晶体管控制电路和电源装置制造方法
【专利摘要】本申请公开了一种晶体管控制电路和电源装置，该晶体管控制电路包括：电极控制电路，被配置成向包括栅极和漏极之间的控制电极的晶体管中的该控制电极施加正电势。
【专利说明】晶体管控制电路和电源装置
【技术领域】
[0001]本文讨论的实施方式涉及高电子迁移率晶体管控制电路，以及电源装置。
【背景技术】
[0002]最近，有了电子器件(化合物半导体器件)的积极发展，其中，氮化镓(GaN)层和AlGaN层被依次形成在由材料比如蓝宝石、SiC、GaN或Si制成的衬底上，并且GaN层被用作电子渡越层。
[0003]GaN的带隙为3.4eV，与Si的1.1eV和GaAs的1.4eV相比是大的。为此，这样的半导体化合物器件预期可高电压工作。
[0004]—种这样的化合物半导体器件是GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)。在下文中，这样的GaN基高电子迁移率晶体管将被称为GaN-HEMT。HEMT是场效应晶体管，其包含由半导体异质结引起的高迁移率二维电子气(2DEG)作为沟道。
[0005]在用于电源的逆变器中使用GaN-HEMT作为开关能够同时实现导通电阻的减小和耐受电压的提高。此外，与硅基晶体管相比，可以降低待机(standby)期间的功耗，并且还可以提高工作频率。
[0006]为此，可以降低开关损耗，使得可以降低逆变器的功耗。此外，与硅基晶体管相比，对于性能相同的晶体管，可以小型化。
[0007]如果GaN-HEMT以高频率和高电压工作，则会发生其中漏极电流减小的电流崩塌现象。电流崩塌现象的一个可能的原因是自由电子被捕获在栅极电极的漏极电极侧附近的电子陷阱能级中。如果电子被捕获在表面陷阱能级中，则在2DEG层中形成耗尽层，从而增加源极和漏极之间的导通电阻，这可以导致GaN-HEMT的输出下降。作为对抗电流崩塌现象的对策，存在如下技术，其在栅极和漏极之间提供与源极电极具有相同电势的场板电极，以便减弱栅极电极附近的电场增幅。
[0008]然而，当试图以更高频率和更高电压使GaN-HEMT工作时，会有仅提供场板不足以减小源极和漏极之间的导通电阻的问题。
[0009]以下是参考文件:
[0010][文件I]日本专利特许公布第2006-114795号。
【发明内容】
[0011]根据本发明的一个方面，晶体管控制电路包括:电极控制电路，被配置成向包括栅极和漏极之间的控制电极的晶体管中的该控制电极施加正电势。
[0012]本发明的目的和优点将通过权利要求中具体指出的要素和组合来实现和达到。
[0013]应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性的和说明性的，而不是如权利要求那样是对本发明的限制。
【专利附图】
【附图说明】[0014]图1是示出了包括场板的GaN-HEMT的结构的图；
[0015]图2是包括场板的GaN-HEMT的等效电路图；
[0016]图3是示出了施加到场板的电压和动态导通电阻之间的关系的图；
[0017]图4是根据一种实施方式的GaN-HEMT控制电路的电路图；
[0018]图5A和5B是用于说明根据一种实施方式的GaN-HEMT控制电路的操作的图；以及
[0019]图6是应用了根据一种实施方式的控制电路的电源装置的图。
【具体实施方式】
[0020]如果GaN-HEMT以高频率和高电压工作，则会发生其中漏极电流减小的电流崩塌现象。电流崩塌现象的一个可能的原因是自由电子被捕获在栅极电极的漏极电极侧附近的电子陷阱能级中。如果电子被捕获在表面陷阱能级中，则在2DEG层中形成耗尽层，从而增加源极和漏极之间的电阻，这可以导致GaN-HEMT的输出下降。作为对抗电流崩塌现象的对策，存在一种GaN-HEMT,其包括由栅极和漏极之间的金属板(下文中称为场板)制成的控制电极，以便减弱栅极电极附近的电场增幅。
[0021]图1是示出了包括场板40的GaN_HEMT30的结构的横截面图。AlN层91、非掺杂1-GaN层92、n型n_AlGaN层94被依次形成在SiC衬底90的顶部上。此外，源极电极81、漏极电极82和栅极电极83形成在n-AlGaN层94的顶部上。在GaN_HEMT30中，结合在n-AlGaN层94和1-GaN层92之间界面处形成的二维电子气(2DEG) 93作为载体。注意，AIN层91用作缓冲层。
