晶体管23和低压E型晶体管22，所述封装包括源极引线11、栅极引线12和漏极引线13。低压E型晶体管22的源电极31和高压D型晶体管23的栅电极35两者被电连接在一起并且可以被电连接到源极引线11。低压E型晶体管22的栅电极32可以电连接到栅极引线12。高压D型晶体管23的漏电极36可以电连接到漏极引线13。高压D型晶体管23的源电极34电连接到低压E型晶体管22的漏电极33。如在此所使用地，对于两个或以上的接触或诸如导电层或部件的其他零件，如果它们由足够导电的材料来连接以确保每个接触或其他零件的电势实质上相同或大致相同而与偏置条件无关，则将它们说成“电连接”。图2的器件包括能被装入在与图1的混合器件相同或类似的封装中的单个高压E型晶体管21。高压E型晶体管21的源电极41能连接到源极引线11，高压E型晶体管21的栅电极42能连接到栅极引线12，以及高压E型晶体管21的漏电极43能连接到漏极引线13。当相对于源极引线11将0V施加到栅极引线12时，图1中的器件和图2中的器件均能阻断源极引线11和漏极引线13之间的高电压，以及当相对于源极引线11将足够的正电压施加到漏极引线13时，图1中的器件和图2中的器件均能将电流从漏极引线13传导到源极引线11。尽管存在能使用图1的混合器件代替图2的单个高压E型器件的许多应用，但难以获得诸如图1的混合器件的可接受的可靠性水平。由此期望导致更高可靠性水平的器件设计改进。
技术实现思路
在一个方面中，描述了一种电子部件。该电子部件包括：具有第一击穿电压的增强型晶体管，增强型晶体管包括第一源极、第一栅极和第一漏极；具有大于第一击穿电压的第二击穿电压的耗尽型晶体管，耗尽型晶体管包括第二源极、第二栅极和第二漏极；以及包括第一端子和第二端子的电阻器。第二端子和第二源极电连接到第一漏极，以及第一端子电连接到第一源极。电子部件能可选地包括下述特征中的一个或多个。第二栅极能电连接到第一源极。增强型晶体管可以是低压器件，以及耗尽型晶体管可以是高压器件。第二击穿电压可以是第一击穿电压的至少3倍。增强型晶体管或耗尽型晶体管可以是III-N器件。增强型晶体管可以是硅基晶体管，以及耗尽型晶体管可以是III-N晶体管。增强型晶体管能具有阈值电压，以及电阻器的电阻能够足够小以便与缺少该电阻器的电子部件相比，当偏置电子部件时，减小相对于第一源极的第一漏极的电压以使得，相对于第一源极的第一栅极的电压小于增强型晶体管的阈值电压和相对于第一源极的第二漏极的电压大于第一击穿电压并小于第二击穿电压。增强型晶体管能具有阈值电压，其中，当偏置电子部件使得相对于第一源极的第一栅极的电压小于增强型晶体管的阈值电压以及相对于第一源极的第二漏极的电压大于第一击穿电压并且小于第二击穿电压时，第一关断状态泄漏电流流过耗尽型晶体管，以及小于第一关断状态泄漏电流的第二关断状态泄漏电流流过增强型晶体管；以及在第一温度，电阻器的电阻小于第一击穿电压除以第二关断状态泄漏电流和第一关断状态泄漏电流之间的差。增强型晶体管能具有阈值电压，其中，当偏置电子部件以使得相对于第一源极的第一栅极的电压小于增强型晶体管的阈值电压以及相对于第一源极的第二漏极的电压大于第一击穿电压并且小于第二击穿电压时，第一关断状态泄漏电流流过耗尽型晶体管的第二源极，以及小于第一关断状态泄漏电流的第二关断状态泄漏电流流过增强型晶体管的第一漏极；以及在第一温度，电阻器的电阻小于第一击穿电压除以第二关断状态泄漏电流和第一关断状态泄漏电流之间的差。第一温度可以是25℃。相对于第一源极的第一栅极的电压可以是0V。电子部件能额定操作在第二温度和第三温度之间且包含该第二温度和第三温度的温度范围，第二温度小于第一温度以及第三温度大于第一温度，其中，在温度范围内的全部温度，电阻器的电阻小于第一击穿电压除以第二关断状态泄漏电流和第一关断状态泄漏电流之间的差。