低静止电流半导体装置的制作方法

本发明实施例涉及一种低静止电流半导体装置。

背景技术：

场效晶体管(fet)(例如金属氧化物半导体fet(mosfet)(例如，硅基mosfet)及高电子迁移率晶体管(hemt)(例如，gan基hemt))用于此技术中且各自具有其自身优点及用途。通常，hemt呈离散功率晶体管的形式且mosfet经配置以驱动hemt。

技术实现要素：

本发明实施例涉及一种半导体装置，其包括：功率晶体管；及驱动电路，其耦合到所述功率晶体管且经配置以驱动所述功率晶体管，且包含第一级及耦合于所述第一级与所述功率晶体管之间的第二级，其中所述第一级及所述第二级的各者包含第一及第二增强模式高电子迁移率晶体管(hemt)。

本发明实施例涉及一种半导体装置，其包括：功率晶体管；及驱动电路，其耦合到所述功率晶体管且经配置以驱动所述功率晶体管且包含：第一级，其包含电阻器及增强模式高电子迁移率晶体管(hemt)，其中所述增强模式hemt具有耦合到所述电阻器的源极/漏极端子；及第二级，其耦合于所述第一级与所述功率晶体管之间且包含一对增强模式hemt。

本发明实施例涉及一种方法，其包括：在半导体装置的电路的输出端子处产生比所述电路的输入端子处的电源电压大的第一电压；以对应于所述第一电压的第二电压启动所述半导体装置的增强模式高电子迁移率晶体管(hemt)；及以实质上等于所述电源电压的驱动电压驱动所述半导体装置的功率晶体管。

附图说明

当结合附图阅读时，可从下文详细描述最佳理解本揭示的方面。应注意，根据行业中的标准实践，未按比例绘制各种特征。事实上，为清楚论述，各种特征的尺寸可任意增大或减小。

图1是根据本揭示的各种实施例的第一示范性半导体装置的示意图；

图2是根据本揭示的各种实施例的半导体装置的示范性充电泵电路的示意图；

图3是根据本揭示的各种实施例的充电泵电路的示范性电压倍增器的示意图；

图4是根据本揭示的各种实施例的充电泵电路的示范性时钟产生器的示意图；

图5是根据本揭示的各种实施例的充电泵电路的示范性环形振荡器的示意图；

图6是根据本揭示的各种实施例的第二示范性半导体装置的示意图；

图7是根据本揭示的各种实施例的第三示范性半导体装置的示意图；

图8是根据本揭示的各种实施例的第四示范性半导体装置的示意图；

图9是根据本揭示的各种实施例的第五示范性半导体装置的示意图；

图10是根据本揭示的各种实施例的第六示范性半导体装置的示意图；

图11是根据本揭示的各种实施例的第七示范性半导体装置的示意图；

图12是根据本揭示的各种实施例的第八示范性半导体装置的示意图；

图13是根据本揭示的各种实施例的第九示范性半导体装置的示意图；

图14是根据本揭示的各种实施例的驱动功率晶体管的第一示范性方法的流程图；及

图15是根据本揭示的各种实施例的驱动功率晶体管的第二示范性方法的流程图。

具体实施方式

下文揭示提供用于实施所提供的标的的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件及布置的特定实例以简化本揭示。当然，这些仅是实例且不旨在限制。例如，在下文描述中，第一构件在第二构件上方或上的形成可包含其中第一构件与第二构件直接接触形成的实施例，且也可包含其中额外构件可形成于第一构件与第二构件之间，使得第一构件与第二构件可未直接接触的实施例。此外，本揭示可在各种实例中重复参考数字及/或字母。此重复是出于简单及清楚的目的且本身并不指示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。

此外，空间相关术语，例如“底下”、“下方”、“下”、“上方”、“上”及类似者在本文中可用来方便描述以描述如图中所绘示的一个元件或特征对另一元件或特征的关系。空间相关术语旨在涵盖除图中描绘的定向外的装置在使用中或操作中的不同定向。设备可以其它方式定向(旋转90度或依其它定向)，且可相应地同样解释本文中所用的空间相关描述词。

