CN110798059A - 用于GaN基启动电路的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于GaN基启动电路的系统和方法。根据一个实施例，一种电路包括：第一氮化镓（GaN）晶体管，其包括耦合到漏极节点的漏极、耦合到源极节点的源极以及耦合到栅极节点的栅极；以及第二GaN晶体管，其包括耦合到漏极节点的漏极、耦合到第一电源节点的源极，第一电源节点被配置成耦合到第一电容器。

Description

用于GaN基启动电路的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及GaN基启动电路的系统和方法。
背景技术
开关式电源（SMPS）转换器广泛用于从电信设备到汽车的各种电子应用中。与线性稳压器相比，SMPS系统提供了优越的功率转换效率和更高的设计灵活性。
SMPS设计的一个挑战是管理由于开关损耗引起的功率损耗。减少这种开关损耗的一种方式是使用氮化镓GaN功率器件代替硅基晶体管来实现开关晶体管。与传统的硅基晶体管相比，GaN功率器件的低寄生电容和更低的导通电阻降低了开关损耗。如此，GaN功率器件越来越多地用于实现便携式电子设备的紧凑型充电器。
SMPS设计的另一挑战，尤其是关于低功率便携式设备中使用的功率电路方面，是管理SMPS的启动行为。由于用于低功率便携式设备的充电器通常不包括辅助电源，因此通常使用SMPS本身产生的电力来向控制SMPS的各种有源开关部件的电路供电。解决此问题的一种方式是在SMPS启动期间使用来自AC线路输入的电力来为控制电路供电。在一些系统中，使用耦合到AC线路输入的高欧姆电阻器来对耦合到控制电路的输入电容器充电。然而，当SMPS未操作和/或处于待机模式时，这样的电路可能继续从AC线路输入汲取电力，这可能与某些便携式设备充电系统的极低的待机功率要求相冲突。
发明内容
根据一个实施例，一种启动电路的方法包括在启动电路的漏极节点处接收第一电压，所述启动电路包括具有耦合到所述漏极节点的漏极的第一氮化镓（GaN）晶体管、具有耦合到所述漏极节点的漏极和耦合到参考节点的栅极的第二GaN晶体管、以及耦合到第二GaN晶体管的源极的第一电容器；经由第二GaN晶体管对第一电容器充电；从第一电容器向耦合到第一GaN晶体管的栅极的驱动电路供能；以及当第一电容器的电压达到阈值时，关断第二GaN晶体管。
根据另一实施例，一种电路包括：第一氮化镓（GaN）晶体管，其包括耦合到漏极节点的漏极、耦合到源极节点的源极以及耦合到栅极节点的栅极；以及第二GaN晶体管，其包括耦合到所述漏极节点的漏极、耦合到第一电源节点的源极，第一电源节点被配置成耦合到第一电容器。
根据另一实施例，一种开关式电源包括：具有第一氮化镓（GaN）晶体管、第二GaN晶体管的集成电路，第一氮化镓（GaN）晶体管具有耦合到漏极节点的漏极和耦合到参考节点的源极，第二GaN晶体管具有耦合到所述漏极节点的漏极和耦合到所述参考节点的栅极，其中第一GaN晶体管和第二GaN晶体管设置在同一半导体衬底上；电容器，其耦合到第二GaN晶体管的源极；驱动电路，其包括耦合到第一GaN晶体管的栅极的栅极驱动输出以及耦合到所述电容器的电源输入。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图进行的描述，在附图中：
图1A例示了实施例启动电路的示意图；图1B例示了在图1A的实施例启动电路中使用的耗尽型晶体管的I-V曲线；并且图1C和1D例示了说明图1A的实施例启动电路的操作的波形图；
图2例示了根据备选实施例的启动电路的示意图；
图3例示了实施例栅极驱动系统的示意图；
