一种单片集成式GaN基半桥电路及半桥电路制造技术

一种单片集成式GaN基半桥电路及半桥电路。单片集成式GaN基半桥电路，在导电衬底上依次设有成核层、缓冲层、沟道层和势垒层，势垒层和沟道层由隔离层分割，设置二极管和集成电容、低侧管、高侧管、第一集成电阻器及第二集成电阻器。半桥电路包括：低侧管及高侧管，低侧管的漏极与高侧管的源极连接有输出端子Vout，低侧管衬底与高侧管衬底连接，在高侧管漏极与低侧管源极上并接一串联电阻，串联电阻由第一集成电阻器和第二集成电阻器串联构成且串联节点连接于导电衬底；在串联节点与低侧管源极上并接有集成电容；在输出端子Vout与串联节点之间连接有二极管且二极管的阳极连接于输出端子Vout、阴极连接于所述串联节点。阴极连接于所述串联节点。阴极连接于所述串联节点。

【技术实现步骤摘要】
一种单片集成式GaN基半桥电路及半桥电路


[0001]本专利技术涉及半导体器件及集成电路
，是一种单片集成式GaN基半桥电路及半桥电路。

技术介绍

[0002]功率集成电路被广泛应用于电力传输、电动汽车和家用电器等各种领域，与生产、生活密不可分。功率器件是功率集成电路的核心，随着科技的发展，当今半导体产业对功率器件的要求与日俱增，主要要求包括高功率密度、低导通电阻、高可靠性、高频率、小体积和强抗辐照能力等。然而硅基材料的性能已经逼近其理论极限，因此第三代半导体材料的应用势在必行。第三代半导体材料氮化镓具有禁带宽度宽、临界击穿场强大和电子饱和速度高等优点，氮化镓(GaN)和铝镓氮(AlGaN)形成的异质结会在界面处形成高浓度的二维电子气，可被用于高电子迁移率晶体管(HEMT)，其电子迁移率可达到900～2000cm2/V
·
s，可以实现远低于硅基器件的导通电阻，因此很适合用作功率器件。
[0003]功率器件常用于在功率集成电路中构成半桥电路，作为电力输运的“门户”，半桥电路的性能对功率集成电路有着重要地位。对于集成在一块衬底上的半桥电路而言，高侧管和低侧管的衬源电位统一一直以来都是影响其发展的一道难题。以上述的GaNHEMT器件为例，在正常工作时器件的衬底和源极之间应该不存在偏置。而在半桥电路的使用中，高侧管的源极和低侧管的漏极连接在一起，导致在不同的衬底接法时，高侧管和低侧管面临着不同情况的衬源偏置问题，这种衬底和源极之间存在偏置电压的情形被称为衬底偏置效应。研究表明：衬底静态负偏会导致导通电阻增加，静态正偏不会对导通电阻产生影响；动态负偏和动态正偏都会导致导通电阻先增大再恢复正常。因此，在设计中应尽量避免出现衬底静态负偏、动态负偏和动态正偏的情形。
[0004]目前商用的单片集成式GaN基半桥电路主要通过将衬底接GND或接输出端Vout的方式降低衬底偏置效应带来的不利影响。但衬底接GND，高侧管导通低侧管关闭时，高侧管会出现严重的的静态负偏，导致高侧管的导通电阻显著增加，严重加大了功率损耗。衬底接输出端Vout，低侧管从关闭到导通，低侧管会出现动态正偏，导致低侧管导通电阻增加，严重加大了功率损耗。通过介质隔离可以实现半桥结构中高侧管和低侧管，但是会导致工艺复杂化，并且会降低制造的良率，也不利于集成电路制造的兼容性。外接无源元件也可以较大限度的改善衬底偏置效应，但这也极大的限制了半桥电路在对高可靠性、高频率、小体积和强抗辐照有需求的领域上的应用。
[0005]因此，一种受衬底偏置效应影响较小、能够满足特殊应用领域需求的单片集成式GaN基半桥电路是必要的。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对上述问题，公开了一种单片集成式GaN基半桥电路及半桥电路，将GaNHEMT半桥电路和电阻等无源元件集成到同一衬底上，以改善衬底偏置效应引起的
GaNHEMT导通电阻增加，从而降低半桥电路的功率损耗。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]本专利技术所述的一种单片集成式GaN基半桥电路，包括：基底，所述基底包括导电衬底，在导电衬底上依次设有成核层、缓冲层、沟道层和势垒层，在势垒层上设有氧化物钝化层，基底还包括隔离层，隔离层始自势垒层表面并穿过势垒层和沟道层后进入缓冲层，所述势垒层和沟道层由隔离层分割形成二极管电容区、低侧管区、高侧管区、第一电阻区及第二电阻区，在二极管电容区上设置二极管和集成电容，在低侧管区、高侧管区、第一电阻区及第二电阻区上分别设置低侧管、高侧管、第一集成电阻器及第二集成电阻器；
[0009]所述二极管包括连接于二极管电容区内势垒层上表面的源极金属、第一P型氮化镓层及兼作集成电容的一个极板的阴极金属，在第一P型氮化镓层上设有栅极金属，源极金属与栅极金属连接并作为二极管的阳极；在氧化物钝化层的表面上设有作为集成电容另一个极板的接地金属；
[0010]所述低侧管包括连接于低侧管区内势垒层上表面的低侧管源极金属、第二P型氮化镓层及低侧管漏极金属，在第二P型氮化镓层上设有低侧管栅极金属；
