多端子氮化镓功率晶体管制造技术

本发明专利技术涉及一种氮化镓(Gallium Nitride，GaN)功率晶体管(100、300、500、600)，包括：源极焊盘(S)；漏极焊盘(D)；第一栅极焊盘(G1)和第二栅极焊盘(G

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多端子氮化镓功率晶体管


[0001]本专利技术涉及面向功率器件应用的氮化镓(Gallium Nitride，GaN)
本专利技术尤其涉及用于最高效率电源转换器的分离栅极GaN技术中的多端子GaN功率晶体管。

技术介绍

[0002]尽管电源供应器的效率在过去十年中得到了显著提高，但是大部分工作仍然集中在提高中负载到重负载的效率上。然而，轻负载效率变得越来越重要。例如，80
‑
Plus钛金效率标准不仅要求在50％负载下效率为96％，而且要求在10％负载下效率为90％，在20％负载下效率为94％。电源转换器的效率可以描述为负载电流的函数。已经表明，在轻负载条件下，相对于峰值负载条件，效率大大降低。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种用于GaN功率晶体管的新型器件概念，该概念允许极大地提高电源转换器的效率，尤其是在轻负载条件下。
[0004]该目的通过独立权利要求的特征来实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。
[0005]本专利技术的基本思想是提供一种可配置的多端子GaN器件，由于所述器件固有的横向特性，其尺寸和品质因数(figure of merit，FOM)可以在器件操作期间进行调整。本专利技术还提供了一种具有多个端子的可配置GaN布局，所述布局可以根据转换器操作(轻负载或重负载)修改芯片面积，从而修改性能并尽可能地实现恒定的最高效率。所述器件的性能(Q
G
、Q
GD
、Q
OSS
、R
DSON
)可以在器件操作期间进行电调整。
[0006]本专利技术基于以下发现：电源转换器的设计主要是在效率和功率密度之间进行权衡。功率密度主要取决于无源元件和散热器体积，而效率主要受半导体损耗(传导和开关)的影响。可以按如下方式执行简单的损耗分解：
[0007]·
传导损耗：R*I2*D
[0008]·
栅极驱动损耗：Q
G
*V
G
*f
[0009]·
输出电容损耗：C
OSS
*V
DS2
*f
[0010]·
交叉损耗：I
ON
*V
DS
*dt
[0011]其中，D表示转换器占空比，Q
g
表示栅极电荷，C
oss
表示输出电容，f表示工作频率，最后dt表示晶体管同时经历高电流、高电压的时间。
[0012]转换器效率取决于输入电压和晶体管尺寸这两者。在用于电池充电器应用的DC
‑
DC降压转换器示例中，当电池放电时，降压开关应打开更长时间，以将输出电压保持在所需的电平。因此，在这些条件下，具有低通态电阻的晶体管是有利的，以便最大限度地减少传导损耗。另一方面，当电池充满电时，器件输出电容在决定整体转换器效率方面起着更重要的作用。
[0013]基于上述考虑，已经表明，根据转换器的状态及其负载条件，需要具有不同品质因
数的半导体器件。能够在操作期间动态地调整器件品质因数允许始终在最大效率条件下运行转换器。
[0014]基于上述发现，本专利技术提供了一种新的半导体器件，所述半导体器件的性能可以在器件操作期间进行电调整。尽管下文以GaN半导体器件为例介绍了所述半导体器件，但应当理解的是，基本概念也可应用于其它半导体技术。
[0015]为了详细描述本专利技术，将使用以下术语、缩写和符号：
[0016]GaN
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
氮化镓
[0017]FET
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
场效应晶体管
[0018]pGaN
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
p掺杂GaN
[0019]AlGaN
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
氮化铝镓
[0020]2DEG