图4A和4B例示了包含实施例启动电路的开关式功率转换器的示意图；
图5例示了实施例GaN增强型晶体管单元的示意性横截面；
图6A、6B和6C例示了实施例GaN耗尽型晶体管单元的示意性横截面；以及
图7例示了实施例启动电路单元的布局图。
除非另有说明，否则不同附图中的对应数字和符号通常指代对应的部分。附图被绘制成清楚地例示优选实施例的相关方面，但不一定按比例绘制。为了更清楚地例示某些实施例，可以在图号后面接续指示相同结构、材料或工艺步骤的变化的字母。
具体实施方式
下文详细讨论目前优选的实施例的制造和使用。然而，应该理解的是，本发明提供了可以在各种特定背景下具现化的许多可应用的发明构思。所讨论的特定实施例仅例示了制造和使用本发明的特定方式，并不限制本发明的范围。
将结合特定背景中的优选实施例——使用GaN基启动电路来启动开关式电源的系统和方法——来描述本发明。本发明还可以应用于其他电子电路和系统的启动。
在各种实施例中，GaN基启动电路用于为电子系统提供初始启动电力，所述电子系统如开关式电源，其被配置成将较高的AC线路电压转换为例如便携式电子系统可用的较低的DC电压，所述便携式电子系统如智能手机、蜂窝电话和平板电脑以及需要DC电压进行操作的其他电子系统。这种开关式电源通常包括也使用DC电源电压来操作的控制和开关电路。在开关式电源的正常操作期间，该DC电源电压通常由开关式电源本身提供给控制和开关电路。挑战变成如何在开关式电源的初始启动时并且在开关式电源准备好为控制和开关电路供电之前向控制和开关电路提供DC电源电压。
在本发明的各种实施例中，该初始DC电源电压由AC线路输入经由启动电路提供给控制和开关电路，该启动电路包括具有耦合到电容器的负载路径的常通（normally-on）GaN晶体管以及耦合到地或参考节点的栅极。在操作期间，常通GaN晶体管对电容器充电，同时常通GaN晶体管的栅极-源极电压降低。在此期间，从已充电的电容器向控制和开关电路供电，这允许控制和开关电路启动开关式电源。一旦开关式电源启动，就从开关式电源向控制和开关电路供电。
常通GaN晶体管可以集成在与用于实现开关式电源的开关的常断（normally-off）GaN晶体管相同的半导体衬底上。在这样的实施例中，常通GaN晶体管的漏极可以与常断GaN晶体管的漏极连接在一起。因此，在开关式电源的开关经由变压器的初级绕组耦合到AC线路输入的开关式反激式转换器中，可以使相同的AC线路输入（或经整流的AC线路输入）可用于常通GaN晶体管用于启动开关式电源的目的。在一些实施例中，常断GaN晶体管使用具有第二势垒区域的完全凹陷的pGaN栅极来实现，而常通晶体管使用不使pGaN栅极凹陷的类似工艺来实现，从而允许使用相同的工艺流程来实现常通和常断GaN晶体管二者。这种实施例的一个优点是能够启动没有待机电流或非常小的待机电流的开关式电源的操作。另一优点是能够以节约成本的方式实现启动电路。可以使用其中可以使用相同的工艺流程来实现常通和常断GaN晶体管二者的半导体工艺来将该启动电路实现在与开关晶体管相同的衬底上。
图1A例示了根据本发明实施例的启动电路100。如图所示，启动电路100包括常断开关晶体管M1、常通启动晶体管M2、电容器C和二极管D1。在各种实施例中，常断开关晶体管M1和常通启动晶体管M2被实现为设置在单个半导体衬底和/或封装102上的GaN HEMT晶体管。然而，在备选实施例中，常断开关晶体管M1和常通启动晶体管M2可以单独实现和/或可以用除GaN之外的其他技术来实现。例如，常断开关晶体管M1和常通启动晶体管M2可以被实现为使用硅工艺技术或本领域已知的其他工艺技术实现的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）、JFET（结型场效应晶体管）或BJT（双极结晶体管）。
