级联电路的制作方法
【专利摘要】一种级联电路结构具有安装在衬底(例如，陶瓷衬底)上的低压MOSFET和耗尽型功率器件，该级联电路结构于是可以设于半导体封装中。这使得能够降低电感，且如果需要则能够使用三端子封装。
【专利说明】级联电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及级联半导体器件。具体地，本发明涉及耗尽型晶体管，例如，高电子迁移率晶体管或结型栅场效应晶体管。示例是氮化镓(GaN)晶体管(例如，GaN高电子迁移率晶体管(HEMT))或碳化硅(SiC)场效应晶体管。
【背景技术】
[0002]本发明尤其关注于GaN功率晶体管。由于在GaN晶片的生长期间产生的内建异质结的存在，基础GaN功率半导体是耗尽型(常通型)器件。这在材料中产生薄的高导电性区域，称为二维电子气(“2DEG”)，有效地限定了晶体管沟道。
[0003]为了制作常断型GaN器件，需要对2DEG进行干扰以便阻止其导通的手段。尝试在功率半导体的叠层中引入附加层，以便使器件常断(从而可以与MOSFET互换)，但是这种尝试伴随着器件性能代价，例如比常通型器件差的导通电阻。
[0004]因此，将高压GaN开关与传统低压硅MOSFET级联是结合硅和GaN功率器件优点的可行选择。
[0005]级联开关的优点在于可以使用现有的标准栅极驱动器，因为器件驱动特性主要由硅MOSFET确定。因此，这种器件可以用于直接代替硅MOSFET或IGBT。
[0006]图1示出按级联配置将常通型氮化镓晶体管(MeJ和常断型硅MOSFET晶体管(Msi)功率开关串联连接的公知方法。随着与硅基开关相比具有优越器件特性的新型GaN和SiC功率半导体不断涌现，这种方法对于功率电子应用变得越来越普遍。
[0007]在图1的标准级联配置中，只有硅MOSFET Msi受到产生栅极信号VeM的栅极驱动器的主动控制。GaN开关MeaN经由硅MOSFET Msi来间接受控，因为MOSFET的漏-源电压等于GaN的源-栅电压。
[0008]在如图1所示的级联电路中，部件间的互连将降低切换速度，而高切换速度是GaN的期望优点之一。这将导致电压过冲，而电压过冲可能影响低压MOSFET的额定电压(且因此影响成本)。
[0009]因此，需要建立使级联结构的电感(和寄生电阻)最小化的结构。为了最小化电压过冲和震荡以及保护GaN器件的栅极，能够将附加部件结合到级联电路中也是有利的。例如，曾提出将GaN晶体管用于功率因数校正(PFC)电路中。对于PFC应用(GaN的最初目标市场)，也可以用GaN来制作PFC 二极管。集成PFC 二极管的方法也具有潜在优势。
[0010]图2示出了级联结构的电感。存在一系列的源极、漏极和栅极电感Ls、Ld和Le以及内部电感Lintl、Lint2和Lint3。Lintl在GaN源极和MOSFET漏极之间，Lint2在封装源极和GaN栅极之间，且Lint3在封装源极和MOSFET源极之间。
[0011]当切换低电压MOSFET时，Ls和Lint3的电感是关键的，因为在导通时这些电感随着电流快速提升而降低栅极驱动电压，使得得到的电流改变率di/dt由下式确定:
【权利要求】
1.一种级联晶体管电路，包括: 第一耗尽型晶体管(40)，其漏极(50)用于连接到高电源线； 第二硅MOSFET(42)，其漏极连接到第一晶体管(40)的源极，其源极用于连接到低电源线.衬底(43)，第一和第二晶体管(40，42)安装在该衬底(43)上，衬底(43)具有提供第一晶体管的源极与第二晶体管的漏极之间的连接的导电轨道(44)。
2.根据权利要求1所述的级联晶体管电路，形成为封装器件，具有从第一晶体管漏极(50)到第一封装端子的第一连接、从第二晶体管栅极(56)到第二封装端子的第二连接以及从第二晶体管源极(52)到第三封装端子的第三连接，其中封装端子之一包括管芯附接焊盘端子。
3.根据权利要求2所述的级联晶体管电路，其中第二晶体管源极(52)连接到管芯附接焊盘端子。
4.根据权利要求2或3所述的级联晶体管电路，包括三端子封装。
5.根据任一前述权利要求所述的级联晶体管电路，其中第二晶体管(42)是垂直器件。
6.根据权利要求5所述的级联晶体管电路，其中第二晶体管漏极在底部。
7.根据任一前述权利要求所述的级联晶体管电路，其中衬底(43)包括陶瓷衬底。
8.根据任一前述权利要求所述的级联晶体管电路，其中第一晶体管(40)包括焊料凸块，并倒装接合到衬底上。
9.根据任一前述权利要求所述的级联晶体管电路，其中第二晶体管(42)包括连接到衬底的连接接线柱(54)。
10.根据任一前述权利要求所述的级联晶体管电路，包括安装在衬底上的其他部件(60)。
11.根据权利要求10所述的级联晶体管电路，其中所述其他部件包括: 电容器、RC缓冲电路或二极管，用于限制第一晶体管的漏极处的最大电压；或 二极管，用于功率因数校正。
12.根据任一前述权利要求所述的级联晶体管电路，其中第一耗尽型晶体管(40)包括高电子迁移率晶体管或结型栅场效应晶体管。
13.根据权利要求12所述的级联晶体管电路，其中第一耗尽型晶体管(40)包括GaN晶体管。
14.一种电路结构,包括: 根据任一前述权利要求所述的级联晶体管电路；以及 栅极驱动电路，具有单一栅极输出线。
15.一种包括如权利要求14所述的电路结构的设备，其中所述设备包括: 电源；或 功率因数校正电路；或 逆变电路；或 开关模式功率变换电路。
【文档编号】H02M1/00GK103872006SQ201310684492
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2012年12月17日
【发明者】菲利普·鲁特尔, 简·雄斯基, 马塞厄斯·罗斯 申请人:Nxp股份有限公司