電源電路和電源裝置制造方法
【專利摘要】公開(kāi)了一種電源電路和電源裝置。該電源電路包括：耗盡型晶體管，其包括場(chǎng)板；增強(qiáng)型晶體管，耗盡型晶體管的源極和漏極被耦接到該增強(qiáng)型晶體管；以及恒流源，其被耦接到耗盡型晶體管和增強(qiáng)型晶體管之間的連接節(jié)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】 電源電路和電源裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本文討論的實(shí)施方式涉及一種電源電路和電源裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，積極開(kāi)發(fā)了一種電子器件(化合物半導(dǎo)體器件)，其中，GaN層和AlGaN層被順序地形成在由氮化鎵(GaN)或Si形成的襯底上，并且GaN層被用作電子渡越層(electron transit layer)。
[0003]GaN的帶隙為3.4eV，其大于Si的1.1eV和GaAs的1.4eV。因此，預(yù)期該化合物半導(dǎo)體器件以高的擊穿電壓進(jìn)行工作。
[0004]—種這樣的化合物半導(dǎo)體器件是GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)。在下文中，GaN基高電子遷移率晶體管被稱為GaN-HEMT。HEMT是下述場(chǎng)效應(yīng)晶體管:其中由半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)引起的高遷移率二維電子氣(2DEG)被用作溝道。
[0005]當(dāng)GaN-HEMT被用作電源逆變器的開(kāi)關(guān)時(shí)，可以降低導(dǎo)通(ON)電阻以及提高耐電壓性。此外，與Si基晶體管相比，還可以降低待機(jī)功耗且提高工作頻率。
[0006]因此，可以降低開(kāi)關(guān)損耗，使得可以降低逆變器的功耗。GaN-HEMT可以比具有與GaN-HEMT相同的性能的Si基晶體管更小。
[0007]當(dāng)GaN-HEMT以高頻率和高電壓工作時(shí)，會(huì)發(fā)生漏電流減小的電流崩塌現(xiàn)象。認(rèn)為電流崩塌現(xiàn)象的原因之一是:自由電子被捕獲在柵極的面對(duì)漏極的一側(cè)附近的區(qū)域的電子陷講能級(jí)(electron trap level)。當(dāng)電子被捕獲在表面的陷講能級(jí)時(shí),2DEG的密度減小且GaN-HEMT的輸出會(huì)下降。作為對(duì)電流崩塌現(xiàn)象的對(duì)策，存在一種具有源場(chǎng)板的GaN-HEMT，其中場(chǎng)板被設(shè)置到源極。
[0008]然而，存在這樣的問(wèn)題，當(dāng)GaN-HEMT關(guān)斷(OFF)時(shí)，閾值變化，高電壓被施加到源場(chǎng)板下面的絕緣膜，使絕緣膜退化，并縮短GaN-HEMT的壽命。
[0009]以下是參考文獻(xiàn):
[0010][文獻(xiàn)I]日本特許公開(kāi)專利公布第2006-324839號(hào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，電源電路包括:耗盡型晶體管(depression modetransistor)，其包括場(chǎng)板；增強(qiáng)型晶體管，耗盡型晶體管的源極和漏極被耦接到該增強(qiáng)型晶體管；以及恒流源，其被耦接到耗盡型晶體管和增強(qiáng)型晶體管之間的連接節(jié)點(diǎn)。
[0012]本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)權(quán)利要求中特別指出的要素和組合來(lái)實(shí)現(xiàn)和達(dá)到。
[0013]應(yīng)當(dāng)理解，如所聲稱的，前面的一般描述和下面的詳細(xì)描述都是示例性的和說(shuō)明性的，并不是對(duì)本發(fā)明的限制。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是級(jí)聯(lián)(cascode)連接電路的電路圖；[0015]圖2是包括源場(chǎng)板的GaN-HEMT的結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖3是包括源場(chǎng)板的GaN-HEMT的等效電路圖；