常断开关晶体管M1的栅极端子耦合到节点VG，源极端子耦合到地节点GND（也称为参考端子），并且漏极端子耦合到节点VD。因此，在开关式电源的操作期间，常断开关晶体管M1的栅极可以用栅极驱动信号来驱动，所述栅极驱动信号如节点VG处的脉宽调制信号，同时源极接地并且漏极耦合到节点VD处的较高电压。常通启动晶体管M2的栅极耦合到地节点GND，其漏极耦合到节点VD，并且其源极耦合到电源节点VDD。电容器C耦合在电源节点VDD与地节点GND之间。电源节点VDD经由可选的二极管D1耦合到电源节点VDDIN。电源节点VDDIN表示在启动电路100耦合到的系统变得可操作之后变得可用的电源电压。在备选实施例中，可以使用本领域已知的其他电路和/或电路元件（如开关和/或开关晶体管）代替二极管D1来将电源节点VDD对接到电源节点VDDIN。
在一个实施例中，常断开关晶体管M1具有介于约+1V至+1.5V之间的阈值，并且常通启动晶体管M2具有介于约-4V至约-6V之间的阈值。在本发明的备选实施例中，取决于具体实施例及其规范，可以使用其他阈值。
在操作期间，当电路首次启动时，将正电压（也称为启动电压）施加到节点VD。因为电容器C两端的电压和常通启动晶体管M2的栅极-源极电压是零，因此漏极电流IDM2流过常通启动晶体管M2的负载路径（例如，从漏极到源极）并对电容器C充电。随着电容器C两端电压的增大，常通启动晶体管M2的栅极-源极电压VGSM2减小，这导致常通启动晶体管M2的漏极电流IDM2相应地减小。图1B中例示了常通启动晶体管M2的漏极电流IDM2（也称为负载路径电流）之间的关系。如图所示，当常通启动晶体管M2的栅极-源极电压VGSM2为零时，漏极电流IDM2具有值IDstart。然而，随着常通启动晶体管M2的栅极-源极电压VGSM2上施加的电压降低到-4V的阈值，漏极电流IDM2接近零。
图1C例示了波形图，其示出了当启动电路100开始操作时漏极节点VD、电源节点VDD和电源节点VDDIN的电压如何随时间变化。如图所示，在时间t0，电压施加到漏极节点VD。节点VD处的该施加电压可以表示例如经由变压器的初级绕组施加到节点VD的AC线路电压或经整流的AC线路电压。在一些开关式电源实施例中，施加到节点VD的电压可以在初始启动之后被脉冲化，如图1D所示并在下文进一步描述的那样。一旦将电压施加到漏极节点VD，由于电容器C经由常通启动晶体管M2的负载路径充电，电源节点VDD的电压就开始增大。电源VDD的电压增大到电压-VT_M2，其具有常通启动晶体管M2的阈值电压的大小。例如，如果常通启动晶体管M2的阈值是-4V，则-VT_M2是4V。在时间t1，电源节点VDDIN的电压增大并进一步经由二极管D1对电容器C充电，使得电源节点VDD的电压比电源节点VDDIN的电压低一个二极管压降Vdf。应当理解，图1C的波形图仅是实施例启动电路的瞬态行为的许多示例之一。
在一些情况下，可以通过使用多个常通启动晶体管来修改实施例启动电路100以产生更高的启动电压，如结合图2所示的启动电路200例示的，启动电路200包括常断开关晶体管M1、两个常通启动晶体管M2A和M2B、电容器CA和CB以及二极管D1、D2和D3。如图所示，常通启动晶体管M2A和M2B串联耦合在漏极节点VD与地节点GND之间，电容器CA和CB分别耦合在常通启动晶体管M2A和M2B的栅极与漏极端子之间。二极管D1耦合在节点VDDIN与VDD之间，齐纳二极管D2耦合在节点VDD与GND之间，并且二极管D3耦合在常通启动晶体管M2B的漏极与源极之间。常断开关晶体管M1的漏极、栅极和源极以与图1所示的启动电路100类似的方式分别耦合到节点VD、VG和GND。常断开关晶体管M1、常通启动晶体管M2A和M2B以及二极管D3可以在单个半导体衬底和/或封装202上实现。然而，在备选实施例中，可以以不同方式划分图2中所示的各种部件。常断开关晶体管M1和常通启动晶体管M2A和M2B可以被实现为GaN晶体管或被实现为如上所述的其他晶体管类型。