第二温度可以是-55℃以及第三温度为200℃。增强型晶体管能具有第一阈值电压以及耗尽型晶体管具有第二阈值电压，其中，当偏置电子部件以使得相对于第一源极的第一栅极的电压小于增强型晶体管的阈值电压以及相对于第一源极的第二漏极的电压大于第一击穿电压并小于第二击穿电压时，关断状态泄漏电流流过耗尽型晶体管的第二源极，以及在第一温度，电阻器的电阻足够大来防止关断状态泄漏电流超出临界值。第一温度可以是25℃。相对于第一源极的第一栅极的电压可以是0V。临界值可以是在电子部件的操作期间导致第二阈值中超出10V的波动的耗尽型晶体管中的关断状态泄漏电流的值。电子部件可以额定操作在第二温度和第三温度之间且包含该第二温度和第三温度的温度范围，第二温度小于第一温度以及第三温度大于第一温度，以及临界值是温度的函数，其中，电阻器的电阻足够大到在温度范围内的全部温度，防止关断状态泄漏电流超出临界值。第二温度可以是-55℃和第三温度可以是200℃。增强型晶体管能具有第一阈值电压以及耗尽型晶体管具有第二阈值电压；其中，选择电阻器的电阻，使得当偏置电子部件以便相对于第一源极的第一栅极的电压小于第一阈值电压以及相对于第一源极的第二漏极的电压大于第一击穿电压并且小于第二击穿电压时，在25℃的温度，相对于第二源极的第二栅极的电压和第二阈值电压之间的差小于10V。电子部件可以额定操作在第一温度和第二温度之间且包含该第一温度和第二温度的温度范围，其中，在温度范围内的全部温度，相对于第二源极的第二栅极的电压和第二阈值电压之间的差小于5V。第一温度可以是-55℃以及第二温度可以是200℃。耗尽型晶体管的阈值电压的绝对值可以小于第一击穿电压。耗尽型晶体管的阈值电压的绝对值可以是约10V或更大。电阻器能具有103ohms和109ohms之间的电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子部件，包括：具有第一击穿电压的增强型晶体管，所述增强型晶体管包括第一源极、第一栅极和第一漏极；具有大于所述第一击穿电压的第二击穿电压的耗尽型晶体管，所述耗尽型晶体管包括第二源极、第二栅极和第二漏极；以及包括第一端子和第二端子的电阻器，其中，所述第二端子和所述第二源极电连接到所述第一漏极，并且所述第一端子电连接到所述第一源极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.07 US 13/269,3671.一种电子部件，包括：具有第一击穿电压的增强型晶体管，所述增强型晶体管包括第一源极、第一栅极和第一漏极；以及具有大于所述第一击穿电压的第二击穿电压的耗尽型晶体管，所述耗尽型晶体管包括第二源极、第二栅极和第二漏极，所述电子部件的特征在于包括：电阻器，该电阻器包括第一端子和第二端子，其中，所述第二端子和所述第二源极电连接到所述第一漏极，并且所述第一端子电连接到所述第一源极，并且其中，将所述电阻器的电阻选择为以使得：当所述电子部件是在预定关断状态偏压条件下时，所述增强型晶体管的漏-源电压低于所述第一击穿电压。2.如权利要求1所述的电子部件，其中，所述第二栅极电连接到所述第一源极。3.如权利要求1-2之任一所述的电子部件，其中，所述增强型晶体管是低压器件，并且所述耗尽型晶体管是高压器件。4.如权利要求1-2之任一所述的电子部件，其中，所述第二击穿电压是所述第一击穿电压的至少3倍。5.如权利要求1-2之任一所述的电子部件，其中，所述增强型晶体管或所述耗尽型晶体管是III-N器件。6.如权利要求1-2之任一所述的电子部件，其中，所述增强型晶体管是硅基晶体管，并且所述耗尽型晶体管是III-N晶体管。7.