[0017]圖4是示出了 GaN-HEMT的可靠性測(cè)試結(jié)果的圖；
[0018]圖5是一種實(shí)施方式的電源電路的電路圖；以及
[0019]圖6是應(yīng)用該實(shí)施方式的電源電路的電源裝置的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]雖然傳統(tǒng)的硅MOS-FET是常關(guān)型(增強(qiáng)型)晶體管，當(dāng)沒(méi)有電壓被施加到柵極時(shí)，常關(guān)型晶體管是關(guān)斷的，但是GaN-HEMT是常開(kāi)型(耗盡型)晶體管，當(dāng)沒(méi)有電壓被施加到柵極時(shí)，常開(kāi)型晶體管通常是導(dǎo)通的。
[0021 ] 因此，為了開(kāi)關(guān)耗盡型GaN-HEMT，存在一種被稱為級(jí)聯(lián)連接的方法，其中，耗盡型GaN-HEMT與增強(qiáng)型FET結(jié)合來(lái)作為增強(qiáng)型運(yùn)行。
[0022]圖1示出了級(jí)聯(lián)連接電路的例子。級(jí)聯(lián)連接電路I是耗盡型GaN_HEMT30和增強(qiáng)型M0S-FET20串聯(lián)連接的電路。GaN-HEMT30的源極被連接到M0S-FET20的漏極。GaN_HEMT30的柵極和M0S-FET20的源極接地。增強(qiáng)型M0S-FET20例如是通?？捎玫墓杌切蚆0S-FET。
[0023]接下來(lái)，將描述級(jí)聯(lián)連接電路I的操作。首先，當(dāng)M0S-FET20關(guān)斷時(shí)，M0S-FET20的電阻增大，并且M0S-FET20的漏電壓上升，與仍然導(dǎo)通的GaN-HEMT30的電阻值平衡。然后，GaN-HEMT30的源電壓變得高于GaN_HEMT30的柵電壓，因?yàn)镚aN_HEMT30的柵電壓為0V。這里，例如，如果GaN-HEMT30關(guān)斷和導(dǎo)通的閾值為-5V，則當(dāng)GaN_HEMT30的源電壓變?yōu)?V時(shí)，GaN-HEMT30 關(guān)斷。
[0024]當(dāng)級(jí)聯(lián)連接電路I被看作一個(gè)晶體管時(shí)，GaN-HEMT30的漏極作為級(jí)聯(lián)連接電路I的漏極運(yùn)行，而M0S-FET20的源極作為級(jí)聯(lián)連接電路I的源極運(yùn)行。類似地，M0S-FET20的柵極作為級(jí)聯(lián)連接電路I的柵極運(yùn)行。
[0025]當(dāng)GaN-HEMT以高頻率和高電壓工作時(shí)，會(huì)發(fā)生漏電流減小的電流崩塌現(xiàn)象。認(rèn)為電流崩塌現(xiàn)象的原因之一是:自由電子被捕獲在柵極的面對(duì)漏極的一側(cè)附近的區(qū)域的電子陷阱能級(jí)。當(dāng)電子被捕獲在表面的陷阱能級(jí)時(shí)，2DEG的密度減小且GaN-HEMT的輸出會(huì)下降。
[0026]因此，作為對(duì)電流崩塌現(xiàn)象的對(duì)策，存在一種包括場(chǎng)板的GaN-HEMT。
[0027]圖2是示出了包括場(chǎng)板的GaN_HEMT32的結(jié)構(gòu)的截面視圖。AIN層91、非摻雜i_GaN層92、N型n-AlGaN層94被順序地形成在SiC襯底90上。此外，源極81、漏極82和柵極83被形成在n-AlGaN層94上。在GaN_HEMT32中，形成在n_AlGaN層94與i_GaN層92之間的界面處的二維電子氣(2DEG) 93被用作載流子。AIN層91作為緩沖層運(yùn)行。
[0028]此外，由絕緣材料如聚酰亞胺形成的層間絕緣膜95被形成在η型n_AlGaN層94、源極81、漏極82和柵極83上。
[0029]在層間絕緣膜95中，形成柵場(chǎng)板42，其被電連接到柵極83，并且在水平方向上延伸。
[0030]此外，在層間絕緣膜95中，形成源場(chǎng)板40，其在水平方向上從源極81上方延伸到超過(guò)柵場(chǎng)板42的位置。源場(chǎng)板40通過(guò)在層間絕緣膜95中形成的接觸插塞85被電連接到源極81。[0031]此外，漏極焊盤(pán)44被形成在層間絕緣膜95上的、漏極82的位置處，并且通過(guò)在層間絕緣膜95中形成的接觸插塞86被電連接到漏極82。
[0032]當(dāng)源場(chǎng)板40被看作閾值比柵極83的閾值更負(fù)(minus)的第二柵極時(shí)，具有場(chǎng)板的GaN-HEMT32可以被看作兩個(gè)器件。