[0022]此外，由绝缘材料比如聚酰亚胺制成的层间绝缘膜95形成在n型n_AlGaN层94、源极电极81、漏极电极82和栅极电极83的顶部上。
[0023]在层间绝缘膜95内部形成有在水平方向上延伸的栅场板46，其电连接到栅极电极83。
[0024]源极电极焊盘42形成在源极电极81位置处的层间绝缘膜95的顶部上，并且经由形成在层间绝缘膜95内的接触栓85电连接到源极电极81。
[0025]此外，漏极电极焊盘44形成在漏极电极82位置处的层间绝缘膜95的顶部上，并且经由形成在层间绝缘膜95内的接触栓86电连接到漏极电极82。
[0026]此外，由金属板制成的场板40形成在栅场板46和漏极电极焊盘44之间的层间绝缘膜95的顶部上。
[0027]如果将场板40看作在负方向上具有比栅极电极83更负的阈值的第二栅极，则可以将具有场板的GaN-HEMT30看作是两个器件。
[0028]图2示出了具有场板的GaN_HEMT30的等效电路图。第一器件34将GaN_HEMT30的源极电极81作为源极，将GaN-HEMT30的栅极电极83作为栅极，以及将GaN_HEMT30的漏极端部下的二维电子气93的一端作为漏极。
[0029]第二器件36将GaN_HEMT30的漏极端部下的二维电子气93的另一端作为源极，将GaN-HEMT30的场板40作为栅极，以及将GaN_HEMT30的漏极电极82作为漏极。
[0030]接下来，将描述具有场板的GaN_HEMT30关断时的操作。第一器件34的栅极的阈值取为例如-5V，而第二器件36的栅极的阈值取为例如-10V。
[0031]如果第一器件34的栅极电压设定为-5V或更低，并且第一器件34关断，则第一器件34的栅极电阻将增加，从而，第一器件34的漏极电压与相对于仍然导通的第二器件36的电阻值平衡地上升。随着第一器件34的漏极电压上升，第二器件36的源极电压也上升，并且在第二器件36的源极电压达到IOV的点处，第二器件36将关断。
[0032]通常，场板40被设定为与源极电极81具有相同的电势，以使得电场不过度地施加在栅极电极83的漏极电极82 —侧附近，从而减弱电场增幅，但不阻碍自由电子运动。
[0033]本发明人在GaN_HEMT30处于导通状态的同时向场板40施加正电压的情况下，测量了动态导通电阻的改变。
[0034]图3示出了针对未向GaN_HEMT30的场板40施加电压的状态、施加6V的状态、施加IOV的状态、以及施加20V的状态的动态导通电阻值。图3表明导通电阻值随着施加到场板40的电压上升而下降。
[0035]本发明人推断向GaN_HEMT30的场板40施加正电压时导通电阻值的下降由以下原因引起。
[0036]如前所述，场板40减弱栅极电极83附近的电场增幅，并且具有使自由电子不太可能被捕获在栅极电极83的漏极电极82 —侧附近的电子陷阱能级中的效果。然而，如果GaN-HEMT30以更高频率和更高电压工作，则将场板40保持在与源极电极81相同的电势处会导致自由电子被捕获在栅极电极83的漏极电极82 —侧附近的电子陷阱能级中，这降低了二维电子气93的浓度，从而增加了源极和漏极之间的电阻。
[0037]因此，向场板40施加正电压被认为具有使由于电子被捕获而已经下降的二维电子气93增加的效果，从而提高二维电子气93的流量。
[0038]此外，向场板40施加正电压被认为具有将集中在栅极电极83附近的二维电子气93引向漏极电极82的效果，从而恢复二维电子气93的原始浓度，并且提高二维电子气93
的流量。
[0039]因此，本发明人设计了下面的示例性实施方式作为用于减小GaN_HEMT30的导通电阻的电路。
[0040]在下文中，将参照附图并详细描述根据本公开的技术的优选的示例性实施方式。
[0041]图4是示出了根据应用了本公开的技术的实施方式的晶体管控制电路I的图。
[0042]根据本实施方式的具有场板40的GaN_HEMT30的控制电路I包括:场板控制电路10，控制场板40 ;以及栅极控制电路20，控制栅极电极83。
