高电子迁移率晶体管温度传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种包括高电子迀移率晶体管（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】
[0002] 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，GaNHEMT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（Tp和封装 的限制，会引起器件的损坏。
【发明内容】
[0003] 根据本发明的一个方面，提供一种集成结构，包括：高电子迀移率晶体管（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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 温度感应元件可包括肖特基势皇二极管（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-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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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 供较佳的电气親合。
[0011] 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（Vgs)，以关闭其运行。在耗尽型HEMT(通常导通）的情况下，Vgs可以包括 低于阈值电压Vth的负电压。对于增强型的HEMT(通常关断），Vgs可包括低于阈值电压Vth 的正电压。可以理解的是，当Vgs被拉到低于HEMT的阈值电压Vth (开启阈值电压）时，HEMT 将由导通切换至关断状态，从而关闭。
[0012] 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皇 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GaNHEMT和电阻形成。第一和第二肖特基势皇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。
[0013] 温度感应结构可包括电压频率转换器。温度感应结构可以包括第一温度感应元件 和第二温度感应元件，配置为控制振荡器。振荡器可包括多谐振荡器或方波发生器，配置为 从第一和第二温度感应元件所接收的信号而生成指示温度的信号，第一和第二温度感应元 件可包括两个GaNSBD。振荡器可配置为生成指示温度的信号，其具有的频率是HEMT的温度 的函数。第一SBD和第二SBD可具有实质上相同的面积。第一SBD和第二SBD可以布置为 极性相反地并联，并配置为控制振荡器。温度感应结构可包括多谐振荡器，多谐振荡器配置 为使用由一对温度感应元件所得到的信号，多谐振荡器配置为生成指示温度信号的信号， 所述指示温度信号的信号具有的频率是HEMT的温度的函数。
[0014] 温度保护元件可包括比较元件，比较元件配置为将指示温度的信号与预定的设定 点比较，并当设定点被超过时生成逻辑信号。感应的温度可以包括来自PTAT电路或振荡器 /多谐振荡器/方波发生器的温度信号。该设定点可以包括预定的电压信号，该预定的电压 信号代表感应的温度欲比较的阈值温度。
[0015] 比较元件可包括频率电压变换器，并可配置为将指示温度的信号的频率与预定的 设定点比较，并当达到或超过该设定点时生成指示器信号，该指示器信号可包括逻辑信号。 比较元件可以包括锁相回路，锁相回路配置为当指示温度的信号的频率与表现阈值温度的 预定阈值频率匹配时闩锁。此类闩锁可以使用异或逻辑结构，以作动为鉴相器。
[0016]从而，比较元件可以通过指示器/逻辑信号的方式，配置为指示所感测的温度是 否上升到阈值以上。该信号可被用来控制HEMT，以防止温度进一步上升。可以理解的是，比 较元件可以提供指示器信号，指示器信号可以具有多于两个状态，并可以提供对HEMT的梯 度控制信号。
[0017]温度保护元件可包括电平转换器，电平转换器配置为响应于指示器信号或逻辑信 号而生成控制信号，以施加到HEMT的栅极。由于电平转换器可以将指示器信号或逻辑信号 的一种电气属性进行转换，典型地为电压，从而使用它可以在HEMT的栅极直接作用，以控 制通过HEMT的功率并从而控制其温度，因此电平转换器是有好处的。
[0018] 电平转换器可包括极性变换器。在HEMT的特定运行模式下，可能需要控制信号具 有与逻辑信号相反的极性。从而，极性变换器可以提供用来进行该转换。
[0019]HEMT、温度感应结构以及温度保护电路在同样的管芯上集成在同样的半导体主体 中。这为HEMT提供了一种紧凑的温度保护解决方案。
[0020] 根据本发明的第二方面，提供了一种集成电路组件，其包括了第一方面所述的结 构。〇
[0021] 该组件可包括用来接收负电源供给的引脚和用来接收正电源供给的引脚。
[0022] 根据本发明的第三方面，提供了一种电子器件，其包括了第一方面所述的结构。该 电子器件可以包括基于GaN的开关模式电源或马达控制系统。
【附图说明】
[0023] 以下通过示例的方式结合附图对于本发明的实施方式进行进一步描述。
[0024] 图1是一种实施方式的集成结构的平面视图；
[0025] 图2是一种实施方式的集成结构的示意图；
[0026] 图3是另一种实施方式的集成结构的示意图；
[0027] 图4是一种实施方式的PTAT电路；
[0028] 图5是一种实施方式的比较器电路；
[0029] 图6是一种实施方式的电平转换器电路；以及
[0030] 图7是一种实施方式的电压频率转换器电路。
【具体实施方式】
[0031] 图1所示的是形成在半导体主体2中的一种集成结构1。该结构1包括HEMT3， HEMT3具有源区4、栅区5和漏区6。该结构进一步包括数个温度感应元件7a-7d，其集成在 GaN半导体主体2的HEMT3的有源区中。温度感应元件包括肖特基势皇二极管（Schottky BarrierDiode，SBD)。相应地，SBD7分布在定义出HEMT3的区域上。在图1中，SBD7a-7d 被提供在HEMT的导通通道中。温度感应元件与HEMT3之间电隔离，并且可以被设置于主体 2上HEMT所处的位置中的任何位置。温度感应元件形成为温度感应结构8的一部分，温度 感应结构8配置为提供可以指示HEMT3的温度的信号。该结构1包括温度保护元件9,温 度保护元件9配置为使用来自于温度感应结构的信号，以提供控制信号来控制HEMT3。温 度感应结构8可配置为提供用于外部电路进行处理的温度信号。可选地，并如该实施方式 如示的，温度保护元件9可以配置为使用来自温度感应结构8的信息，以控制HEMT的运行。
[0032] 图2所示的是温度感应结构8和温度保护元件9的元件部分的第一种实施方式。 温度感应结构8包括绝对温度比例（ProportionalToAbsoluteTemperature,PTAT)电路 10。图4中将显示PTAT电路的更多细节。电路10配置为使用SBD7a-7d中的对，以作为 温度感应元件。PTAT电路10配置为提供输出电压，该输出电压与HEMT的温度成线性比例。 从而，PTAT电路在其输出处提供温度信号。
[0033] 参考图4所示，PTAT电路显示为在两个分支40、41中使用SBD中的两个，7a和7b。 PTAT电路10的每人分支都由恒定电流供给。图中所示的电流源42、43用来向SBD7a、7b 提供恒定电流。电流源42、43可为可以理解的任意合适的恒定电流电路。SBD7a、7b配置 为其中一个的面积大于另一个。在该实施方式中，SBD7a的面积是SB