本揭示提供示范性半导体装置，其包含功率晶体管及经配置以驱动功率晶体管的驱动电路。在一实施例中，半导体装置包含充电泵电路及自举电路。如下文将描述，驱动电路具有最小的静止电流。此外，凭借充电泵电路及自举电路，驱动电路以实质上等于施加到半导体装置的电源电压的驱动电压驱动功率晶体管。

图1是根据本揭示的各种实施例的第一示范性半导体装置100的示意图。半导体装置100(即，集成电路(ic))包含电源电压引脚110a、110b、参考电压引脚120a、120b、输入引脚130、输出引脚140、充电泵启用引脚150、功率晶体管160、驱动电路170、自举电路180及充电泵电路190。在此实施例中，使用高电子迁移率晶体管(hemt)(其各者包含第一及第二源极/漏极端子及栅极端子)来实施半导体装置100。在替代实施例中，使用hemt及金属氧化物半导体场效晶体管(mosfet)的组合来实施半导体装置100。hemt是增强模式hemt(其在零栅极电源电压下处于关断状态且通过将其栅极端子拉到高于电源电压(vdd)的电平的电压电平而接通/启动)或耗尽模式hemt(其在零栅极电源电压下处于接通状态且可具有负的阈值电压，例如，-1.0v)。

在此实施例中，半导体装置100进一步包含封装，所述封装将功率晶体管160、驱动电路170、自举电路180及充电泵电路190囊封其中，且引脚110a、110b、120a、120b、130、140、150延伸到所述封装中。

电源电压引脚110a、110b经配置以连接到外部电源，进而将电源电压(vdd)(例如，6.0v)施加到此类引脚。参考电压引脚120a、120b经配置以连接到外部电源，进而将参考电压(vss)(例如，接地电压)施加到此类引脚。输入引脚130经配置以耦合到外部信号源，例如，脉宽调制(pwm)电路，进而将在低电压电平(例如，参考电压(vss)的电平)与高电压电平(例如，电源电压的电平，例如，(vdd))之间转变的输入信号施加到此引脚。输出引脚140经配置以连接到负载，例如电感负载、电容负载或其组合。

在此实施例中，功率晶体管160是基于ⅲ-ⅴ化合物半导体(例如，基于gan)的增强模式hemt且具有高电压额定值，例如，在约40v与约650v之间。在替代实施例中，功率晶体管160是耗尽模式hemt。在一些实施例中，功率晶体管160可以是任何基于化合物半导体(例如，基于ⅱ-ⅵ或ⅳ-ⅳ化合物半导体)的hemt。如图1中所绘示，功率晶体管160的第一及第二源极/漏极端子分别连接到输出引脚140及参考电压引脚120b。

驱动电路170经配置以驱动功率晶体管160且包含各自作为反向器操作的多个级170a、170b、170c、170d。在此实施例中，级170b、170c及170d的各者包含一对增强模式hemt(q1、q2)。级170d的hemt(q1、q2)的第一源极/漏极端子连接到彼此且连接到功率晶体管160的栅极端子。级170d的hemt(q1)的第二源极/漏极端子连接到源极电压引脚110b。级170c的hemt(q1、q2)的第一源极/漏极端子连接到彼此且连接到级170d的hemt(q1)的栅极端子。级170b的hemt(q1、q2)的第一源极/漏极端子连接到彼此且连接到级170c的hemt(q1)的栅极端子。

级170a包含耗尽模式hemt(q1)及增强模式hemt(q2)。级170a的hemt(q1)的第一源极/漏极端子及栅极端子及hemt(q2)的第一源极/漏极端子连接到彼此且连接到级170b的hemt(q1)的栅极端子。

级170a、170b、170c、170d的hemt(q2)的第二源极/漏极端子连接到彼此且连接到参考电压引脚120a。级170a、170b、170c、170d的hemt(q2)的栅极端子连接到彼此且连接到输入引脚130。

