[发明专利]高电子迁移率晶体管温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括高电子迁移率晶体管(High-Electron-Mobility Transistor,HEMT)的集成结构。它还涉及一种采用该结构的集成电路组件和电子器件。

背景技术

在功率半导体中，自发热是一种已知的问题，在AlGaN/GaN功率HEMT中，由于典型的高功耗水平，这个问题显得特别重要。在静态和动态的情况下，GaN HEMT和GaN二极管在应用板上进行测试时，被观察到要蒙受热效应之苦。在静态直流I-V测量中，自发热效应得以显现，其中观察到当功耗增大时，饱和区出现明显的负斜率。电流崩塌是HEMT中的一种“记忆”效应，其中流经器件的电流取决于先前施加到器件上的电压。温度越高，电流崩塌的影响越坏。从而，在进行系统设计时，需要特别仔细地注意GaN功率半导体的栅极驱动和漏-源偏置。在例如功率因数补偿(PFC)、升压电路或电机驱动控制等应用中，器件在开关时非常迅速地到达高温度，且经常表现出热逸溃，由于它超过了最大结温度(T_j)和封装的限制，会引起器件的损坏。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种集成结构，包括：高电子迁移率晶体管(HEMT)和与HEMT相集成的温度感应结构，温度感应结构配置为提供指示温度的信号，以为HEMT提供温度保护。

由此，可包括基于GaN的器件的HEMT具有了集成的温度感测，将较为有利。这将使得HEMT更加可靠。温度感应结构或其部分可被集成在HEMT结构的有源区、漏区、源区或栅区。利用可以作为温度感应结构的半导体结构，可以使得HEMT的温度得以有效地量测。

所述结构可进一步包括温度保护元件，温度保护元件配置为接收指示温度的信号，并控制所述HEMT。将保护电路与HEMT集成是较为有利的。

温度感应结构可以包括一个或多个温度感应元件。温度感应元件可以分布在HEMT上。温度感应元件可以位于由HEMT占据的管芯区域上不同的点位处，这将是有利的。HEMT在使用中的温度可能不是均匀的，从而，提供多个温度感应元件将会使得可能遭受过热温度的分区得到更为可靠的测量。

温度感应元件可包括肖特基势垒二极管(SBD)。温度感应元件可以使用由于压电极化而发生的二维电子气。HEMT可以是基于氮化镓的HEMT结构。由于SBD可以在GaN工艺过程中与HEMT一起形成，而不需要额外的掩模或工艺步骤，这是有利的。可以理解的是，基于GaN的工艺可包括多层AlGaN，以制作超晶格和金属，例如镍或镍钒，以形成肖特基栅。

温度感应元件可以分布在HEMT的栅极手指区域。将温度感应元件设置在此处是有利的，这将可以设置多个感应元件，潜在地得到更为精确的温度分布信息。

温度保护元件可配置为提供HEMT控制信号，以响应于指示温度的信号而关断HEMT。可选地，温度保护元件可配置为向本结构以远的器件提供温度信息，以与外部保护或补偿机制一起使用。

温度保护元件可位于HEMT的源极节点邻近。这将至少为测试目的地向该元件提供较佳的电气耦合。

温度保护元件可配置为向HEMT的栅极提供HEMT控制信号。从而，可向HEMT提供一个栅-源电压(V_gs)，以关闭其运行。在耗尽型HEMT(通常导通)的情况下，V_gs可以包括低于阈值电压V_th的负电压。对于增强型的HEMT(通常关断)，V_gs可包括低于阈值电压V_th的正电压。可以理解的是，当V_gs被拉到低于HEMT的阈值电压V_th(开启阈值电压)时，HEMT将由导通切换至关断状态，从而关闭。

温度感应结构可以包括绝对温度比例电路(PTAT)，其配置为输出指示温度的信号。PTAT电路可使用两个或多个温度感应元件。PTAT电路可包括第一和第二肖特基势垒二极管，其各配置为由恒定电流供给。该恒定电流可以由电流源供电，电流源可以由至少一个GaN HEMT和电阻形成。第一和第二肖特基势垒二极管可配置为运行于不同的电流密度。第一SBD和第二SBD可具有不同的面积。第一SBD和第二SBD之间的电压可以包括所述指示温度的信号。从而，SBD在PTAT电路中作用为温度传感器。温度感应结构可包括绝对温度比例电路，其配置为使用适应于运行在不同电流密度下的一对温度感应元件，来得到指示温度的信号。