在启动时，当向节点VD施加电压时，常通启动晶体管M2A和M2B对电容器CA和CB充电，使得电容器CA和CB的串联组合上的电压约为-VT_M2A-VT_M2B，其具有常通启动晶体管M2A和M2B的阈值电压之和的大小。因此，图2的启动电路200能够提供图1所示的启动电路100的两倍的启动电压。在备选实施例中，可以将附加的常通启动晶体管与常通启动晶体管M2A和M2B串联耦合，并且可以将附加的相应电容器与电容器CA和CB串联耦合，以便进一步增大启动电路200的启动电压。例如，如果三个常通启动晶体管串联耦合，则电源节点VDD与地节点GND之间产生的启动电压将是图1所示的启动电路100的启动电压的三倍。
在一些实施例中，可以使用可选的齐纳二极管D2来限制和/或调节由启动电路200产生的启动电压。耦合在常通启动晶体管的源极与漏极之间的二极管D3被包括在内以为电容器CB创建放电路径，并且以确保在地节点GND与节点VD之间存在放电路径。
图3例示了栅极驱动系统300的示意图，其示出了实施例启动电路可以如何与栅极驱动电路对接。如图所示，驱动电路302基于脉宽调制信号PWM的状态来驱动预驱动晶体管M3和M4的栅极。预驱动晶体管M3和M4进而驱动常断开关晶体管M1的栅极。例如，当PWM信号处于第一状态时，预驱动晶体管M3导通并且预驱动晶体管M4关断。结果，电源节点VDD处的电压被施加到常断开关晶体管M1的栅极，该电压导通常断开关晶体管M1。另一方面，当PWM信号处于第二状态时，预驱动晶体管M3关断并且预驱动晶体管M4导通。结果，地节点GND处的电压被施加到常断开关晶体管M1的栅极，该电压关断常断开关晶体管M1。在一个实施例中，PWM信号是数字信号，使得PWM信号的第一状态是“高”状态而第二状态是“低”状态。在备选实施例中，PWM信号可以被配置为数字有效低信号，使得PWM信号的第一状态是“低”状态而第二状态是“高”状态。驱动电路302可以包括例如本领域已知的数字电路，其基于PWM信号的状态为预驱动晶体管M3和M4产生适当的栅极驱动信号。
在各种实施例中，包括电阻器R1、R2和RG以及电容器CG的栅极接口网络将预驱动晶体管M3和M4对接到常断开关晶体管M1的栅极。由电阻器R1、R2和RG以及电容器CG形成的RC网络可以用于提供晶体管M1的栅极处的负关断电压。当晶体管M1被实现为具有相对低阈值电压的GaN HEMT时，这尤其有用。通过使用所示的RC网络，可以使用正的单电源电压产生正和负栅极电压。应该理解，所示的栅极接口网络只是许多可能的栅极接口网络拓扑的一个示例。在备选实施例中，可以取决于具体系统及其规范使用其他电路拓扑。
在操作期间，启动电路100在电源节点VDD处产生启动电压，该启动电压如上所述经由常通启动晶体管M2向驱动电路302的电源输入和预驱动晶体管M3供电。因此，在启动期间，来自电容器C的能量被提供给驱动电路302。一旦电容器C的电压达到由常通启动晶体管M2的阈值电压限定的阈值，就关断常通启动晶体管。在一些实施例中，当启动电路100最初导通时，预驱动晶体管M4导通。当预驱动晶体管M4导通时，常断开关晶体管M1的栅极接地，从而断开（shut-off）常断开关晶体管M1。断开开关晶体管M1确保了不使节点VD经由常断开关晶体管M1短路接地，这会防止电容器C经由常通启动晶体管M2进行充电。在一些实施例中，下拉电阻器（未示出）可以耦合在节点VG与地节点GND之间，以确保常断开关晶体管M1最初在启动序列开始时是关断的。
