共源共栅级联功率器件制造技术

本申请公开共源共栅级联功率器件，具有栅极

【技术实现步骤摘要】
共源共栅级联功率器件


[0001]本专利技术涉及功率半导体设备
，尤其涉及共源共栅级联功率器件
。

技术介绍

[0002]电力电子设备的核心部件是电子变换器，其发展依赖于功率开关器件的进步
。
目前，宽禁带功率器件，特别是氮化镓基和碳化硅基的功率器件正在部分取代硅基的功率器件
。
[0003]基础的氮化镓功率开关器件的结构采取了利用材料极化特性而设计制作的横向二维电子气的场效应管，为耗尽型的，其工作模式是常通模式，即在栅源电压为零时，漏源之间处于常通状态
。
此外，也开发了增强型的氮化镓场效应管，其工作模式是常断模式，即在栅源电压为零时，漏源之间处于常断状态，但是其栅源电压的范围比较窄，导致了导通性能
、
可靠性和鲁棒性等方面尚有差距
。
[0004]而常见的硅功率开关器件采用的也是增强型的场效应管，为常断的工作模式
。
由于采用了可靠的栅氧结构，栅源电压的范围宽
。
而氮化镓的增强型结构相比硅的栅压范围较小，其原因是氮化镓利用
HEMT
结构
AlGaN/GaN
异质界面
2DEG
来实现高电子迁移率之优点
。
反而此结构为实现增强型结构，需使用具有低
Al
浓度的薄
AlGaN
势垒层来耗尽
2DEG
来实现
。
然而，这种采用薄势垒的方法会增大导通电阻，进而降低电流密度，所以为了提高器件性能，
2DEG
沟道的耗尽必须仅设置在栅极下方
。
因此，既要保证器件的低导通电阻特性的同时也就限制了栅压范围
。
[0005]如图1，显示了经典的共源共栅级联的功率开关器件，将增强型的硅的第一场效应管以共源方式与耗尽型的氮化镓的第二场效应管以共栅方式相级联：
Q1
的漏极与
Q2
的源极相连，
Q1
的源极与
Q2
的栅极相连，构成的复合的功率开关管具备增强型的模式，即便在失去驱动控制时，也具备电流自限的功能
。
但是，这种准耗尽型的模式本质上源于栅介质层内外的极化和自由电荷对于二维电子气浓度的削弱和可能的迁移率的降低，所以需要借助一定的正的栅源电压的补偿
。
氮化镓器件的栅极介质的材料特性
、
结构和工艺与硅或者碳化硅场效应管器件的不同，导致了安全栅压的范围的缩小；此外，
Q2
的栅极连接在
Q1
的源极，导致
Q2
的栅源之间的电压是被动施加的，而且只能是负电压
。
这对于常通模式的
Q2
并没有明显问题，但是对于准常通模式的
Q2
，因为无法在
Q2
的栅极和
Q1
的源极之间引入一个正电压，其正是通态时进入最优工作状态的必要条件，“通到断”的过程是先关闭
Q1
，由于
Q1
漏极和
Q2
源极的连接点电压上升，之后
Q2
才能被动地关闭；过程中，该连接点的电压会升至
Q1
的漏源击穿电压以上，致使
Q1
遭受过多的雪崩击穿，降低器件的鲁棒性和可靠性
。
[0006]专利号为
8847235B2
的美国专利
《Cascoded Semiconductor Devices》
提出了，采用一种自举电路产生负压
。
当
Q1
场效应管的栅极驱动信号为正时，通过一个快恢复二极管，对一个电容器充电
。
当驱动信号为零伏或者负压时，后续的电容器放电，将负电压引入到
Q2
的栅级，这有利于
Q2
在“通到断”的过程中的快速截断
。
但是这个办法需要外接一个电容器，需要额外增加一个封装的端口，也无法在
Q2
的栅极产生一个正电压，不能解决准耗尽型的
Q2
对于通态的要求；
[0007]另外，
2014
年
TI
公司公布了一种适用于耗尽型的场效应管的
direct
‑
Drive
的控制方案方案
(M.Seeman et al.,“Advantages of GaN in a High
‑
Voltage Resonant LLC Converter,”IEEE APEC,pp.476
‑
483,March2014
；
https://ieeexplore.ieee.org/document/6803351/)
，采用了借助于一个负电压发生器将外部的驱动信号反转电平后施加于耗尽型的
Q2
的栅源极从而控制
Q2
，这时
Q2
不是共栅电路
。
只是，当起始的供电电压尚未提供或者提供不足时，
Q2
的栅极瞬间被自动连到
Q1
的源极，借用传统的共源共栅级联的方式可以实现电流自限
。
虽然对于准耗尽型场效应管，对
Q2
栅极施加所需的正负电压的驱动信号可以实现，但是整个方案涉及到片上负电压发生器，双栅极的各自驱动和联动，需要专门的集成电路芯片设计制作以及合封，方案的实用性和经济性受到了限制
。

技术实现思路

[0008]本专利技术的一个优势在于提供一种共源共栅级联功率器件，适合于耗尽型的，特别是准耗尽型的场效应管，为准耗尽模式器件打开了应用路径
。
过去，单独的准耗尽模式的场效应管因为缺乏电流自限的机制而无法使用，虽然可以借助于采用传统的共源共栅级联实现电流自限，但是器件的导通性能受限
。
本专利技术使得准耗尽模式器件在共源共栅级联结构下不但实现了电流自限，更是达到自身导通性能的最优化；
[0009]此外，本专利技术允许器件在材料
、
结构和工艺的设计中，偏重导通性能
、
高压性能
、
可靠性
、
安全性
、
经济性的改进和提高，放弃对栅源电压的前置性约束要求，采取准耗尽模式，以产生更优的综合性能的器件；
[0010]另外，采用本专利技术的方案，还可以扩大有效可用器件的范围，对于原本在耗尽模式下非最优的性能的器件，甚至是要淘汰的器件，施加合适的正
、
负的
Q2
栅极电压，具有显著的经济效果
。
[0011]为达到本专利技术以上至少一个优势，本专利技术提供一种共源共栅级联功率器件，具有栅极
G、
源极
S
和漏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
共源共栅级联功率器件，具有栅极
G、
源极
S
和漏极
D
，其特征在于，其中所述功率器件包括第一场效应管
、
第二场效应管和三端电路，其中所述第一场效应管以共源方式与所述第二场效应管以共栅方式相级联，其中所述第一场效应管的漏极连接所述第二场效应管的源极，所述第一场效应管的栅极连接所述三端电路的输入端，所述第一场效应管的源极连接所述三端电路的地端，所述第二场效应管的栅极连接所述三端电路的输出端，所述第一场效应管的栅极和源极分别构成所述栅极
G
和所述源极
S
，所述第二场效应管的漏极构成所述漏极
D
，其中所述第二场效应管的源漏间的击穿电压大于所述第一场效应管的源漏间的击穿电压一个数量级以上，其中所述第二场效应管栅源之间的最大允许负电压的绝对值大于所述第一场效应管的源漏间的击穿电压
。2.
如权利要求1所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，所述第一场效应管为增强型场效应管，并具有正的栅极阈值电压
。3.
如权利要求2所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，所述第二场效应管为耗尽型或者准耗尽型场效应管，并具有负的栅极阈值电压
。4.
如权利要求1所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，在所述功率器件具有单独的开尔文源极时，所述功率器件还设置有具有所述开尔文源极的第四端口
。5.
如权利要求1所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，所述三端电路的输入端通...

【专利技术属性】
技术研发人员：井元华，郑小鹿，结城智，
申请(专利权)人：远山新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：