電源電路和電源裝置制造方法
【專利摘要】公開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，其包括場板；增強型晶體管，耗盡型晶體管的源極和漏極被耦接到該增強型晶體管；以及恒流源，其被耦接到耗盡型晶體管和增強型晶體管之間的連接節點。
【專利說明】 電源電路和電源裝置
【技術領域】
[0001 ] 本文討論的實施方式涉及一種電源電路和電源裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，積極開發了一種電子器件(化合物半導體器件)，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，預期該化合物半導體器件以高的擊穿電壓進行工作。
[0004]—種這樣的化合物半導體器件是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是下述場效應晶體管:其中由半導體異質結引起的高遷移率二維電子氣(2DEG)被用作溝道。
[0005]當GaN-HEMT被用作電源逆變器的開關時，可以降低導通(ON)電阻以及提高耐電壓性。此外，與Si基晶體管相比，還可以降低待機功耗且提高工作頻率。
[0006]因此，可以降低開關損耗，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GaN-HEMT以高頻率和高電壓工作時，會發生漏電流減小的電流崩塌現象。認為電流崩塌現象的原因之一是:自由電子被捕獲在柵極的面對漏極的一側附近的區域的電子陷講能級(electron trap level)。當電子被捕獲在表面的陷講能級時,2DEG的密度減小且GaN-HEMT的輸出會下降。作為對電流崩塌現象的對策，存在一種具有源場板的GaN-HEMT，其中場板被設置到源極。
[0008]然而，存在這樣的問題，當GaN-HEMT關斷(OFF)時，閾值變化，高電壓被施加到源場板下面的絕緣膜，使絕緣膜退化，并縮短GaN-HEMT的壽命。
[0009]以下是參考文獻:
[0010][文獻I]日本特許公開專利公布第2006-324839號。

【發明內容】

[0011]根據本發明的一個方面，電源電路包括:耗盡型晶體管(depression modetransistor)，其包括場板；增強型晶體管，耗盡型晶體管的源極和漏極被耦接到該增強型晶體管；以及恒流源，其被耦接到耗盡型晶體管和增強型晶體管之間的連接節點。
[0012]本發明的目的和優點通過權利要求中特別指出的要素和組合來實現和達到。
[0013]應當理解，如所聲稱的，前面的一般描述和下面的詳細描述都是示例性的和說明性的，并不是對本發明的限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是級聯(cascode)連接電路的電路圖；[0015]圖2是包括源場板的GaN-HEMT的結構圖；
[0016]圖3是包括源場板的GaN-HEMT的等效電路圖；
[0017]圖4是示出了 GaN-HEMT的可靠性測試結果的圖；
[0018]圖5是一種實施方式的電源電路的電路圖；以及
[0019]圖6是應用該實施方式的電源電路的電源裝置的圖。
【具體實施方式】
[0020]雖然傳統的硅MOS-FET是常關型(增強型)晶體管，當沒有電壓被施加到柵極時，常關型晶體管是關斷的，但是GaN-HEMT是常開型(耗盡型)晶體管，當沒有電壓被施加到柵極時，常開型晶體管通常是導通的。
[0021 ] 因此，為了開關耗盡型GaN-HEMT，存在一種被稱為級聯連接的方法，其中，耗盡型GaN-HEMT與增強型FET結合來作為增強型運行。
[0022]圖1示出了級聯連接電路的例子。級聯連接電路I是耗盡型GaN_HEMT30和增強型M0S-FET20串聯連接的電路。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。增強型M0S-FET20例如是通常可用的硅基η型M0S-FET。
[0023]接下來，將描述級聯連接電路I的操作。首先，當M0S-FET20關斷時，M0S-FET20的電阻增大，并且M0S-FET20的漏電壓上升，與仍然導通的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，因為GaN_HEMT30的柵電壓為0V。這里，例如，如果GaN-HEMT30關斷和導通的閾值為-5V，則當GaN_HEMT30的源電壓變為5V時，GaN-HEMT30 關斷。
[0024]當級聯連接電路I被看作一個晶體管時，GaN-HEMT30的漏極作為級聯連接電路I的漏極運行，而M0S-FET20的源極作為級聯連接電路I的源極運行。類似地，M0S-FET20的柵極作為級聯連接電路I的柵極運行。
[0025]當GaN-HEMT以高頻率和高電壓工作時，會發生漏電流減小的電流崩塌現象。認為電流崩塌現象的原因之一是:自由電子被捕獲在柵極的面對漏極的一側附近的區域的電子陷阱能級。當電子被捕獲在表面的陷阱能級時，2DEG的密度減小且GaN-HEMT的輸出會下降。
[0026]因此，作為對電流崩塌現象的對策，存在一種包括場板的GaN-HEMT。
