[实用新型]GaN基开关集成单元、电路与电子设备

说明书

本实用新型提供了一种GaN基开关集成单元、电路与电子设备，包括：P型衬底；设在所述P型衬底上的N阱；GaN基开关集成单元的器件层，设在所述P型衬底上，所述GaN基开关集成单元的器件层包括第一GaN基开关管的器件层以及第二GaN基开关管的器件层；所述第一GaN基开关管的器件层设在所述N阱上；所述第二GaN基开关管的器件层设在所述N阱外的所述P型衬底上；且所述第二GaN基开关管的器件层与所述第一GaN基开关管的器件层之间设置有隔离层；第一衬底连接部，贯穿所述第一GaN基开关管的器件层的上表面至所述N阱表面，并与所述N阱电性连接。本实用新型兼顾了高侧管、低侧管的集成需求，以及高侧管、低侧管衬底电压变化的一致性。

技术领域

本实用新型涉及半导体领域，尤其涉及一种GaN基开关集成单元、电路与电子设备。

背景技术

电压变化器(例如DC-DC变压器)日常应用非常广泛。随着大数据、人工智能、自动驾驶以及多用户游戏系统的应用日益增多，市场对于DC- DC变压器的需求也与日俱增，例如希望尺寸更小、携带方便但同时功率更高、能耗更低的变压器。传统的以Si基MOSFET、IGBT为代表的功率器件，由于其器件面积大、能耗高、转换速度慢、承受电压小，器件性能提升速度已经不能满足急剧增长的变压器的性能需求。

以GaN为代表的半导体材料具备禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高等特点，是高压、高频、大功率应用场合下理想的半导体材料。

GaN基开关器件(具体可以为GaN基MOSFET，亦即GaN基HEMT) 中，利用AlGaN和GaN异质结形成高浓度二维电子气，其器件面积小、驱动电流大且转换速度快。另外，由于其结构上没有源漏PN结从而避免了反向恢复能耗，总体能效比较高。因此，GaN基HEMT是未来功率器件的一个重要的发展趋势。

在部分应用电路(例如电压变换器的电路)中，器件中需实现两个场效应管(例如图1中的高侧管Q1(上管)、低侧管Q2(下管)的串联，以图1为例，高侧管Q1与低侧管Q2可在第一PWM信号与第二PWM信号的控制下交替打开与关闭，高侧管Q1的漏极即电源Vdc，高侧管Q1的源极(即图示的SW节点处)可输出一定占空比的脉冲电压信号，从而实现电压的输出，例如在滤波模块100滤波后实现直流电压Vout的输出。

场效应管通过调制栅端电压控制沟道的打开与关闭，同时漏端正常上电，源极和衬底之间的压降为零。对于高侧管而言，其源极电压信号是一个脉冲信号，为了保证其正常开关，因此须使其衬底电压跟随源极电压变化，使得其源极和衬底之间的压降VSB＝0V。对于低侧管来说，其衬底电压与高侧管不同，与其源极都接地，因此其衬底电压为0V，其源极和衬底之间的压降VSB也为0V。此时高侧管与低侧管的衬底电压变化就不一致了，所以，不能简单的把高侧管与低侧管集成在同一个衬底上。由于GaN 基HEMT靠异质结形成的二位电子气进行导电，因此其器件结构是一层层的外延结构，无法借用传统Si基器件的方式实现双管的片上集成，因而目前大部分的方式都是采用分立的GaN基开关管来构成前述的双管器件。

而另一方面，业界又希望实现开关管的单片集成，因为单片集成能缩小器件体积、提升能效、节省功耗。

可见，现有技术中难以兼顾实现GaN基开器件高侧管、低侧管的集成需求，以及高侧管、低侧管衬底电压变化的一致性。

实用新型内容

本实用新型提供一种GaN基开关集成单元、电路与电子设备，以兼顾高侧管、低侧管的集成需求，以及高侧管、低侧管衬底电压变化的一致性。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种GaN基开关集成单元，包括：

P型衬底；

设在所述P型衬底上的N阱；