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
二维电子气
[0021]HV
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高压(工作)，例如>600V
[0022]MV
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中压(工作)，例如200
‑
600V
[0023]V
TH
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阈值电压
[0024]S
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源极或源极焊盘
[0025]D
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漏极或漏极焊盘
[0026]G
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栅极或栅极焊盘
[0027]根据第一方面，本专利技术涉及一种氮化镓(Gallium Nitride，GaN)功率晶体管，包括：源极焊盘；漏极焊盘；第一栅极焊盘和第二栅极焊盘；多个单元块，每个单元块包括源极区、漏极区和栅极区；源极金属化层，所述源极金属化层使所述多个单元块的所述源极区与所述源极焊盘接触；漏极金属化层，所述漏极金属化层使所述多个单元块的所述漏极区与所述漏极焊盘接触；第一栅极金属化层，所述第一栅极金属化层使所述单元块的第一部分的所述栅极区与所述第一栅极焊盘接触；第二栅极金属化层，所述第二栅极金属化层使所述单元块的第二部分的所述栅极区与所述第二栅极焊盘接触。
[0028]此类GaN功率晶体管引入了一种可用于电源转换器的新器件，所述器件允许极大地提高电源转换器的效率，尤其是在轻负载条件下。所述晶体管提供了一种可配置的多端子GaN器件，由于所述器件固有的横向特性，其尺寸和品质因数(figure of merit，FOM)可以在器件操作期间进行调整。所述具有多个端子的可配置布局可以根据转换器操作(轻负载或重负载)修改芯片面积，从而修改性能并实现恒定的最高效率。所述器件的性能可以在器件操作期间进行电调整。
[0029]在所述GaN功率晶体管的一种示例性实现方式中，所述单元块的所述第一部分和所述单元块的所述第二部分的面积比为N。
[0030]这提供了这样的优点：可以在器件操作期间调整器件操作和器件性能。
[0031]在所述GaN功率晶体管的一种示例性实现方式中，所述源极焊盘为所有单元块形成所述GaN功率晶体管的公共源极端子；所述漏极焊盘为所有单元块形成所述GaN功率晶体管的公共漏极端子；所述第一栅极焊盘为所述单元块的所述第一部分形成所述GaN功率晶体管的第一栅极端子；所述第二栅极焊盘为所述单元块的所述第二部分形成所述GaN功率晶体管的第二栅极端子。
[0032]这对应于下面结合图1、图2a和图2b描述的GaN功率晶体管的第一示例。
[0033]这提供了这样的优点：通过将栅极分成两个部分，可以从整体器件布局的不同部分中选择两组不同的栅极指。
[0034]在所述GaN功率晶体管的一种示例性实现方式中，所述第二栅极端子与所述源极端子之间的输入电容N*C
GS
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种氮化镓(Gallium Nitride，GaN)功率晶体管(100、300、500、600)，其特征在于，包括：源极焊盘(S)；漏极焊盘(D)；第一栅极焊盘(G1)和第二栅极焊盘(G
N
)；多个单元块(101)，每个单元块包括源极区(120)、漏极区(130)和栅极区(110)；源极金属化层，所述源极金属化层使所述多个单元块(101)的所述源极区(120)与所述源极焊盘(S)接触；漏极金属化层(115)，所述漏极金属化层(115)使所述多个单元块(101)的所述漏极区(130)与所述漏极焊盘(D)接触；第一栅极金属化层，所述第一栅极金属化层使所述单元块(101)的第一部分的所述栅极区(110)与所述第一栅极焊盘(G1)接触；第二栅极金属化层，所述第二栅极金属化层使所述单元块(101)的第二部分的所述栅极区(110)与所述第二栅极焊盘(G
N