[0027]圖2是示出了包括場板的GaN_HEMT32的結構的截面視圖。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，形成源場板40，其在水平方向上從源極81上方延伸到超過柵場板42的位置。源場板40通過在層間絕緣膜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44被形成在層間絕緣膜95上的、漏極82的位置處，并且通過在層間絕緣膜95中形成的接觸插塞86被電連接到漏極82。
[0032]當源場板40被看作閾值比柵極83的閾值更負(minus)的第二柵極時，具有場板的GaN-HEMT32可以被看作兩個器件。
[0033]圖3是具有場板的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的源場板40作為柵極，以及使用GaN_HEMT32的漏極82作為漏極。
[0035]接下來，將描述具有場板的GaN_HEMT32關斷時的操作。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]當第一器件34的柵電壓被設定為-5V或更低且第一器件34關斷時，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，并且當第二器件36的源電壓變為IOV時，第二器件36關斷。
[0037]認為在GaN-HEMT以高頻率和高電壓工作時發生的電流崩塌現象的原因之一是:自由電子被捕獲在柵極的面對漏極的一側附近的區域的電子陷阱能級。通過阻止過強的電場被施加到柵極83的面對漏極82的一側，源場板40具有不抑制自由電子運動的功能。
[0038]通過在上述用作例子的級聯連接電路I中用具有場板的GaN_HEMT32代替GaN-HEMT30，發明人進行了可靠性測試。
[0039]圖4示出了 GaN_HEMT32的可靠性測試的結果。在圖4中，最左邊的豎直矩形表示在600V被施加到圖1中所示的級聯連接電路I的電源、脈沖信號被輸入到輸入端子中并且級聯連接電路I被重復導通和關斷的情況下GaN-HEMT32的壽命。獲得GaN_HEMT32在約1.0OX 101°秒內損壞的結果。
[0040]發明人估計了如下所述的GaN_HEMT32損壞的原因。當GaN_HEMT32關斷時，泄漏電流從源極81通過GaN晶體流動到漏極82。當泄漏電流小時，僅空穴(正空穴)的陷阱立即出現在源場板40下面，并且不發生復合和去捕獲(detrap)。因此，源場板40下面的區域帶正電的，2DEG的密度增大，并且源場板40的閾值從-1OV改變到例如-50V。然后，如果第二器件36的源電壓沒有上升直至50V，則第二器件36將不會關斷。在這種情況下，50V的高電壓被施加到場板40下面的層間絕緣膜95，以使得層間絕緣膜95的退化發展，并且最終層間絕緣膜95損壞。其結果是，GaN-HEMT32的壽命縮短。
[0041]因此，發明人認為GaN_HEMT32壽命縮短的原因是由于源場板的閾值的變化，從而發明了下述實施方式。
[0042]在下文中，將參照附圖詳細描述公開技術的優選實施方式。
[0043]圖5是示出了根據應用公開技術的實施方式的電源電路10的圖。在圖5中，用相同的附圖標記表示與圖1中所示的級聯連接電路I中組件相同的組件，并且將省略它們的描述。
[0044]本實施方式的電源電路10是級聯連接電路，其中具有場板的GaN_HEMT32和增強型M0S-FET20串聯連接。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被連接到下述節點:在該節點處，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關斷時從GaN-HEMT32的源極81通過GaN晶體流動到漏極82。
[0046]在圖4中，從左邊第二個豎直矩形到左邊第5個豎直矩形表示在600V被施加到圖5中所示的電源電路10、脈沖信號被輸入到輸入端子并且電源電路10重復導通和關斷的情況下的GaN-HEMT32的壽命。豎直矩形表示GaN_HEMT32的壽命的比較的結果，對于額定電流為IOOmA的GaN-HEMT32，通過將由恒流源50流出的電流改變到IpA、InA、I μ A和ImA來獲得上述結果。
[0047]恒流源50流出的電流為IpA的情形和無恒流源的情形之間觀察不到壽命的區別。已知，當泄漏電流只增加IpA時，沒有很多影響。
[0048]當恒流源50流出的電流為InA和I μ A時，與無恒流源50的情形相比，觀察到壽命延長了約6倍。如果GaN-HEMT32關斷時的泄漏電流通過將恒流源50連接到GaN_HEMT32而增大，則即使當GaN-HEMT32關斷時空穴被捕獲在源場板40下面，空穴也很容易被去捕獲或很容易與電子復合。因此，源場板40下面的2DEG的密度不改變，以使得在源場板40被看作第二柵極時閾值不變。
[0049]由于源場板40的閾值不變，所以高電壓沒有被施加到場板40下面的層間絕緣膜95。因此，認為層間絕緣膜95的退化沒有發展，并且GaN-HEMT32的壽命延長。