[0043]场板控制电路10包括比较电压发生电路50、漏极电压确定电路60以及场板(FP)电压控制电路70。
[0044]比较电压发生电路50例如产生3个比较电压VREFH、VREFM和VREFL，以便确定在漏极电压确定电路60中通过分割漏极电压Vd得到的分压值VdDIV的那个值。漏极电压确定电路60例如包括3个比较器C0MPH、C0MPM和C0MPL，以便比较分压值VdDIV与比较电压VREFH、VREFM和VREFL之间的差值。在GaN_HEMT30用作以较高电压工作的电路中的开关的情况下，比如用作服务器电源的逆变器中的开关的情况下，例如，漏极电压Vd甚至可以为400V。因此，用漏极电压确定电路60内的比较器COMPH、COMPM和COMPL对漏极电压Vd进行直接比较是不切实际的。因此，比较器COMPH、COMPM和COMPL用分压值VdDIV与3个比较电压VREH1、VREFM和VREFL进行比较，其中分压值VdDIV例如通过用分压电阻器RH和RL将漏极电压Vd分为1/100来得到。[0045]场板电压控制电路70根据来自比较器COMPH、COMPM和COMPL的比较结果产生要给予场板40的电压。
[0046]栅极控制电路20控制GaN_HEMT30的栅极来导通或关断GaN_HEMT30。在功率因数校正器(PFC)中设置GaN-HEMT30以便改善电源装置中的电源的功率因数的情况下，栅极控制电路20控制脉冲宽度调制(PWM)信号的脉冲宽度，脉冲宽度调制信号根据输出电压VOUT的改变来导通和关断GaN-HEMT30。
[0047]接下来，将使用图5A和5B描述场板控制电路10的操作。图5A示出了通过分割漏极电压Vd得到的分压值VdDIV的改变，而图5B示出了施加到场板40的电压值的改变。首先，指示了电压没有施加到场板40的状态。
[0048]然而，如果在GaN_HEMT30工作的同时漏极电压Vd随导通电阻上升而上升，则分压值VdDIV也上升。当检测到分压值VdDIV已经超过比较电压VREFM时，漏极电压确定电路60通知场板电压控制电路70。场板电压控制电路70在时刻Tl例如向场板40施加10V。
[0049]如果导通电阻即使在向场板40施加IOV之后还不下降，并且漏极电压Vd进一步上升，则分压值VdDIV同样进一步上升。漏极电压确定电路60检测到分压值VdDIV已经超过比较电压VREFH，并且通知场板电压控制电路70。场板电压控制电路70在时刻T2例如向场板40施加20V。
[0050]如果由于向场板40施加20V使得导通电阻下降并且漏极电压Vd降低，则分压值VdDIV同样降低。漏极电压确定电路60检测到分压值VdDIV已经降到比较电压VREHl下面，并且通知场板电压控制电路70。场板电压控制电路70例如在时刻T3将施加到场板40的电压从20V降低到10V。
[0051]由于施加到场板40的电压突然下降，因此导通电阻也突然下降，并且漏极电压Vd同样暂时地突然下降。漏极电压Vd再次上升，但是，漏极电压确定电路60检测到分压值VdDIV已经超过比较电压VREFL，并且通知场板电压控制电路70。场板电压控制电路70通过在时刻T4关断施加到场板的电压来稳定漏极电压Vd。
[0052]以这种方式，根据GaN_HEMT30的漏极电压Vd的改变来改变施加到场板40的电压能够阻止导通电阻上升，并且稳定来自GaN-HEMT30的输出。
[0053]图6是使用了根据本实施方式的场板控制电路10和栅极控制电路20的电源装置的电路图。场板控制电路10设置在功率因数校正(PFC)电路220中以改善电源装置内的电源的功率因数。图6中所示的电源装置包括整流电路210、功率因数校正电路220、栅极控制电路20以及直流-直流(DC-DC)转换器260。
[0054]整流电路210连接到交流电源200，对交流电源执行全波整流，并且输出结果。这里，由于交流电源200的输出电压是Vin，所以整流电路210的输入电压是Vin。整流电路210输出从交流电源200输入的已经通过对交流电源执行全波整流转换后的电力。例如，具有80V到265V电压的交流电源输入到整流电路210中，因此，从整流电路210输出的电压也被取为Vin。
