[发明专利]氮化物基双向切换器件和其制造方法

说明书

本公开提供一种具有衬底电位管理能力的氮化物基双向切换器件及其制造方法。所述器件具有控制节点、第一电力/负载节点、第二电力/负载节点和主衬底，且包括：氮化物基双侧晶体管；和衬底电位管理电路，其配置成用于管理所述主衬底的电位。通过实施所述衬底电位管理电路，可将衬底电位稳定到所述双侧晶体管的第一源极/漏极和第二源极/漏极的电位中的较低一个，而不管所述双向切换器件在哪个方向上操作。因此，所述双侧晶体管可在两个方向上以稳定衬底电位操作以用于传导电流。

技术领域

本发明总体来说涉及氮化物基半导体双向切换器件及其制造方法。更具体来说，本发明涉及具有衬底电位管理能力的氮化物基半导体双向切换器件及其制造方法。

背景技术

由于低功率损耗和快速切换转变，GaN基器件已广泛用于高频电能转换系统。与硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相比，GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在高功率和高频应用中具有好得多的品质因数和更具前景的性能。

通过恰当的栅极结构设计，GaN HEMT器件可配置为等效于在相反方向上串联耦合的两个晶体管，使得其可用于双侧晶体管Qm。与需要两个Si基晶体管的常规硅基配置相比，GaN基双侧晶体管Qm可具有更简单的驱动电路系统、更低的功耗和更紧凑的大小。

如果GaN HEMT器件的衬底是浮动的，那么衬底将在器件的切换过程期间累积电荷，这将影响器件的切换性能且使器件的长期可靠性劣化。在单向GaN HEMT器件中，为了避免衬底浮动对器件的性能和可靠性的影响，通常需要将器件的衬底和源极保持在相同电位。在双向GaN HEMT器件中，由于器件的源极和漏极根据电路的工作状态切换，因此不可能将衬底与源极或漏极端子直接电连接。因此，对于双向GaN HEMT器件，有必要根据器件的工作状态独立地控制衬底电位，使得器件的衬底电位始终维持在器件的最低电位。在低侧应用中，双向器件的最低电位为系统接地，且双向GaN HEMT器件的衬底电位可直接接地。然而，在高侧应用中，双向器件应用的最低电位可能不是系统接地，因此双向GaN HEMT器件的衬底电位应独立地控制为处于器件的最低电位。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供一种具有衬底电位管理能力的氮化物基双向切换器件。所述器件具有控制节点、第一电力/负载节点、第二电力/负载节点和主衬底，且包括：氮化物基双侧晶体管；和衬底电位管理电路，其配置成用于管理主衬底的电位。

双向切换器件可在第一操作模式(其中第一电力/负载节点在高于施加到第二电力/负载节点的电压的电压下偏置)下在第一方向上操作；且在第二操作模式(其中第一电力/负载节点在低于施加到第二电力/负载节点的电压的电压下偏置)下在第二方向上操作。

通过实施衬底电位管理电路，衬底电位Vsub在第一和第二操作模式两者下基本上等于第一和第二电力/负载节点的电位中的较低一个。因此，主衬底的电位可稳定到双侧晶体管的第一源极/漏极和第二源极/漏极的电位中的较低一个，而不管双向切换器件在哪个方向上操作。因此，双侧晶体管可在两个方向上以稳定衬底电位操作以用于传导电流。

附图显示

当结合附图阅读时，从以下具体实施方式容易理解本公开的各方面。应注意，各种特征可不按比例绘制。也就是说，为了论述清楚起见，各种特征的尺寸可任意增大或减小。在下文中参考图式更详细地描述本公开的实施例，在图式中：

图1和图2A至2D显示根据本发明的一些实施例的双向切换器件的结构。图1为双向切换器件的部分布局。图2A至2D为分别沿图1中的线A-A'、B-B'、C-C'和D-D'截取的横截面视图。

图3A至3K显示根据本发明的一些实施例的用于制造双向切换器件的方法的不同阶段。

图4为根据本发明的一些实施例的具有衬底电位管理能力的双向切换器件的电路框图。

图5A和5B描绘基于图4的电路框图的根据一些实施例的双向切换器件的电路图。