[0011]所述高侧管包括连接于高侧管区内势垒层上表面的与所述低侧管漏极金属和二极管阳极连接的高侧管源极金属、第三P型氮化镓层及高侧管漏极金属，在第三P型氮化镓层上设有高侧管栅极金属；
[0012]第一集成电阻器与第二集成电阻器串联连接且串联节点连接于导电衬底，串联连接的第一集成电阻器与第二集成电阻器的一端与所述高侧管漏极金属连接，串联连接的第一集成电阻器与第二集成电阻器的另一端与所述接地金属连接。
[0013]本专利技术所述的一种半桥电路，包括：低侧管及高侧管，低侧管的漏极与高侧管的源极连接并连接有输出端子Vout，低侧管衬底与高侧管衬底连接，在高侧管漏极金属与低侧管源极金属上并接一串联电阻，所述串联电阻由第一集成电阻器和第二集成电阻器串联构成，第一集成电阻器与第二集成电阻器串联节点连接于导电衬底；在所述串联节点与低侧管源极金属上并接有集成电容；在输出端子Vout与所述串联节点之间连接有二极管且二极管的阳极连接于输出端子Vout、阴极连接于所述串联节点。
[0014]与现有技术相比，本专利技术结构具有如下优点：
[0015]1、本专利技术将衬底通过电阻连接到低侧管的源端，同时在电阻两端并联电容，将衬底通过电阻连接到高侧管的漏端，将衬底通过二极管连接到输出端。设二极管具有正向导通压降V
F
，高侧管导通时，高侧管衬底
‑
源极的电压差V
BS
约为
‑
V
F
，避免了高侧管导通时静态负偏的影响。低侧管从关闭到导通时，通过电容稳压，低侧管衬底
‑
源极的电压差V
BS
从V
BUS
‑
V
F
慢慢降到V
BUS
/2，使V
BS
转换速度变慢，从而降低动态正偏效应。高侧管从关闭到导通时，通过电容稳压，高侧管衬底
‑
源极的电压差V
BS
从V
BUS
/2慢慢降到
‑
V
F
，使V
BS
转换速度变慢，从而降低动态正偏效应。
[0016]2、本专利技术将GaNHEMT器件与无源元件集成在同一衬底上，在改善衬底偏置效应的同时保有了GaN材料带来的优异工作特性。本专利技术使用衬底通孔，将衬底电位引至表面金属互连层，衬底通孔可以有效地增强金属与衬底之间的粘合强度，避免出现金属剥离或脱落的问题，此外，衬底通孔还可以用于防止器件内外的电场相互干扰，提高电路的电磁兼容性(EMC)。本专利技术通过二维电子气或二维空穴气以及互联金属形成无源元件，无源元件被连接
在衬底电位和GaN HEMT器件的源极或漏极间，起分压、选通的作用，改善了衬底偏置效应对半桥结构的不利影响。由于无源元件也是GaN基，与GaNHEMT器件一样具备高工作温度、高工作频率、高击穿场强和强抗辐照能力的优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单片集成式GaN基半桥电路，包括：基底(10)，所述基底(10)包括导电衬底(11)，在导电衬底(11)上依次设有成核层(12)、缓冲层(13)、沟道层(14)和势垒层(15)，在势垒层(15)上设有氧化物钝化层(90)，其特征在于，基底(10)还包括隔离层(80)，隔离层(80)始自势垒层(15)表面并穿过势垒层(15)和沟道层(14)后进入缓冲层(13)，所述势垒层(15)和沟道层(14)由隔离层(80)分割形成二极管电容区、低侧管区、高侧管区、第一电阻区及第二电阻区，在二极管电容区上设置二极管(20)和集成电容(30)，在低侧管区、高侧管区、第一电阻区及第二电阻区上分别设置低侧管(40)、高侧管(50)、第一集成电阻器(60)及第二集成电阻器(70)；所述二极管(20)包括连接于二极管电容区内势垒层(15)上表面的源极金属(21)、第一P型氮化镓层(22)及兼作集成电容(30)的一个极板的阴极金属(24)，在第一P型氮化镓层(22)上设有栅极金属(23)，源极金属(21)与栅极金属(23)连接并作为二极管(20)的阳极；在氧化物钝化层(90)的表面上设有作为集成电容(30)另一个极板的接地金属(A2)；所述低侧管(40)包括连接于低侧管区内势垒层(15)上表面的低侧管源极金属(41)、第二P型氮化镓层(42)及低侧管漏极金属(44)，在第二P型氮化镓层(42)上设有低侧管栅极金属(43)；所述高侧管(50)包括连接于高侧管区内势垒层(15)上表面的与所述低侧管漏极金属(44)和二极管(20)阳极连接的高侧管源极金属(51)、第三P型氮化镓层(52)及高侧管漏极金属(54)，在第三P型氮化镓层(52)上设有高侧管栅极金属(53)；第一集成电阻器(60)与第二集成电阻器(70)串联连接且串联节点连接于导电衬底(11)，串联连接的第一集成电阻器(60)与第二集成电阻器(70)的一端与所述高侧管漏极金属(54)连接，串联连接的第一集成电阻器(60)与第二集成电阻器(70)的另一端与所述接地金属(A2)连接。2.根据权利要求1所述的单片集成式GaN基半桥电路，其特征在于，在二极管电容区开设第一衬底通孔金属(25)，第一衬底通孔金...

【专利技术属性】
技术研发人员：张龙，盘成务，郑贵强，刘斯扬，孙伟锋，时龙兴，
申请(专利权)人：东南大学—无锡集成电路技术研究所，
类型：发明
国别省市：