[发明专利]一种基于氮化镓材料的光继电器

说明书

本发明公开了一种基于氮化镓材料的光继电器，整个光继电器内部器件的制备方式是是氮化镓发光器件、氮化镓光电转换器件和氮化镓高电子迁移率晶体管制备于三个独立芯片，而后进行封装集成；相比较传统基于Si基器件的半导体继电器来说，基于GaN材料的器件光电转化效率高、器件响应速度提高，同时拥有了更高的击穿电压。此外，本发明还将GaN基发光和光电转换器件集成于同一衬底上以及将发光器件、光电转换器件、高电子迁移率晶体管集成在同一衬底上并进行封装，这提高了器件性能，减少了集成封装步骤，同时减小了光电继电器的体积。

技术领域

本发明涉及一种半导体装置的光继电器，特别是涉及一种使用GaN材料作为发光材料、光电转换材料，以及驱动器件的光继电器装置，属于电源管理技术领域。

背景技术

半导体继电器因其导通电阻小，能够控制微小模拟信号且小型，因此能应用于各种场景。

随着对Si基器件的结构和工艺不断优化和发展，Si材料的性能发展已接近极限，难以满足电力电子领域对电子器件更高性能的要求，想要继续通过器件结构和工艺的改进来提高器件的电气性能变得非常困难。

第三代半导体中，GaN是宽禁带半导体功率器件的研究热点，具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子漂移饱和速度高、导热率高以及化学稳定性好等特点，这些特点满足了未来功率半导体器件向着大功率、高频、高速、高可靠性和高集成的发展要求，特别适合未来功率电子器件的发展。与硅相比，氮化镓具有更高的击穿电场强度，它的电阻及击穿电压更有优势，容许器件在给定的击穿电压下，尺寸做的更小，这也更符合未来电力电子的发展趋势。

GaN作为半导体照明的核心材料，因其高发光效率和宽波长范围，在在半导体照明和超越照明领域有着十分重要的应用和意义。在光电转换方面，作为探测器，氮化镓因其有较宽的直接带隙，物理化学性质稳定，易于提高量子效率等优点而逐步突破硅基材料的应用方面的限制。随着AlGaN/GaN异质结电子材料的质量不断提高、外延尺寸不断扩大、工艺技术水平的逐步成熟，GaN HEMT电子器件的频率和性能不断提高，而其成本却不断降低，这也加速了氮化物电子器件在市场的应用推广和商业化。其中，增强模式将提供更快更稳定的开启和关断速度，无论是芯片级还是封装级，增强模式也更易集成。

因此，使用氮化镓材料替代传统半导体继电器中的硅基器件能提升光电转换效率，提高器件响应速度，并且提高输出能力。符合未来电力电子领域的发展需求。

图1是典型光继电器原理示意图。如图中所示，该光继电器A1包含一个发光元件L1、一个光电转换模块L2、以及包含两个金属氧化物场效应晶体管的输出模块L3。此发光元件L1，可用一发光二极管(LED)，连接至光继电器A1的输入端T1、T2以接收一电流信号，并依据此电流信号产生一光信号；此光电转换模块L2包含一感光二极管阵列和电路；输出模块L3中两个金属氧化物晶体管的源极相接，其漏极分别连接至光继电器A1的输出端T3、T4。光电转换模块L2的感光二极管阵列接收到来自发光元件L1产生的光信号后，产生相应的压降输出到金属氧化物场效应晶体管的栅、源电极进而控制二个金属氧化物场效应晶体管的导通状态，从而控制流经此二个半导体晶体管的电流。

发明内容

本发明目的在于满足电力电子领域发展需求，本发明提供一种基于GaN材料的新型光继电器。该继电器具备：一个以上的发光器件，一个以上的光电转换器件，两个以上的高电子迁移率晶体管。发光器件正对光电转换器件，上述光电转换器件输出端与上述高电子迁移率晶体管的输入端(即栅极与源极)相连接。并且全部所述器件均采用氮化镓材料生长制备。其中，氮化镓高电子迁移率晶体管既可以是增强型器件也可以是耗尽型器件。

由于全部器件采用氮化镓材料生长制备，因此将器件制备于同一衬底及芯片上可提高器件性能，减少集成封装步骤。