[发明专利]具有集成功率晶体管和启动电路的III-V族半导体器件

说明书

公开了一种基于III族氮化物半导体的异质结功率器件，包括：形成在衬底(4)上的第一异质结晶体管和形成在衬底上的第二异质结晶体管。第一异质结晶体管包括：第一III族氮化物半导体区，形成在衬底之上，其中，该第一III族氮化物半导体区包括第一异质结，该第一异质结包括至少一个二维载流子气；第一端子(8)，操作性地连接到第一III族氮化物半导体区；第二端子(9)，与第一端子横向间隔开并且操作性地连接到第一III族氮化物半导体区；以及第一栅极区(10)，在第一端子与第二端子之间的第一III族氮化物半导体区之上。第二异质结晶体管包括：第二III族氮化物半导体区，形成在衬底之上，其中，该第二III族氮化物半导体区包括第二异质结，该第二异质结包括至少一个二维载流子气；第三端子(19)，操作性地连接到第二III族氮化物半导体区；第四端子(16)，在第一维度上与第三端子横向间隔开并且操作性地连接到第二III族氮化物半导体区；第一导电类型的第一多个高掺杂半导体区(18)，形成在第二III族氮化物半导体区之上，该第一多个高掺杂半导体区形成在第三端子与第四端子之间；以及第二栅极区(17)，操作性地连接到第一多个高掺杂半导体区。第一异质结晶体管和第二异质结晶体管中的一个是增强型场效应晶体管，而第一异质结晶体管和第二异质结晶体管中的另一个是耗尽型场效应晶体管。

技术领域

本公开涉及功率半导体器件。具体地，但非排他性地，本公开涉及用于开关模式电源的集成启动电路的异质结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的使用。

背景技术

功率半导体器件是一种在功率电子产品中可以用作开关或整流器的半导体器件。功率半导体器件通常用于“换向模式”(即，它处于开或关状态，或者在这两种状态之间转换)，因此具有针对此类用途进行优化的设计。

硅双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是功率半导体开关器件的常见类型。它们的应用领域涵盖消费电子产品的开关模式电源、混合动力和电动汽车中的逆变器和转换器、电机控制器、RF和微波电路、以及电信系统。

开关模式电源(SMPS)是一种电子电源，其利用诸如以高频连续导通和截止的MOSFET的开关器件以便有效地转换电能。诸如电容器和电感器的储能器件通过在开关器件的非导电状态期间供电来完成电路。

SMPS在转换电压和电流特征的同时，将功率从DC电源或AC电源(通常是主干线电源)传输到DC负载，例如消费电子产品。在图1中可以看到具有输出电压调节功能的主干线操作的AC/DC SMPS的框图。

SMPS通常包含用于输出电压调节的脉冲宽度调制(PWM)和/或频率调制(FM)控制集成电路(IC)。控制器负责管理存在于SMPS中的电源开关导通的时段。这种控制器通常以反馈回路配置来实现，在反馈回路配置中，SMPS的输出特征(例如，电源输出电压)被测量。该测量信号用于确定电源开关在导电或阻断模式下运行的时间。导电模式时间与开关波形的总时段的比率定义为占空比。随着DC输出负载的动态变化，控制器的作用是调整占空比，从而维持系统所需的必要输出电压。

在图1中，从次级(输出)向控制器提供反馈。这称为次级侧控制，并且可能涉及光耦合器。在其他拓扑中，可以使用初级侧控制来消除光耦合器的存在。

控制器在去耦电容器C充电时通电，并且控制器对于SMPS按需运行是必不可少的。这在图2和图3中被示出。由于与整流的输入DC轨电压(V入)相比，控制器在显著降低的DC偏压下运行，因此使用DC/DC转换以对控制器供电。

图2示出了已知的标准反激式转换器，其利用耗尽型器件对PWM控制IC的去耦电容进行充电。具有可调漏电流电平的耗尽型MOSFET为IC供电，该IC用作电流源，该器件处于饱和模式。电阻R可以用于调整电流电平，而输入DC轨(V入)的变化不会影响电流电平。随着去耦电容器C变得充电越来越多，这增加了耗尽型晶体管的源极上的电压偏置，栅极-源极电压变得越来越负。当源极电压接近器件阈值电压时，耗尽型MOSFET切换到关断状态(即，其电阻大大增加)。图2所示电路的简化版本示出了如图3所示的耗尽型晶体管的操作。