[发明专利]GaN基单片集成式半桥电路

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件及集成电路技术领域，具体的说是涉及一种GaN基单片集成式半桥电路。

背景技术

氮化镓(GaN)是第三代宽禁带半导体材料代表，正受到各国研究人员的广泛关注。GaN具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小及良好的化学稳定性等特点，因此，GaN基HEMT器件与Si基器件相比，具有较低的导通电阻、较小寄生电容、较高的击穿电压等优良性能，可以满足下一代系统对半导体器件更大功率、更小体积、更高频率的应用需求。

然而随着系统工作频率的增加，电路中原本被忽略的寄生现象更加突出，此时，寄生效应对系统的影响需要引起足够的重视。为了应对此问题，系统设计对器件设计、器件封装、PCB板布局方面提出了更高的要求。

因此，对整个系统设计而言，在高频工作条件下，为实现更高的性能，主要可以从三个方面优化：器件设计层面，通过优化器件结构，使器件在相同的应用条件下，实现更高的性能；器件封装层面而言，随着系统工作频率的提高，系统对寄生效应更加敏感，不能再采用与硅基器件类似的封装，需采用更低的寄生电感的封装形式；PCB板布局层面而言，需要采用更加紧凑的布局结构来降低寄生效应。综上而言，降低各种寄生效应，合理设计器件，是研究者们需要重点解决的问题之一。

例如，文献Richard Reiner“Integrated Reverse-Diode for GaN-HEMT Structures”报道设计了一种器件结构，该器件在源漏两端反向并联了肖特基二极管，能够避免通过外部电路并联二极管导致的寄生电感，同时，能够降低GaN HEMT器件逆向导通功耗。文献Kangping Wang“A Multiloop Method for Minimization of Parasitic Inductance in GaN-Based High-Frequency DC–DC Converter”报道了几种新型的PCB板布局方案，一定程度上降低了环路的寄生电感，提升了系统工作效率。文献Zhengyang Liu“Evaluation of High-Voltage Cascode GaN HEMT in Different Packages”评估了不同器件封装对器件开关特性的影响。文献Takehiko Nomura“Discrete and Half Bridge Module using GaN HFETs for High Temperature Applications more than 200℃”报道了一种GaN半桥电路，但是该半桥电路采用制备完成的GaN器件封装为半桥电路模块，而且反向并联的二极管为SiC肖特基二极管，不是真正意义上的全GaN基集成式半桥电路芯片模块。

虽然近些年研究人员从多个角度优化改进基于GaN器件的系统，来提升系统整体性能，但是，这些改进均是基于分立器件组成的电路。由于分立器件必须通过外接电路进行连接实现具体的功能，因而无法进一步优化寄生效应。随着GaN工艺技术的逐步发展，GaN基功率器件作为开关电源电路的核心部件，为了降低器件之间互连导致的寄生效应，可以通过将GaN基器件设计成为GaN基单片集成式芯片来改善上述问题。

发明内容

本发明针对以上分立器件通过PCB板组装电路时寄生电感较大，及外接反向并联二极管不能有效降低死区时间导通功耗的问题，提出了一种新型的GaN基单片集成式半桥电路芯片。本发明所提出的GaN基单片集成式半桥电路芯片结构经过适当调整，不仅适用于Buck、Boost、Buck-Boost等直流变换的拓扑结构，同样适用于开关电源变换领域的全桥电路等。

本发明的技术方案是：GaN基单片集成式半桥电路，包括第一GaN HEMT器件、第二GaN HEMT器件和二极管，所述第一GaN HEMT器件为增强型器件；其特征在于，所述的第一GaN HEMT器件、第二GaN HEMT器件和二极管集成在同一GaN基上；其结构为：

设定器件的剖面图为由横向方向和垂直方向构成的平面，器件的俯视图为由横向方向和纵向方向构成的平面，所述的横向方向、垂直方向和纵向方向为相互垂直的三维方向；则沿垂直方向，从下至上依次包括：

衬底、GaN层、位于GaN层上的有源区；

沿横向方向，从器件一端到另一端依次包括：