一旦系统启动，就从电源节点VDDIN经由二极管D1向驱动电路302和预驱动晶体管M3供电。在备选实施例中，图3所示的启动电路100可以由其他实施例启动电路（如上文结合图2描述的启动电路200）来代替，以便在电源节点VDD处提供更高的启动电压。
图4A例示了包含实施例启动电路100的开关式功率转换器400。在各种实施例中，开关式功率转换器400被配置成将由电源420产生的AC输入电压VAC转换为供给负载408的DC输出电压VOUT。电源420可以表示例如AC电力线路。对于接受DC电压的任何类型的电路，负载408可以表示如计算机电路、充电电路和其他类型的电路。例如，开关式功率转换器400可以将约240Vrms或120Vrms的AC线路输入电压转换为约5Vdc。
如图所示，开关式功率转换器包括耦合到电源420和输入电容器CIN的整流器402。整流器402被配置成提供输入电压VAC的全波或半波整流。在一些实施例中，使用二极管桥或本领域已知的其他整流器电路来实现整流器402。整流器402的输出耦合到变压器410的初级绕组412。在所描绘的实施例中，开关式功率转换器400作为反激式转换器操作。在操作期间，控制器404导通和关断常断开关晶体管M1，这具有磁化变压器410的初级绕组412的效果。存储在初级绕组412中的一部分能量被传递到变压器410的次级绕组414，从而在次级绕组中感应出电流。该感应电流通过二极管DS进行整流、通过电容器CL进行滤波并被提供给负载408。在一些实施例中，二极管DS可以用同步整流器代替。
存储在初级绕组412中的另一部分能量被传递到辅助绕组416，以便为启动电路100和控制器404供电。在操作期间，辅助绕组416中感应出的电流通过二极管D1进行整流并通过启动电路100中的电容器C进行滤波。启动电路100的操作如上所述结合图1A至1D的实施例描述的那样进行。在一个实施例中，在启动期间，启动电路100的节点VD处的电压按照上文图1D中所示的电压波形那样表现，其中一旦VDD达到足以使控制器404能够向常断开关晶体管M1的栅极提供开关信号的电压电平就对电压VD进行脉冲化。正是该开关信号允许能量从初级绕组412传递到变压器410的辅助绕组416，辅助绕组416最终完成了开关式功率转换器400的启动过程。
反馈电路406可以被配置成测量开关式功率转换器400的次级侧处的DC输出电压VOUT，并提供与测量到的DC输出电压VOUT成比例的反馈信号FB。在一些实施例中，反馈电路在开关式功率转换器400的初级侧与次级侧之间提供电流隔离。可以例如使用光隔离器电路和/或适于供本领域已知的开关式功率转换器使用的其他反馈电路来实现反馈电路406。
在各种实施例中，控制器404被配置成基于反馈信号FB和电流感测信号CS来在节点GD处生成脉宽调制信号。在正常操作期间，控制器404调整脉宽调制信号的脉宽，以便调节DC输出电压VOUT。例如，当反馈信号FB指示DC输出电压VOUT低于目标电压时，控制器404增大节点GD处的脉宽调制信号的脉宽，这具有增大次级绕组414产生的电流的效果，从而增大可用于负载408的电流并增大DC输出电压VOUT。另一方面，当反馈信号FB指示DC输出电压VOUT高于目标电压时，控制器404减小节点GD处的脉宽调制信号的脉宽，这具有减小次级绕组414产生的电流的效果，从而减小可用于负载408的电流并减小DC输出电压VOUT。