自举电路180经配置以产生大于电源电压(vdd)的自举电压(vbs)且包含二极管(d)及电容器(c)。在此实施例中，二极管(d)是两端子二极管(即，具有阳极及阴极端子)且连接于电源电压引脚110b与级170c的hemt(q1)的第二源极/漏极端子之间。电容器(c)连接于级170c的hemt(q1)的第二源极/漏极端子与级170d的hemt(q1、q2)的第一源极/漏极端子之间。应认识到，在阅读本揭示之后，自举电路180可具有任何适合建构，只要其可达成本文中描述的预期目的。

充电泵电路190包含连接到电源电压引脚110a的输入端子及输出端子且经配置以在其输出端子处产生比其输入端子处的电源电压(vdd)大的充电泵电压(vcp)。级170a、170b的hemt(q1、q1)的第二源极/漏极端子连接到彼此且连接到充电泵电路190的输出端子。

应理解，除第一及第二源极/漏极端子及栅极端子之外，hemt(q1、q2)的各者还进一步包含本体。在一实施例中，hemt(q1、q2)的本体连接到彼此且连接到参考电压引脚120a/120b。在另一实施例中，hemt(q1、q2)的本体连接到彼此且连接到电源电压引脚110a/110b。

在操作中，当输入引脚130处的输入信号从低电压电平(例如，0v)转变为高电压电平(例如，6.0v)时，级170a、170b、170c、170d的hemt(q2)被接通/启动。因此，在级170a、170b、170c、170d的hemt(q1)的栅极端子处出现对应于参考电压(vss)的撤销启动电压。此关断/撤销启动级170b、170c、170d的hemt(q1)。此继而给电容器(c)充电。此时，级170a的hemt(q1)被启动且作为电阻器操作，充电泵电路190在其输出端子处产生充电泵电压(vcp)，且因此静止电流流过级170a。应注意，凭借级170a与功率晶体管160之间的级170b、170c、170d，本揭示的驱动电路170具有最小静止电流。

在后续操作中，当输入引脚130处的输入信号从高电压电平转变回到低电压电平时，级170a、170b、170c、170d的hemt(q2)被撤销启动。此时，级170a的hemt(q1)被启动且作为电阻器操作，充电泵电路190在其输出端子处产生充电泵电压(vcp)(例如，16.0v)，且在级170b的hemt(q1)的栅极端子处出现对应于充电泵电压(vcp)的启动电压。凭借充电泵电路190，在级170c的hemt(q1)的栅极端子处出现启动电压，所述启动电压的电平足够高(例如，12.5v)以启动级170c的hemt(q1)。凭借自举电路180，在级170d的hemt(q1)的栅极端子处出现启动电压，所述启动电压的电平足够高(例如，7.5v)以启动级170d的hemt(q1)。因此，在功率晶体管160的栅极端子处出现实质上等于电源电压(vdd)的驱动电压(vdrive)。

在替代实施例中，半导体装置100省去功率晶体管160、参考电压引脚120b及输出引脚140。在此一替代实施例中，半导体装置100进一步包含延伸到封装中且连接到级170d的hemt(q1、q2)的第一源极/漏极端子的功率晶体管引脚(未展示)。

图2是根据本揭示的各种实施例的充电泵电路190的示意图。充电泵电路190包含环形振荡器210、时钟产生器220及电压倍增器230。图3是根据本揭示的各种实施例的电压倍增器230的示意图。如图3中所绘示，电压倍增器230在充电泵电路190的输入端子与输出端子之间，在此实施例中是迪克森(dickson)电压倍增器/充电泵，且包含级310、320、330、340、350，所述级的各者包含二极管(d)及电容器(c)。在此实施例中，级310、320、330、340、350的各者的二极管(d)是二极管连接的增强模式hemt。在一些实施例中，级310、320、330、340、350的各者的二极管(d)是两端子二极管。在其它实施例中，级310、320、330、340、350的各者的二极管(d)是二极管连接的mosfet。

