用于降低氮化镓晶体管中栅极电压振荡的可变电阻制造技术

本发明专利技术题为“用于降低氮化镓晶体管中栅极电压振荡的可变电阻”。本发明专利技术提供了一种半导体晶体管器件，该半导体晶体管器件包括GaN晶体管，该GaN晶体管包括漏极、栅极和源极，GaN晶体管具有驱动电压，该驱动电压施加在栅极和源极两端，并且被配置为在与GaN晶体管的导通状态相关联的导通电压和与GaN晶体管的关断状态相关联的关断电压之间切换。半导体晶体管器件还包括可变栅极‑源极电阻器，该可变栅极‑源极电阻器连接在栅极和源极之间并具有可变电阻，该可变电阻响应于驱动电压当在GaN晶体管的导通状态和关断状态之间切换时的变化而改变。

Variable resistance for reducing gate voltage oscillation in Gan transistors

【技术实现步骤摘要】
用于降低氮化镓晶体管中栅极电压振荡的可变电阻
本说明书涉及氮化镓晶体管器件中栅极电压振荡的降低。
技术介绍
氮化镓(GaN)晶体管在构建集成电路方面提供了许多优势。例如，与传统的硅基晶体管相比，GaN晶体管对于特定的导通电阻和击穿电压通常具有较小的尺寸。此外，与用于构建晶体管的其他选项相比，GaN晶体管通常在实现高功率、高频、高电压和/或高温应用方面提供优势。
技术实现思路
根据一个总体方面，一种半导体晶体管器件包括GaN晶体管，该GaN晶体管包括漏极、栅极和源极，该GaN晶体管具有驱动电压，该驱动电压施加在栅极和源极两端，并且被配置为在与GaN晶体管的导通状态相关联的导通电压和与GaN晶体管的关断状态相关联的关断电压之间切换。半导体晶体管器件还包括可变栅极-源极电阻器，该可变栅极-源极电阻器连接在栅极和源极之间并具有可变电阻，该可变电阻响应于驱动电压当在GaN晶体管的导通状态和关断状态之间切换时的变化而改变。一个或多个实施方式的细节在随附附图和以下描述中阐明。其他特征将从说明书和附图中以及从权利要求书中显而易见。附图说明图1是GaN晶体管的电路图，该电路图具有用于增强切换稳定性的可变栅极-源极电阻器。图2是示出施加到图1的GaN晶体管的示例性电压的时序图。图3是示出图1的可变源极-栅极电阻器的电阻值的电压和频率响应特性的图。图4是示出图1的电路的另选示例性实施方式的电路图。图5是示出图4的电路的示例性构造的图。图6是图1的电路的另选示例性实施方式的电路图。图7是示出图6的电路的示例性构造的图。图8是示出图6的可变栅极电阻器的电阻值的频率响应的图。图9是示出用于实现图1、图4和图6的电路的变型的示例性布局的图。图10是示出图1的可变栅极-源极电阻器的电流电压曲线图的图。图11是示出图1的可变栅极-源极电阻器的电阻值对于可变栅极-源极电阻器的不同施加电压和不同电极间距的频率响应的曲线图。图12是示出在关断操作的时间期间图1的GaN晶体管两端的栅极源极电压变化的时序图。图13是示出在接通操作的时间期间图1的GaN晶体管的栅极源极电压变化的时序图。图14A是图1、图4和图6的电路的另选实施方式的电路图。图14B是图14A的电路的另选实施方式的电路图。图15是图1、图4和图6的电路的另选实施方式的电路图。图16A是图1、图4和图6的电路的另选实施方式的电路图。图16B是图16A的电路的另选实施方式的电路图。图17是图1、图4和图6的电路的另选实施方式的电路图。图18是图1、图4和图6的电路的另选实施方式的电路图。具体实施方式在GaN晶体管的某些使用情况下，有必要或希望以相对高的速度切换晶体管。例如，GaN晶体管可以从0V的关断状态电压切换到5V的导通状态或驱动电压，反之亦然。在此类切换操作的情况中，在GaN晶体管的栅极-源极电压(VGS)中可能出现有问题的频率振荡。此类振荡可能导致各种困难，诸如GaN晶体管意外接通造成的能量损失、加速的器件或系统退化或失效、以及与其他附近电路部件的电磁兼容性问题。尽管存在各种技术来尝试最小化此类困难，但这些现有技术与其他挑战和缺点相关联。例如，现有方法可能需要消耗GaN晶体管的芯片上不期望的大量表面积，或者可能与GaN晶体管的切换速度降低或与功率损失相关联。本文所述晶体管器件可以包括连接在GaN晶体管的栅极和源极之间的可变电阻器，该可变电阻器为GaN晶体管的切换操作提供切换稳定性。栅极-源极可变电阻器可以被构造和配置成使得其电阻以降低或消除不希望的、相对高频的栅极-源极电压振荡(也称为栅极“振铃”或驱动电压(VDR)振荡)的影响的方式改变。此类驱动电压振荡通常发生在切换转换期间，此时GaN晶体管从导通切换到关断，或者从关断切换到导通。例如，当从5V到0V或者从0V到5V的驱动电压切换时，驱动电压可能在稳定在新的期望值之前振荡。此类振荡可能导致GaN晶体管在不期望区域操作，诸如接通而不是关断，反之亦然。如下文详细解释的，所述栅极-源极可变电阻器的电阻值可以被配置为响应于GaN晶体管的驱动电压的变化(幅度和/或频率)而改变。因此，当GaN晶体管关断时，栅极-源极可变电阻器的电阻值降低并有效地提供短路，这例如防止GaN经历不希望的接通。此外，当GaN正在接通时，栅极-源极可变电阻器可以提供低通滤波器，从而防止来自相对高频驱动电压振荡的不希望的影响，诸如不希望的关断。图1是本文称之为GaN晶体管102的氮化镓(GaN)增强型(E模式)高电子迁移率晶体管(HEMT)的电路图。GaN晶体管102示出为具有漏极104、栅极106、源极108，并且具有用于增强GaN晶体管102的切换稳定性的可变栅极-源极电阻器110。GaN晶体管102应该理解为代表并包括各种类型的晶体管，诸如各种类型的GaN晶体管。例如，GaN晶体管102也可以代表耗尽型(D模式)晶体管。在图1的示例中，可变栅极-源极电阻器110连接在栅极106和源极108之间。同样如上所述并在下面详细描述的，可变栅极-源极电阻器110被配置为响应于结合GaN晶体管102的驱动切换操作施加在栅极106处的驱动电压VDR而改变电阻值。作为可变栅极-源极电阻器110的电阻的此类改变的结果，GaN晶体管102的切换操作例如是稳定、可靠和快速的。此外，避免了不希望的结果，诸如能量阻塞或死区时间段，或过冲/下冲操作。图2是示出施加到图1的GaN晶体管102的示例性电压的时序图。在图2的示例中，驱动电压示出为栅极-源极电压VGS202，该栅极-源极电压可以从对应于GaN晶体管102的导通阶段的高值重复切换到对应于GaN晶体管102的关断阶段的低值。GaN晶体管102的对应切换频率(FSW)或驱动频率因此可以被选择为具有任何期望适当值。例如，切换频率或驱动频率可以出现在例如100kHz至1MHz的范围内。当从高驱动电压下的导通阶段切换到低驱动电压下的关断阶段，或者相反地，从关断阶段切换到导通阶段时，驱动电压202可能表现出不希望的振荡。例如，如图所示，驱动电压202可以经历具有频率FRES204的振荡，该频率代表瞬态谐振频率。如图所示，谐振频率FRES204可以具有与驱动电压202的幅度相当的幅度，以及比切换频率高几个数量级的频率。例如，FRES204的值可以出现在几十或几百兆赫(MHz)的范围内。图2示出了谐振频率FRES204下的操作响应于驱动电压202的关断行为而发生的示例。如上所述，此类振荡也可以响应于GaN晶体管102从关断状态到导通状态的转换而发生。图3是示出图1的可变源极-栅极电阻器110的电阻值的电压和频率响应特性的图。如图2的示例所示，图3的图示出了切换频率FSW范围302以及谐振频率FRES304的频率范围。图3进一步示出了对应于驱动电压的不同示例性值的三条示例性曲线3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体晶体管器件，包括：/nGaN晶体管，所述GaN晶体管包括漏极、栅极和源极，所述GaN晶体管具有驱动电压，所述驱动电压施加在所述栅极和所述源极两端，并且被配置为在与所述GaN晶体管的导通状态相关联的导通电压和与所述GaN晶体管的关断状态相关联的关断电压之间切换；和/n可变栅极-源极电阻器，所述可变栅极-源极电阻器连接在所述栅极和所述源极之间并具有可变电阻，所述可变电阻响应于所述驱动电压当在所述GaN晶体管的所述导通状态和所述关断状态之间切换时的变化而改变。/n