[0033]圖3是具有場(chǎng)板的GaN_HEMT32的等效電路圖。第一器件34使用GaN_HEMT32的源極81作為源極，使用GaN-HEMT32的柵極83作為柵極，以及使用GaN_HEMT32的漏極末端下面的二維電子氣93的一端作為漏極。
[0034]第二器件36使用GaN_HEMT32的漏極末端下面的二維電子氣93的另一端作為源極，使用GaN-HEMT32的源場(chǎng)板40作為柵極，以及使用GaN_HEMT32的漏極82作為漏極。
[0035]接下來(lái)，將描述具有場(chǎng)板的GaN_HEMT32關(guān)斷時(shí)的操作。第一器件34的柵極的閾值被假定為例如-5V,第二器件36的柵極的閾值被假定為例如-10V。
[0036]當(dāng)?shù)谝黄骷?4的柵電壓被設(shè)定為-5V或更低且第一器件34關(guān)斷時(shí)，第一器件34的柵極下面的電阻增大，以使得第一器件34的漏電壓上升，與仍然導(dǎo)通的第二器件36的電阻值平衡。隨著第一器件34的漏極的電壓上升，第二器件36的源極的電壓也上升，并且當(dāng)?shù)诙骷?6的源電壓變?yōu)镮OV時(shí)，第二器件36關(guān)斷。
[0037]認(rèn)為在GaN-HEMT以高頻率和高電壓工作時(shí)發(fā)生的電流崩塌現(xiàn)象的原因之一是:自由電子被捕獲在柵極的面對(duì)漏極的一側(cè)附近的區(qū)域的電子陷阱能級(jí)。通過(guò)阻止過(guò)強(qiáng)的電場(chǎng)被施加到柵極83的面對(duì)漏極82的一側(cè)，源場(chǎng)板40具有不抑制自由電子運(yùn)動(dòng)的功能。
[0038]通過(guò)在上述用作例子的級(jí)聯(lián)連接電路I中用具有場(chǎng)板的GaN_HEMT32代替GaN-HEMT30，發(fā)明人進(jìn)行了可靠性測(cè)試。
[0039]圖4示出了 GaN_HEMT32的可靠性測(cè)試的結(jié)果。在圖4中，最左邊的豎直矩形表示在600V被施加到圖1中所示的級(jí)聯(lián)連接電路I的電源、脈沖信號(hào)被輸入到輸入端子中并且級(jí)聯(lián)連接電路I被重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷的情況下GaN-HEMT32的壽命。獲得GaN_HEMT32在約1.0OX 101°秒內(nèi)損壞的結(jié)果。
[0040]發(fā)明人估計(jì)了如下所述的GaN_HEMT32損壞的原因。當(dāng)GaN_HEMT32關(guān)斷時(shí)，泄漏電流從源極81通過(guò)GaN晶體流動(dòng)到漏極82。當(dāng)泄漏電流小時(shí)，僅空穴(正空穴)的陷阱立即出現(xiàn)在源場(chǎng)板40下面，并且不發(fā)生復(fù)合和去捕獲(detrap)。因此，源場(chǎng)板40下面的區(qū)域帶正電的，2DEG的密度增大，并且源場(chǎng)板40的閾值從-1OV改變到例如-50V。然后，如果第二器件36的源電壓沒(méi)有上升直至50V，則第二器件36將不會(huì)關(guān)斷。在這種情況下，50V的高電壓被施加到場(chǎng)板40下面的層間絕緣膜95，以使得層間絕緣膜95的退化發(fā)展，并且最終層間絕緣膜95損壞。其結(jié)果是，GaN-HEMT32的壽命縮短。
[0041]因此，發(fā)明人認(rèn)為GaN_HEMT32壽命縮短的原因是由于源場(chǎng)板的閾值的變化，從而發(fā)明了下述實(shí)施方式。
[0042]在下文中，將參照附圖詳細(xì)描述公開(kāi)技術(shù)的優(yōu)選實(shí)施方式。
[0043]圖5是示出了根據(jù)應(yīng)用公開(kāi)技術(shù)的實(shí)施方式的電源電路10的圖。在圖5中，用相同的附圖標(biāo)記表示與圖1中所示的級(jí)聯(lián)連接電路I中組件相同的組件，并且將省略它們的描述。
[0044]本實(shí)施方式的電源電路10是級(jí)聯(lián)連接電路，其中具有場(chǎng)板的GaN_HEMT32和增強(qiáng)型M0S-FET20串聯(lián)連接。GaN-HEMT32的源極被連接到M0S-FET20的漏極。GaN_HEMT32的柵極和M0S-FET20的源極接地。增強(qiáng)型M0S-FET20是例如通?？捎玫墓杌切蚆OS-FET。此外，恒流源50被連接到下述節(jié)點(diǎn):在該節(jié)點(diǎn)處，GaN-HEMT32的源極和M0S-FET20的漏極被連接。恒流源50由一般的恒流電路組成，例如使用電流鏡電路。