图4是根据本揭示的各种实施例的时钟产生器220的示意图。如图4中所绘示，时钟产生器220包含真实模块410及互补模块420。真实模块410具有输入端子及输出端子、经配置以在其输出端子处产生真实时钟信号(vclock)、且在其输入端子与输出端子之间包含级410a、410b、410c。互补模块420具有输入端子及输出端子、经配置以在其输出端子处产生作为真实时钟信号(vclock)的补数的互补时钟信号(vclockbar)、且在其输入端子与输出端子之间包含级420a、420b、420c。真实模块410的级410a、410c及互补模块420的级420a、420b、420c的各者包含一对hemt，所述对hemt的一者是耗尽模式hemt且另一者是增强模式hemt。真实模块410的级410b包含一对增强模式hemt。

应注意，由于真实模块410及互补模块420具有相同数目个级(即，在此实施例中三个)，因此真实时钟信号(vclock)/互补时钟信号(vclockbar)并不超前/滞后于互补时钟信号(vclockbar)/真实时钟信号(vclock)。因而，真实时钟信号(vclock)及互补时钟信号(vclockbar)实质上彼此反相180°。

尽管时钟产生器220是示范性的，使得其真实模块410及互补模块420包含三个级，但应认识到，真实模块410及互补模块420可包含任何数目个级。

进一步参考图3，级310及330的电容器(c)连接到彼此且连接到真实模块410的输出端子，而级320及340的电容器(c)连接到彼此且连接到互补模块420的输出端子。

图5是绘示根据本揭示的各种实施例的环形振荡器210的示意性电路图。如图5中所绘示，环形振荡器210包含前馈振荡模块510、反馈振荡模块520及启用模块530。前馈振荡模块510具有输入端子及输出端子、经配置/可操作以在其输出端子处产生振荡信号(osc)、且在其输入端子与输出端子之间包含级(出于简单目的，仅将前馈振荡模块510的级的一者标记为540)。反馈振荡模块520具有分别连接到前馈振荡模块510的输出端子及输入端子的输入端子及输出端子、经配置以将前馈振荡模块510的输出端子处的振荡信号(osc)选路/反馈回到前馈振荡模块510的输入端子、且包含级(出于简单目的，仅将反馈振荡模块520的级的一者标记为550)。模块510、520的级的各者包含一对hemt，所述对hemt的一者是耗尽模式hemt且另一者是增强模式hemt。

启用模块530连接于充电泵启用引脚150与级540之间、经配置以启用前馈振荡模块510的操作、且包含增强模式hemt。

进一步参考图4，真实模块410及互补模块420的输入端子连接到彼此且连接到前馈振荡模块510的输出端子。

在操作中，当启用模块530的hemt的栅极端子处的电压从低电压电平转变为高电压电平时，前馈振荡模块510在其输出端子处产生振荡信号(osc)。因此，真实模块410及互补模块420分别在其输出端子处产生真实时钟信号(vclock)及互补时钟信号(vclockbar)，进而电压倍增器230在充电泵电路190的输出端子处产生充电泵电压(vcp)。

应认识到，在阅读本揭示之后，充电泵电路190可具有任何适合建构，只要其可达成本文中描述的预期目的。

图6是根据本揭示的各种实施例的第二示范性半导体装置600的示意图。此实施例与半导体装置100不同在于半导体装置600省去自举电路180。如此的建构降低半导体装置600的制造成本且允许在半导体装置600的外部实施自举电路180。半导体装置600进一步包含延伸到封装中且连接到级170c的hemt(q1)的第二源极/漏极端子的自举引脚610及延伸到封装中且连接到级170d的hemt(q1、q2)的第一源极/漏极端子的自举引脚620。