如权利要求1-2之任一所述的电子部件，所述增强型晶体管具有阈值电压，其中，所述电阻器的电阻足够小到以至将偏置所述电子部件时的相对于所述第一源极的所述第一漏极的电压减小到以使得，相对于所述第一源极的所述第一栅极的电压小于所述增强型晶体管的所述阈值电压，并且相对于所述第一源极的所述第二漏极的电压大于所述第一击穿电压且小于所述第二击穿电压。8.如权利要求1-2之任一所述的电子部件，所述增强型晶体管具有阈值电压，其中，当偏置所述电子部件以使得相对于所述第一源极的所述第一栅极的电压小于所述增强型晶体管的所述阈值电压并且相对于所述第一源极的所述第二漏极的电压大于所述第一击穿电压且小于所述第二击穿电压时，第一关断状态泄漏电流流过所述耗尽型晶体管，并且小于所述第一关断状态泄漏电流的第二关断状态泄漏电流流过所述增强型晶体管；以及在第一温度，所述电阻器的电阻小于所述第一击穿电压除以在所述第二关断状态泄漏电流和所述第一关断状态泄漏电流之间的差。9.如权利要求1-2之任一所述的电子部件，所述增强型晶体管具有阈值电压，其中，当偏置所述电子部件以使得相对于所述第一源极的所述第一栅极的电压小于所述增强型晶体管的所述阈值电压并且相对于所述第一源极的所述第二漏极的电压大于所述第一击穿电压且小于所述第二击穿电压时，第一关断状态泄漏电流流过所述耗尽型晶体管的所述第二源极，以及小于所述第一关断状态泄漏电流的第二关断状态泄漏电流流过所述增强型晶体管的所述第一漏极；以及在第一温度，所述电阻器的电阻小于所述第一击穿电压除以在所述第二关断状态泄漏电流和所述第一关断状态泄漏电流之间的差。10.如权利要求9所述的电子部件，其中，所述第一温度是25℃。11.如权利要求10所述的电子部件，其中，相对于所述第一源极的所述第一栅极的电压是0V。12.如权利要求9所述的电子部件，所述电子部件额定操作在第二温度和第三温度之间且包含该第二温度和该第三温度的温度范围，所述第二温度小于所述第一温度并且所述第三温度大于所述第一温度，其中，在所述温度范围内的全部温度，所述电阻器的电阻小于所述第一击穿电压除以在所述第二关断状态泄漏电流和所述第一关断状态泄漏电流之间的差。13.如权利要求12所述的电子部件，其中，所述第二温度是-55℃以及所述第三温度是200℃。14.如权利要求1-2之任一所述的电子部件，所述增强型晶体管具有第一阈值电压以及所述耗尽型晶体管具有第二阈值电压，其中，当偏置所述电子部件以使得相对于所述第一源极的所述第一栅极的电压小于所述增强型晶体管的所述阈值电压并且相对于所述第一源极的所述第二漏极的电压大于所述第一击穿电压且小于所述第二击穿电压时，关断状态泄漏电流流过所述耗尽型晶体管的所述第二源极，以及在第一温度，所述电阻器的电阻足够大到以防止所述关断状态泄漏电流超出临界值。15.如权利要求14所述的电子部件，其中，所述第一温度是25℃。16.如权利要求15所述的电子部件，其中，相对于所述第一源极的所述第一栅极的电压是0V。17.如权利要求14所述的电子部件，其中，所述临界值是在所述电子部件的操作期间导致在所述第二阈值电压中超出10V的波动的所述耗尽型晶体管中的关断状态泄漏电流的值。18.如权利要求17所述的电子部件，所述电子部件额定操作在第二温度和第三温度之间且包含该第二温度和该第三温度的温度范围，所述第二温度小于所述第一温度以及所述第三温度大于所述第一温度，并且所述临界值是温度的函数，其中，所述电阻器的电阻足够大到以在所述温度范围内的全部温度，防止所述关断状态泄漏电流超出所述临界值。19.如权利要求18所述的电子部件，其中，所述第二温度是-55℃以及所述第三温度是200℃。20.