【技术特征摘要】
20181024 US 16/169,5501.一种半导体晶体管器件，包括：
GaN晶体管，所述GaN晶体管包括漏极、栅极和源极，所述GaN晶体管具有驱动电压，所述驱动电压施加在所述栅极和所述源极两端，并且被配置为在与所述GaN晶体管的导通状态相关联的导通电压和与所述GaN晶体管的关断状态相关联的关断电压之间切换；和
可变栅极-源极电阻器，所述可变栅极-源极电阻器连接在所述栅极和所述源极之间并具有可变电阻，所述可变电阻响应于所述驱动电压当在所述GaN晶体管的所述导通状态和所述关断状态之间切换时的变化而改变。


2.根据权利要求1所述的半导体晶体管器件，其中，所述可变电阻在所述切换的切换频率范围内随所述驱动电压的幅度直接改变。


3.根据权利要求1所述的半导体晶体管器件，其中，所述可变电阻响应于所述驱动电压的频率的增加而降低。


4.根据权利要求1所述的半导体晶体管器件，其中，所述可变栅极-源极电阻器包括电阻介电区，所述电阻介电区的长度短于阈值长度，以使得所述可变栅极-源极电阻器的所述可变电阻随所述GaN晶体管的所述驱动电压而直接改变，并且随所述驱动电压的驱动频率而间接改变。


5.根据权利要求1所述的半导体晶体管器件，还包括连接在所述GaN晶体管的所述栅极处的栅极电阻器，其中，所述栅极电阻器的电阻值随所述驱动电压的驱动频率而直接改变。


6.根据权利要求1所述的半导体晶体管器件，其中，所述驱动电压响应于在所述导通状态和所述关断状态之间的转换而振荡，电压振荡具有高于所述驱动电压的切换频率的谐振频率，并且所述可变栅极-源极电阻器被配置为相...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·罗伊格吉塔特，A·康斯坦特，F·J·G·德克勒克，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US