[發明專利]單片集成HEMT和電流保護器件

有效

• 申請號: 201310218277.7
• 申請日: 2013-06-04
• 公開（公告）號: CN103456733A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: O.赫貝倫;W.里格
• 申請（專利權）人: 英飛凌科技奧地利有限公司
• 主分類號: H01L27/06
• 分類號: H01L27/06;H01L27/02;H02M3/155
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 馬永利;李浩

技術領域

本申請涉及高電子遷移率場效應晶體管（HEMT），更具體地，涉及與HEMT單片集成的最優化的反向二極管。

背景技術

功率MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）廣泛地用在DC-DC轉換器中。MOSFET被最優化以使在每個開關周期中發生的損耗最小。在每個周期中，在每個開關相中不同的、MOSFET將傳遞的多個開關相導致了可以因特定的晶體管參數而被放大或減小的損耗。在這些相中的每一個期間，在MOSFET的體二極管被正向偏置的情況下，整個電流短時間反向流動通過具有常閉合溝道的MOSFET。在此時通過電流乘以體二極管的正向電壓的積來計算功率損耗。在這些操作條件下，典型的體二極管具有約0.9V的正向電壓，導致具有顯著降低DC-DC轉換器的整體效率的損耗的MOSFET。

基于GaN的HEMT（高電子遷移率晶體管）今后正被更為廣泛地用在DC-DC轉換器中。HEMT，還被稱為異質結構FET（HFET）或調制摻雜FET（MODFET），是一種場效應晶體管，其并入了具有不同帶隙的兩種材料之間的結（即異質結）作為溝道而非摻雜區域，如MOSFET的情況中常見的那樣。HEMT沒有傳統意義上的體二極管。然而，當施加小的負電壓作為漏極處相對于源極的電位時，在反向方向上在關斷狀態下，在HEMT的柵極電極下面，溝道關斷。這樣的電壓MOS柵控反向二極管（MGD）的通量與HEMT的閾值電壓的差異相關。然而，不能使HEMT的閾值電壓過小，因為要不然會使HEMT再次動態導通，導致極大的損耗。這要求不能把準反向二極管的正向電壓設定成如同出于最有效率的目的而有利的正向電壓那樣低。

一種能夠減少Si基MOSFET（也是常見的）的體二極管正向電壓的方式是使肖特基二極管與晶體管的體二極管并聯連接。該額外的二極管依賴于金屬接觸而具有約0.4V的較低的正向電壓。因而，DC-DC轉換器的相移期間的功率損耗僅為體二極管的情況的一半。即便對于低閾值電壓，肖特基二極管所需的接觸也引起了對于應用而言可能是破壞性的較高溫度下的高反向漏電流。肖特基二極管也可以與基于III族-氮化物的橫向HEMT一同使用。然而這樣的傳統結構導致了因材料而受限于約1V的正向電壓。

提供在肖特基接觸的左右兩側的溝槽結構或柱形pn結構能夠減小肖特基接觸附近的場，導致減少的漏電流。然而，溝槽和柱形pn的概念證實對于與溝槽MOSFET的工藝集成的肖特基接觸而言難于實現。這些概念還降低了MOSFET所需的之前的工藝步驟中的肖特基接觸的質量。肖特基接觸對于應用中的電流和溫度應力的魯棒性也不是最優的。

期望具有一種結構，其中進一步降低通量電壓并且分離地使閾值電壓最優化。

發明內容

這里描述的實施例提供一種HEMT，該HEMT具有額外的單片集成晶體管區域，其在這里還被稱為保護器件或并聯連接的肖特基式二極管。該HEMT可以常通或常斷，并且保護器件具有略高于0V的閾值電壓（例如大于0V并且小于1.5V）。通過使保護器件的柵極電極短接至源極，獲得了具有略高于0V的最小正向電壓的晶體管區域。保護器件的晶體管區域的動態恢復受到內部柵極-源極短路的抑制。HEMT具有與保護器件不同的閾值電壓，并且對于目標應用而言可以使之充分高，同時保護器件的閾值電壓保持相對低以確保例如在被實現為DC-DC轉換器的部件時的HEMT的低開關損耗和可靠操作。

根據晶體管器件的一個實施例，該晶體管器件包括HEMT，該HEMT具有源極、漏極和柵極。HEMT可操作用于當施加到柵極的電壓超過HEMT的閾值電壓時導通并且從源極向漏極傳導電流。該晶體管器件進一步包括與HEMT單片集成的保護器件，使得保護器件與HEMT共享源極和漏極并且進一步包括電連接到源極的柵極。該保護器件可操作用于當HEMT關斷并且源極和漏極之間的反向電壓超過保護器件的閾值電壓時從漏極向源極傳導電流。保護器件的閾值電壓小于HEMT的閾值電壓和用于關斷HEMT的柵極電壓的差。

根據DC-DC轉換器的一個實施例，該DC-DC轉換器包括用于耦合到負載的高邊晶體管、用于耦合到負載的低邊HEMT以及與低邊HEMT單片集成的保護器件，使得保護器件與低邊HEMT共享源極和漏極并且進一步包括電連接到源極的柵極。該保護器件可操作用于當低邊HEMT關斷，高邊HEMT關斷并且源極和漏極之間的反向電壓超過保護器件的閾值電壓時在漏極和源極之間傳導電流。保護器件的閾值電壓小于HEMT的閾值電壓和用于關斷HEMT的柵極電壓的差。