[0045]恒流源50具有流出特定量的泄漏電流的功能，所述泄漏電流在GaN_HEMT32關(guān)斷時(shí)從GaN-HEMT32的源極81通過(guò)GaN晶體流動(dòng)到漏極82。
[0046]在圖4中，從左邊第二個(gè)豎直矩形到左邊第5個(gè)豎直矩形表示在600V被施加到圖5中所示的電源電路10、脈沖信號(hào)被輸入到輸入端子并且電源電路10重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷的情況下的GaN-HEMT32的壽命。豎直矩形表示GaN_HEMT32的壽命的比較的結(jié)果，對(duì)于額定電流為IOOmA的GaN-HEMT32，通過(guò)將由恒流源50流出的電流改變到IpA、InA、I μ A和ImA來(lái)獲得上述結(jié)果。
[0047]恒流源50流出的電流為IpA的情形和無(wú)恒流源的情形之間觀察不到壽命的區(qū)別。已知，當(dāng)泄漏電流只增加IpA時(shí)，沒(méi)有很多影響。
[0048]當(dāng)恒流源50流出的電流為InA和I μ A時(shí)，與無(wú)恒流源50的情形相比，觀察到壽命延長(zhǎng)了約6倍。如果GaN-HEMT32關(guān)斷時(shí)的泄漏電流通過(guò)將恒流源50連接到GaN_HEMT32而增大，則即使當(dāng)GaN-HEMT32關(guān)斷時(shí)空穴被捕獲在源場(chǎng)板40下面，空穴也很容易被去捕獲或很容易與電子復(fù)合。因此，源場(chǎng)板40下面的2DEG的密度不改變，以使得在源場(chǎng)板40被看作第二柵極時(shí)閾值不變。
[0049]由于源場(chǎng)板40的閾值不變，所以高電壓沒(méi)有被施加到場(chǎng)板40下面的層間絕緣膜95。因此，認(rèn)為層間絕緣膜95的退化沒(méi)有發(fā)展，并且GaN-HEMT32的壽命延長(zhǎng)。
[0050]當(dāng)恒流源50流出的電流為ImA時(shí)，在GaN_HEMT32的源極和漏極之間施加高電壓以使得大的負(fù)載被局部地施加到GaN-HEMT32的一部分的狀態(tài)下，大的電流在GaN_HEMT32的源極和漏極之間流動(dòng)。因此，認(rèn)為電壓和電流超出了 SOA (安全工作區(qū))的范圍，以使得GaN-HEMT32的壽命顯著縮短，其中安全工作區(qū)是GaN_HEMT32長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的電壓和電流的區(qū)域。
[0051]因此，已經(jīng)清楚，當(dāng)恒流源50流出的電流為InA和1μ A時(shí)有影響。認(rèn)為當(dāng)在通過(guò)GaN-HEMT32的額定電流確定的范圍內(nèi)增大泄漏電流時(shí)源場(chǎng)板40的閾值不變，以使得GaN-HEMT32的退化沒(méi)有發(fā)展。
[0052]在本實(shí)施方式中，通過(guò)恒流源50在借由GaN_HEMT32的額定電流確定的范圍內(nèi)增大泄漏電流來(lái)增大GaN-HEMT32關(guān)斷時(shí)的泄漏電流，使得高電壓沒(méi)有被施加到場(chǎng)板40下面的層間絕緣膜95。因此，可以阻止層間絕緣膜95退化，并延長(zhǎng)GaN-HEMT32的壽命。
[0053]在本實(shí)施方式中，描述了源極81具有場(chǎng)板的、帶有源場(chǎng)板40的GaN_HEMT32。然而，從柵極83具有場(chǎng)板的、帶有柵場(chǎng)板的GaN-HEMT可以獲得相同的效果。
[0054]即使當(dāng)僅電阻，而不是恒流源50，被連接到使GaN_HEMT32的源極和M0S-FET20的漏極連接的節(jié)點(diǎn)時(shí)，GaN-HEMT32關(guān)斷時(shí)的泄漏電流可以增大到一定程度，使得可以預(yù)計(jì)有一定程度的影響。
[0055]圖6是使用本實(shí)施方式的電源電路10的電源裝置的電路圖。本實(shí)施方式的電源電路10被設(shè)置在功率因素校正(PFC)中來(lái)改善電源裝置中電源的功率因素。圖6中所示的電源裝置包括整流電路210、PFC電路220、控制單元250、以及直流(DC)-直流(DC)轉(zhuǎn)換器 260。[0056]整流電路210被連接到交流(AC)電源200。整流電路210對(duì)AC電力進(jìn)行全波整流，并且輸出AC電力。這里，AC電源200的輸出電壓是Vin，使得整流電路210的輸入電壓是Vin。整流電路210輸出下述電力:該電力是通過(guò)對(duì)從AC電源200輸入的AC電力進(jìn)行全波整流而獲得的。例如，80V到265V的電壓的AC電力被輸入到整流電路210中，使得整流電路210的輸出電壓也是Vin。