图7是根据本揭示的各种实施例的第三示范性半导体装置700的示意图。此实施例与半导体装置100不同在于半导体装置700省去充电泵电路190及充电泵启用引脚150。如此的建构降低半导体装置700的制造成本且允许在半导体装置700的外部实施充电泵电路190的环形振荡器210、时钟产生器220及电压倍增器230。半导体装置700进一步包含延伸到封装中且连接到级170a、170b的hemt(q1、q1)的第二源极/漏极端子的充电泵引脚710。

图8是根据本揭示的各种实施例的第四示范性半导体装置800的示意图。此实施例与半导体装置700不同在于半导体装置800进一步省去自举电路180的组件的至少一者，例如，二极管(d)及电容器(c)的至少一者。如此的建构降低半导体装置800的制造成本且允许在半导体装置800的外部实施自举电路180的二极管(d)及/或电容器(c)。在一实施例中，如图8中所绘示，半导体装置800省去自举电路180的电容器(c)。半导体装置800进一步包含延伸到封装中且连接到级170c的hemt(q1)的第二源极/漏极端子的电容器引脚810及延伸到封装中且连接到级170d的hemt(q1、q2)的第一源极/漏极端子的电容器引脚820。在另一实施例中，半导体装置800省去二极管(d)，而非电容器(c)。在此另一实施例中，半导体装置800进一步包含延伸到封装中且连接到级170c的hemt(q1)的第二源极/漏极端子的二极管引脚。

图9是根据本揭示的各种实施例的第五示范性半导体装置900的示意图。此实施例与半导体装置100不同在于半导体装置900省去充电泵电路190的组件的至少一者，例如，环形振荡器210、时钟产生器220及电压倍增器230的至少一者。如此的建构降低半导体装置900的制造成本且允许在半导体装置900的外部实施充电泵电路190的环形振荡器210、时钟产生器220及/或电压倍增器230。在此实施例中，半导体装置900省去环形振荡器210及时钟产生器220。半导体装置900进一步包含延伸到封装中且连接到电压倍增器230的级310及330的电容器(c)的时钟产生器引脚910及延伸到封装中且连接到电压倍增器230的级320及340的电容器(c)的时钟产生器引脚920。

图10是根据本揭示的各种实施例的第六示范性半导体装置1000的示意图。此实施例与半导体装置900不同在于半导体装置1000进一步省去自举电路180。如此的建构降低半导体装置1000的制造成本且允许在半导体装置1000的外部实施自举电路180。半导体装置1000进一步包含延伸到封装中且连接到级170c的hemt(q1)的第二源极/漏极端子的自举引脚1010及延伸到封装中且连接到级170d的hemt(q1、q2)的第一源极/漏极端子的自举引脚1020。

图11是根据本揭示的各种实施例的第七示范性半导体装置1100的示意图。此实施例与半导体装置1000不同在于半导体装置1100进一步省去电压倍增器230及时钟产生器引脚910、920。如此的建构降低半导体装置1100的制造成本且允许在半导体装置1100的外部实施充电泵电路190。半导体装置1100进一步包含延伸到封装中且连接到级170a、170b的hemt(q1、q1)的第二源极/漏极端子的充电泵引脚1110。

图12是根据本揭示的各种实施例的第八示范性半导体装置1200的示意图。此实施例与半导体装置100不同在于半导体装置1200的驱动电路170进一步包含级170b、170c之间的一或多个级1210。如此的建构进一步降低半导体装置1200的驱动电路170的静止电流。

图13是根据本揭示的各种实施例的第九示范性半导体装置1300的示意图。此实施例与半导体装置100不同在于半导体装置1300的驱动电路170的级170a省去hemt(q1)。半导体装置1300的驱动电路170的级170a进一步包含电阻器(r)，所述电阻器(r)具有连接到充电泵电路190的输出端子的第一电阻器端子及连接到级170a的hemt(q2)的第一源极/漏极端子及级170b的hemt(q1)的栅极端子的第二电阻器端子。