)接触。2.根据权利要求1所述的GaN功率晶体管(100、300、500、600)，其特征在于，所述单元块(101)的所述第一部分和所述单元块(101)的所述第二部分的面积比为N。3.根据权利要求1或2所述的GaN功率晶体管(100)，其特征在于，所述源极焊盘(S)为所有单元块(101)形成所述GaN功率晶体管(100)的公共源极端子(121)；所述漏极焊盘(D)为所有单元块(101)形成所述GaN功率晶体管(100)的公共漏极端子(131)；所述第一栅极焊盘(G1)为所述单元块(101)的所述第一部分形成所述GaN功率晶体管(100)的第一栅极端子(111)；所述第二栅极焊盘(G
N
)为所述单元块(101)的所述第二部分形成所述GaN功率晶体管(100)的第二栅极端子(112)。4.根据权利要求3所述的GaN功率晶体管(100)，其特征在于，所述第二栅极端子(112，G
N
)与所述源极端子(121，S)之间的输入电容N*C
GS
是所述第一栅极端子(111，G1)与所述源极端子(121，S)之间的输入电容C
GS
的N倍；所述第二栅极端子(112，G
N
)与所述漏极端子(131，D)之间的输入电容N*C
GD
是所述第一栅极端子(111，G1)与所述漏极端子(131，D)之间的输入电容C
GD
的N倍。5.根据权利要求3或4所述的GaN功率晶体管(100)，其特征在于，所述GaN功率晶体管(100)的输出电容是所述漏极端子(131，D)与所述源极端子(121，S)之间的电容C
DS
的N+1倍。6.根据权利要求3至5中任一项所述的GaN功率晶体管(100)，其特征在于，所述GaN功率晶体管(100)的输入电容可以在操作期间通过选择所述第一栅极端子(111，G1)和所述第二栅极端子(112，G
N
)中的一个或两个来修改。7.根据权利要求6所述的GaN功率晶体管(100)，其特征在于，第一器件电容配置(N+1)*C
GS
、(N+1)*C
GD
、(N+1)*C
DS
可以通过导通两个栅极端子(111，G1；112，G
N
)来设置；
第二器件电容配置C
GS
、C
GD
、(N+1)*C
DS
可以通过导通所述第一栅极端子(111，G1)且关断所述第二栅极端子(112，G
N
)来设置；第三器件电容配置N*C
GS
、N*C
GD
、(N+1)*C
DS
可以通过关断所述第一栅极端子(111，G1)且导通所述第二栅极端子(112，G
N
)来设置。8.根据权利要求1或2所述的GaN功率晶体管(300)，其特征在于，所述源极焊盘(S)分离为第一源极焊盘(S1)和第二源极焊盘(S
N
)；所述漏极焊盘(D)分离为第一漏极焊盘(D1)和第二漏极焊盘(D
N
)；所述源极金属化层分离为第一源极金属化层和第二源极金属化层，其中，所述第一源极金属化层使所述单元块(101)的所述第一部分的所述源极区(120)与所述第一源极焊盘(S1)接触，所述第二源极金属化层使所述单元块(101)的所述第二部分的所述源极区(120)与所述第二源极焊盘(S
N
)接触；所述漏极金属化层分离为第一漏极金属化层和第二漏极金属化层，其中，所述第一漏极金属化层使所述单元块(101)的所述第一部分的所述漏极区(130)与所述第一漏极焊盘(D1)接触，所述第二漏极金属化层使所述单元块(101)的所述第二部分的所述漏极区(130)与所述第二漏极焊盘(D
N
)接触。9.根据权利要求8所述的GaN功率晶体管(300)，其特征在于，所述第一源极焊盘(S1)为所述单元块(101)的所述第一部分形成所述GaN功率晶体管(300)的第一源极端子(121)；所述第二源极焊盘(S
N
)为所述单元块(101)的所述第二部分形成所述GaN功率晶体管(300)的第二源极端子(122)；所述第一漏极焊盘(D1)为所述单元块(101)的所述第一部分形成所述GaN功率晶体管(300)的第一漏极端子(131)；所述第二漏极焊盘(D
N
)为所述单元块(101)的所述第二部分形成所述GaN功率晶体管(300)的第二漏极端子(132)。10.根据权利要求9所述的GaN功率晶体管(300)，其特征在于，所述第二栅极端子(112，G
N<...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉尔伯托，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：