[0055]功率因数校正电路220连接到T型接头(junction)，并且包括电感器、作为开关元件的GaN-HEMT30、二极管和平滑电容器240。功率因数校正电路220是有源滤波电路，其减少包括在由整流电路210整流后的电流中的高频波等的波动，并且提高电源的功率因数。
[0056]栅极控制电路20输出脉冲栅极电压来施加到GaN_HEMT30的栅极。栅极控制电路20基于经过全波整流的并且从整流电路210输出的电力的电压值Vin、流经GaN-HEMT30的电流的电流值、以及平滑电容器240的输出侧上的电压值Vout，来确定栅极电压的占空比，并且将确定的占空比施加到GaN-HEMT30的栅极。用作栅极控制电路20的电路可以是乘法器电路，例如，其能够基于流经GaN-HEMT30的电流的电流值以及电压值Vout和Vin来计算占空比。
[0057]平滑电容器240对从功率因数校正电路220输出的电压进行平滑，并且将平滑后的电压输入到直流-直流转换器260中。例如，可以使用正激或全桥直流-直流转换器作为直流-直流转换器260。例如，具有385V电压的直流电力输入到直流-直流转换器260中。
[0058]直流-直流转换器260是转换电路，其转换和输出直流电力的电压值。负载电路270连接在直流-直流转换器260的输出侧上。
[0059]这里，例如，直流-直流转换器260将具有385V电压的直流电源转换为具有12V电压的直流电源，并且将转换后的直流电源输出到负载电路270。
[0060]根据本实施方式，由于抵抗了动态导通电阻的影响，因此即使在功率因数校正电路220中使用高频率和高电压的GaN-HEMT30的情况下，也能够提供具有良好效率的电源装置。
[0061]虽然前面详细描述了本公开技术的实施方式，但公开的技术并不限于这样的【具体实施方式】，在如权利要求中所述的本公开技术的原理的范围内，可以进行各种改变和修改。
[0062]本文记载的所有示例和条件性语言意在教学目的以帮助读者理解本发明和本发明人贡献的有助于扩展本【技术领域】的构思，并且被理解为不限制为这样具体记载的示例和条件，说明书中这些示例的组织也不涉及本发明的优势和劣势的展示。虽然已经详细描述了本发明的实施方式，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种改变、替代和变更。
【权利要求】
1.一种晶体管控制电路，包括: 电极控制电路，被配置成向包括栅极和漏极之间的控制电极的晶体管中的所述控制电极施加正电势。
2.根据权利要求1所述的晶体管控制电路，还包括: 漏极电压确定电路，被配置成确定所述晶体管的漏极电压值。
3.根据权利要求2所述的晶体管控制电路，其中， 所述电极控制电路基于来自所述漏极电压确定电路的确定结果，向所述控制电极施加正电势。
4.根据权利要求3所述的晶体管控制电路，其中， 所述电极控制电路向所述控制电极施加第一正电势以及高于所述第一正电势的第二正电势。
5.根据权利要求2所述的晶体管控制电路，其中，所述漏极电压确定电路包括: 分压电路，被配置成分割漏极电压； 比较电压发生电路，被配置成产生多个比较电压；以及 比较电路，被配置成将通过所述分压电路分割的漏极电压与所述多个比较电压进行比较。
6.根据权利要求1所述的晶体管控制电路，其中， 所述晶体管由包括氮的化合物半导体实现。
7.一种电源装置，包括: 直流-直流转换器；以及 电源电路，被配置成向所述直流-直流转换器供电，所述电源电路包括电极控制电路，被配置成向包括栅极和漏极之间的控制电极的晶体管中的所述控制电极施加正电势。
8.根据权利要求7所述的电源装置，还包括: 漏极电压确定电路，被配置成确定所述电源电路的漏极电压值。
9.根据权利要求8所述的电源装置，其中， 所述电极控制电路基于来自所述漏极电压确定电路的确定结果，向所述控制电极施加正电势。
【文档编号】H02M1/08GK103780061SQ201310369671
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2012年10月22日
【发明者】今田忠纮 申请人:富士通株式会社