如权利要求1-2之任一所述的电子部件，所述增强型晶体管具有第一阈值电压以及所述耗尽型晶体管具有第二阈值电压，其中，所述电阻器的电阻被选择为以使得：当偏置所述电子部件以使得相对于所述第一源极的所述第一栅极的电压小于所述第一阈值电压并且相对于所述第一源极的所述第二漏极的电压大于所述第一击穿电压且小于所述第二击穿电压时，在25℃的温度，在相对于所述第二源极的所述第二栅极的电压和所述第二阈值电压之间的差小于10V。21.如权利要求20所述的电子部件，所述电子部件额定操作在第一温度和第二温度之间且包含该第一温度和该第二温度的温度范围，其中，在所述温度范围内的全部温度，在相对于所述第二源极的所述第二栅极的电压和所述第二阈值电压之间的差小于5V。22.如权利要求21所述的电子部件，其中，所述第一温度为-55℃以及所述第二温度为200℃。23.如权利要求1-2之任一所述的电子部件，其中，所述耗尽型晶体管的阈值电压的绝对值小于所述第一击穿电压。24.如权利要求23所述的电子部件，其中，所述耗尽型晶体管的所述阈值电压的所述绝对值为10V或更大。25.如权利要求1-2之任一所述的电子部件，其中，所述电阻器具有103ohms和109ohms之间的电阻。26.如权利要求1-2之任一所述的电子部件，进一步包括具有阳极和阴极的二极管，其中，所述阳极电连接到所述第一源极或所述第二栅极，并且所述阴极电连接到所述第一漏极或所述第二源极。27.如权利要求26所述的电子部件，其中，所述二极管和所述耗尽型晶体管被集成为单个器件。28.如权利要求27所述的电子部件，其中，所述单个器件是III-N器件。29.一种电子部件，包括：具有第一阈值电压和第一击穿电压的增强型晶体管，所述增强型晶体管包括第一源极、第一栅极和第一漏极；以及具有大于所述第一击穿电压的第二击穿电压的耗尽型晶体管，所述耗尽型晶体管具有第二阈值电压，所述耗尽型晶体管包括第二源极、第二栅极和第二漏极，所述第二源极电连接到所述第一漏极，其中，在第一温度，第一偏压条件下的所述增强型晶体管的关断状态漏极电流大于第二偏压条件下的所述耗尽型晶体管的关断状态源极电流，其中，在所述第一偏压条件下，相对于所述第一源极的所述第一栅极的第一电压小于所述第一阈值电压，以及相对于所述第一源极的所述第二漏极的第二电压大于所述第一击穿电压并且小于所述第二击穿电压；以及在所述第二偏压条件下，相对于所述第二源极的所述第二栅极的第三电压小于所述第二阈值电压，以及相对于所述第二栅极的所述第二漏极的第四电压等于所述第二电压。30.如权利要求29所述的电子部件，其中，在所述第一偏压条件下，所述第一电压小于或等于0V。31.如权利要求30所述的电子部件，其中，在所述第二偏压条件下，所述第三电压的绝对值小于所述第一击穿电压。32.如权利要求29-31之任一所述的电子部件，其中，所述第一温度为25℃。33.如权利要求29-31之任一所述的电子部件，其中，所述电子部件额定操作在第二温度和第三温度之间其包含该第二温度和该第三温度的温度范围，其中，所述第二温度小于所述第一温度并且所述第三温度大于所述第二温度，以及在所述操作范围内的全部温度，所述第一偏压条件下的所述增强型晶体管的所述关断状态漏极电流大于所述第二偏压条件下的所述耗尽型晶体管的所述关断状态源极电流。34.如权利要求33所述的电子部件，其中，所述第二温度是-55℃并且所述第三温度为200℃。35.如权利要求29-31之任一所述的电子部件，其中，所述第二偏压条件下的所述耗尽型晶体管的所述关断状态源极电流小于所述第一偏压条件下的所述增强型晶体管的所述关断状态漏极电流的0.75倍。36.如权利要求29-31之任一所述的电子部件，其中，在第二温度，第三偏压条件下的所述增强型晶体管的所述关断状态漏极电流小于所述第二偏压条件下的所述耗尽型晶体管的所述关断状态源极电流，其中，在所述第三偏压条件下，所述第一电压小于所述第一阈值电压，并且相对于所述第一源极的所述第一漏极的第五电压小于所述第一击穿电压。