图14是根据本揭示的各种实施例的驱动功率晶体管的第一示范性方法1400的流程图。为便于理解，现将进一步参考图1描述方法1400，但应理解，方法也同样适用于其它结构。在操作1410中，自举电路180在其输出端子处产生比其输入端子处的电源电压(vdd)大的自举电压(vbs)。在操作1420中，以对应于自举电压(vbs)的启动电压(例如，7.5v)启动级170d的hemt(q1)。在操作1430中，以实质上等于电源电压(vdd)的驱动电压(vdrive)驱动功率晶体管160。

图15是根据本揭示的各种实施例的驱动功率晶体管的第二示范性方法1500的流程图。为便于理解，现将进一步参考图1描述方法1500，但应理解，方法也同样适用于其它结构。在操作1510中，充电泵电路190在其输出端子处产生比其输入端子处的电源电压(vdd)大的充电泵电压(vcp)。在操作1520中，以对应于充电泵电压(vcp)的启动电压(例如，12.5v)启动级170c的hemt(q1)。在操作1530中，以实质上等于电源电压(vdd)的驱动电压(vdrive)驱动功率晶体管160。

在一示范性实施例中，半导体装置包括功率晶体管及驱动电路。驱动电路耦合到功率晶体管且经配置以驱动功率晶体管且包含第一级及第二级。第二级耦合于第一级与功率晶体管之间。第一级及第二级的各者包含第一及第二增强模式高电子迁移率晶体管(hemt)。

在另一示范性实施例中，半导体装置包括功率晶体管及驱动电路，所述驱动电路耦合到功率晶体管且经配置以驱动功率晶体管且包含第一级及第二级。第一级包含电阻器及增强模式高电子迁移率晶体管(hemt)。增强模式hemt具有耦合到电阻器的源极/漏极端子。第二级耦合于第一级与功率晶体管之间且包含一对增强模式hemt。

在另一示范性实施例中，方法包括：在半导体装置的电路的输出端子处产生比电路的输入端子处的电源电压大的第一电压；以对应于第一电压的第二电压启动半导体装置的增强模式高电子迁移率晶体管(hemt)；及以实质上等于电源电压的驱动电压驱动半导体装置的功率晶体管。

前文概述若干实施例的特征，使得所属领域的技术人员可更佳理解本揭示的方面。所属领域的技术人员应认识到，其可容易使用本揭示作为设计或修改用于实行本文中介绍的实施例的相同目的及/或达成相同优点的其它过程及结构的基础。所属领域的技术人员还应意识到，此类等效建构并不脱离本揭示的精神及范畴，且其可在不脱离本揭示的精神及范畴的情况下在本文中作出各种改变、置换及变动。

符号说明

100半导体装置

110a电源电压引脚

110b电源电压引脚

120a参考电压引脚

120b参考电压引脚

130输入引脚

140输出引脚

150充电泵启用引脚

160功率晶体管

170驱动电路

170a级

170b级

170c级

170d级

180自举电路

190充电泵电路

210环形振荡器

220时钟产生器

230电压倍增器

310级

320级

330级

340级

350级

410真实模块

410a级

410b级

410c级

420互补模块

420a级

420b级

420c级

510前馈振荡模块

520反馈振荡模块

530启用模块

540级

550级

600半导体装置

610自举引脚

620自举引脚

700半导体装置

710充电泵引脚

800半导体装置

810电容器引脚

820电容器引脚

900半导体装置

910时钟产生器引脚

920时钟产生器引脚

1000半导体装置

1010自举引脚

1020自举引脚

1100半导体装置

1110充电泵引脚

1200半导体装置

1210级

1300半导体装置

1400方法

1410操作

1420操作

1430操作

1500方法

1510操作

1520操作

1530操作

c电容器

d二极管

osc振荡信号

q1高电子迁移率晶体管(hemt)

q2高电子迁移率晶体管(hemt)

r电阻器

vbs自举电压

vcp充电泵电压

vclock真实时钟信号

vclockbar互补时钟信号

vdrive驱动电压

vdd电源电压

vss参考电压