[0050]當恒流源50流出的電流為ImA時，在GaN_HEMT32的源極和漏極之間施加高電壓以使得大的負載被局部地施加到GaN-HEMT32的一部分的狀態下，大的電流在GaN_HEMT32的源極和漏極之間流動。因此，認為電壓和電流超出了 SOA (安全工作區)的范圍，以使得GaN-HEMT32的壽命顯著縮短，其中安全工作區是GaN_HEMT32長時間穩定工作的電壓和電流的區域。
[0051]因此，已經清楚，當恒流源50流出的電流為InA和1μ A時有影響。認為當在通過GaN-HEMT32的額定電流確定的范圍內增大泄漏電流時源場板40的閾值不變，以使得GaN-HEMT32的退化沒有發展。
[0052]在本實施方式中，通過恒流源50在借由GaN_HEMT32的額定電流確定的范圍內增大泄漏電流來增大GaN-HEMT32關斷時的泄漏電流，使得高電壓沒有被施加到場板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GaN-HEMT32的壽命。
[0053]在本實施方式中，描述了源極81具有場板的、帶有源場板40的GaN_HEMT32。然而，從柵極83具有場板的、帶有柵場板的GaN-HEMT可以獲得相同的效果。
[0054]即使當僅電阻，而不是恒流源50，被連接到使GaN_HEMT32的源極和M0S-FET20的漏極連接的節點時，GaN-HEMT32關斷時的泄漏電流可以增大到一定程度，使得可以預計有一定程度的影響。
[0055]圖6是使用本實施方式的電源電路10的電源裝置的電路圖。本實施方式的電源電路10被設置在功率因素校正(PFC)中來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AC電力進行全波整流，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:該電力是通過對從AC電源200輸入的AC電力進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、本實施方式的用作開關器件的電源電路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、流經電源電路10的電流的電流值以及平滑電容器240的輸出側的電壓值Vout，來確定柵電壓的占空比，并且將柵電壓施加到開關器件IOA的柵極。作為控制單元250，例如可以使用乘法器電路，其可以基于流經電源電路10的電流的電流值以及電壓值Vout和Vin來計算占空比。
[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轉換器260中。作為DC-DC轉換器260，例如，可以使用正激(forward) DC-DC轉換器或全橋DC-DC轉換器。例如，385V電壓的交流電力被輸入到DC-DC轉換器260中。
[0060]DC-DC轉換器260是下述轉換電路:其轉換并輸出AC電力的電壓值。負載電路270被連接到DC-DC轉換器260的輸出側。
[0061]這里，例如，DC-DC轉換器260將385V電壓的AC電力轉換為12V電壓的DC電力，并且輸出DC電力到負載電路270。
[0062]根據本實施方式，即使當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，幾乎不發生電流崩塌現象，使得可以提供有效的電源裝置。此外，GaN-HEMT32的退化是小的，使得可以提供高質量的電源裝置。
[0063]本文陳述的所有例子和條件性語言旨在用于教示目的以幫助讀者理解本發明以及發明人為促進技術所貢獻的構思，并且被解釋為不限制這樣具體陳述的例子和條件，并且說明書中的這樣的例子的組織并不涉及表明本發明的優勢和劣勢。雖然已經詳細描述了本發明的實施方式，但是應當理解，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可以對本發明作出各種改變、替代和變更。
【權利要求】
1.一種電源電路,包括: 耗盡型晶體管，其包括場板； 增強型晶體管，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型晶體管之間的連接節點。
2.如權利要求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體器件形成。
3.如權利要求1所述的電源電路，其中，所述場板是耦接到所述耗盡型晶體管的源極的源場板。
4.如權利要求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-直流轉換器；以及 電源電路，其被配置成給所述直流-直流轉換器供電， 其中，所述電源電路包括: 耗盡型晶體管，其包括場板， 增強型晶體管，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型晶體管之間的連接節點。
【文檔編號】H01L27/06GK103681663SQ201310367058
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年8月21日 優先權日:2012年9月20日
【發明者】今田忠纮 申請人:富士通株式會社