37.如权利要求36所述的电子部件，其中，在所述第三偏压条件下，所述第一电压小于或等于0V。38.如权利要求36所述的电子部件，其中，所述第二温度小于所述第一温度。39.如权利要求36所述的电子部件，进一步包括具有第一端子和第二端子的载流部件，其中，所述第一端子电连接到所述第一源极或所述第二栅极，并且所述第二端子电连接到所述第一漏极或所述第二源极。40.如权利要求39所述的电子部件，其中，所述载流部件是电阻器或二极管。41.如权利要求39所述的电子部件，其中，所述载流部件包括电阻器和二极管。42.如权利要求29-31之任一所述的电子部件，其中，所述第二栅极电连接到所述第一源极。43.如权利要求29-31之任一所述的电子部件，其中，所述增强型晶体管是低压器件，以及所述耗尽型晶体管是高压器件。44.如权利要求29-31之任一所述的电子部件，其中，所述第二击穿电压是所述第一击穿电压的至少3倍。45.如权利要求29-31之任一所述的电子部件，其中，所述增强型晶体管或所述耗尽型晶体管是III-N器件。46.如权利要求29-31之任一所述的电子部件，其中，所述增强型晶体管是硅基晶体管，以及所述耗尽型晶体管是III-N晶体管。47.如权利要求29-31之任一所述的电子部件，所述耗尽型晶体管是包括III-N缓冲结构、III-N沟道层和III-N阻挡层的III-N晶体管，其中，所述缓冲结构被掺杂有铁、镁或碳。48.如权利要求47所述的电子部件，其中，所述III-N缓冲结构的第一层为至少0.8微米厚，并且被掺杂有Fe和C，Fe的浓度为至少8×1017cm-3以及C的浓度为至少8×1019cm-3。49.一种电子部件，包括：具有第一击穿电压和第一阈值电压的增强型晶体管，所述增强型晶体管包括第一源极、第一栅极和第一漏极；具有大于所述第一击穿电压的第二击穿电压的耗尽型晶体管，所述耗尽型晶体管具有第二阈值电压，所述耗尽型晶体管包括第二源极、第二栅极和第二漏极；以及包括第一端子和第二端子的载流部件，所述第二端子和所述第二源极电连接到所述第一漏极，并且所述第一端子电连接到所述第一源极，其中，所述载流部件被构造成：将偏置所述电子部件时的相对于所述第一源极的所述第一漏极的电压减小到以使得，相对于所述第一源极的所述第一栅极的电压小于所述第一阈值电压，并且相对于所述第一源极的所述第二漏极的电压大于所述第一击穿电压并且小于所述第二击穿电压。50.如权利要求49所述的电子部件，其中，所述载流部件是二极管。51.如权利要求50所述的电子部件，其中，所述第一端子是阳极并且所述第二端子是阴极。52.如权利要求50所述的电子部件，其中，所述第一端子是阴极并且所述第二端子是阳极。53.如权利要求50所述的电子部件，其中，所述二极管的导通电压或齐纳击穿电压小于所述第一击穿电压。54.如权利要求50所述的电子部件，其中，在第一温度，当偏置所述电子部件时流过所述二极管的电流大于流过所述增强型晶体管的所述第一漏极的关断状态电流以使得，相对于所述第一源极的所述第一栅极的电压小于所述第一阈值电压，并且相对于所述第一源极的所述第二漏极的电压大于所述第一击穿电压且小于所述第二击穿电压。55.如权利要求54所述的电子部件，其中，所述第一温度在-55℃和200℃之间。56.如权利要求50所述的电子部件，所述二极管具有大于0V的导通电压，以及所述耗尽型晶体管具有小于0V的阈值电压，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉柯许·K·拉尔，罗伯特·科菲，吴毅锋，普里米特·帕里克，尤瓦扎·多拉，乌梅什·米什拉，斯拉班缇·乔杜里，尼古拉斯·费希滕鲍姆，
申请(专利权)人：特兰斯夫公司，
类型：发明
国别省市：美国;US