[0057]PFC電路220包括電感器、本實(shí)施方式的用作開(kāi)關(guān)器件的電源電路10、二極管、以及平滑電容器240，其中電感器、電源電路10和二極管以T形連接。PFC電路220是有源濾波電路，其減少包括在整流電路210整流后的電流中的諧波失真等，并且改善功率因素。
[0058]控制單元250輸出施加到電源電路10的柵極的脈沖形柵電壓。控制單元250基于從整流電路210輸出的全波整流的電力的電壓值Vin、流經(jīng)電源電路10的電流的電流值以及平滑電容器240的輸出側(cè)的電壓值Vout，來(lái)確定柵電壓的占空比，并且將柵電壓施加到開(kāi)關(guān)器件IOA的柵極。作為控制單元250，例如可以使用乘法器電路，其可以基于流經(jīng)電源電路10的電流的電流值以及電壓值Vout和Vin來(lái)計(jì)算占空比。
[0059]平滑電容器240使從PFC電路220輸出的電壓平滑化，并且將電壓輸入到DC-DC轉(zhuǎn)換器260中。作為DC-DC轉(zhuǎn)換器260，例如，可以使用正激(forward) DC-DC轉(zhuǎn)換器或全橋DC-DC轉(zhuǎn)換器。例如，385V電壓的交流電力被輸入到DC-DC轉(zhuǎn)換器260中。
[0060]DC-DC轉(zhuǎn)換器260是下述轉(zhuǎn)換電路:其轉(zhuǎn)換并輸出AC電力的電壓值。負(fù)載電路270被連接到DC-DC轉(zhuǎn)換器260的輸出側(cè)。
[0061]這里，例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器260將385V電壓的AC電力轉(zhuǎn)換為12V電壓的DC電力，并且輸出DC電力到負(fù)載電路270。
[0062]根據(jù)本實(shí)施方式，即使當(dāng)以高頻率和高電壓使用PFC電路220中的電源電路10中的GaN-HEMT32時(shí)，幾乎不發(fā)生電流崩塌現(xiàn)象，使得可以提供有效的電源裝置。此外，GaN-HEMT32的退化是小的，使得可以提供高質(zhì)量的電源裝置。
[0063]本文陳述的所有例子和條件性語(yǔ)言旨在用于教示目的以幫助讀者理解本發(fā)明以及發(fā)明人為促進(jìn)技術(shù)所貢獻(xiàn)的構(gòu)思，并且被解釋為不限制這樣具體陳述的例子和條件，并且說(shuō)明書(shū)中的這樣的例子的組織并不涉及表明本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明作出各種改變、替代和變更。
【權(quán)利要求】
1.一種電源電路,包括: 耗盡型晶體管，其包括場(chǎng)板； 增強(qiáng)型晶體管，所述耗盡型晶體管的源極和漏極被耦接到所述增強(qiáng)型晶體管；以及 恒流源，其被耦接到所述耗盡型晶體管和所述增強(qiáng)型晶體管之間的連接節(jié)點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的電源電路，其中，所述耗盡型晶體管由包括氮的化合物半導(dǎo)體器件形成。
3.如權(quán)利要求1所述的電源電路，其中，所述場(chǎng)板是耦接到所述耗盡型晶體管的源極的源場(chǎng)板。
4.如權(quán)利要求1所述的電源電路，其中，所述恒流源流出所述耗盡型晶體管的額定電流的1X10—11到1X10-2的電流。
5.一種電源裝置，包括: 直流-直流轉(zhuǎn)換器；以及 電源電路，其被配置成給所述直流-直流轉(zhuǎn)換器供電， 其中，所述電源電路包括: 耗盡型晶體管，其包括場(chǎng)板， 增強(qiáng)型晶體管，所述耗盡型晶體管的源極和漏極被耦接到所述增強(qiáng)型晶體管，以及 恒流源，其被耦接到所述耗盡型晶體管和所述增強(qiáng)型晶體管之間的連接節(jié)點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】H01L27/06GK103681663SQ201310367058
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月20日
【發(fā)明者】今田忠纮 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社