控制器404通过测量与常断开关晶体管M1串联耦合的电流感测电阻器RS两端的电压来确定流过常断开关晶体管M1的电流。例如，可以使用通过RS的测量电流来帮助控制节点GD处的脉宽调制信号的定时和/或根据本领域已知的开关式电源转换系统和方法来调节开关式功率转换器400内的峰值或平均电流。在各种实施例中，控制器404可以包括适于驱动常断开关晶体管M1的栅极的栅极驱动电路，例如上文结合图3示出和描述的驱动电路302、预驱动晶体管M3和M4以及电阻器R1和R2。也可以使用本领域已知的其他已知栅极驱动电路。
应当理解，本文描述的控制器404的操作和实现仅是可以用于实现实施例开关式功率转换器的许多示例控制器之一。在备选实施例中，也可以使用本领域已知的其他开关式电源控制器系统和方法。
在启动和正常操作期间，经由节点VDD向控制器供电。例如，在开关式功率转换器400最初启动时，经由启动电路100中的常通启动晶体管M2向控制器404供电；并且在正常操作期间，如上所述的那样经由辅助绕组416向控制器404供电。在备选实施例中，除了上文结合图1A至1D描述的启动电路100之外，可以使用其他实施例启动电路，如结合图2描述的启动电路200。
应当理解，虽然图4A例示了被配置为反激式转换器的开关式功率转换器，但是其他开关式功率转换器电路（以及非开关式功率转换器电路）可以与实施例启动电路和方法结合使用。例如，在本发明的备选实施例中，诸如使用互补或非互补控制的有源钳位、混合反激式或其他基于半桥的拓扑之类的电源拓扑可以与实施例启动电路一起使用。图4B中例示了基于半桥的拓扑的一个这样的示例，其示出了包含实施例启动电路100的开关式功率转换器450。类似于图4A中描绘的开关式功率转换器400，实施例启动电路100耦合到辅助绕组416，以便如上文所述在启动期间和在正常操作期间向控制器404供电。
如图所示，开关式功率转换器450包括具有高侧晶体管MH的半桥电路，高侧晶体管MH的源极耦合到常断开关晶体管M1的漏极和变压器410的初级绕组412的第一端，而初级绕组412的第二端经由谐振电容器Cr耦合到地。在各种实施例中，可以使用以与常断开关晶体管M1类似的方式制造的常断GaN晶体管来实现高侧晶体管MH，或者可以使用如上所述的其他晶体管类型来实现高侧晶体管MH。
在操作期间，控制器454以交替的方式导通和关断高侧晶体管MH和常断开关晶体管M1。可以根据调频开关信号VSW例如通过控制器454中所示的升压栅极驱动器456和驱动器458来驱动这些晶体管的栅极。在备选实施例中，升压栅极驱动器456和驱动器458可以实现在控制器454外部。当高侧晶体管MH导通并且常断开关晶体管M1关断时，初级绕组412的第一端经由高侧晶体管MH连接到整流器402的输出。当高侧晶体管MH关断并且常断开关晶体管M1导通时，初级绕组412的第一端经由常断开关晶体管M1接地。
在各种实施例中，初级绕组412的串联电感和谐振电容器Cr形成串联谐振电路。因此，可以通过改变用于激活和去激活高侧晶体管MH和常断开关晶体管M1的开关信号的频率来调整从开关式功率转换器450的初级侧传递到次级侧的量。
在一些实施例中，使用设置在控制器454内的升压栅极驱动器456来驱动高侧晶体管MH。如图所示，半桥输出节点B耦合到升压栅极驱动电路456的负电源端子，并且升压电源节点P耦合到升压栅极驱动器456的正电源端子。在一些实施例中，使用隔离电路457来将升压栅极驱动电路与控制器454的本地电源电流隔离。可以根据本领域已知的隔离电路和方法使用一个或多个电容器或变压器来实现隔离电路457。可以使用逻辑电路459来产生与开关信号VSW逻辑方向相反的逻辑信号S+和S-，以驱动升压栅极驱动器电路456和驱动器458。在操作期间，当常断开关晶体管M1将半桥输出节点B耦合到地时，从电源节点VDD经由二极管DB对自举电容器Cb充电。当常断开关晶体管M1经由节点GDL关断并且高侧晶体管MH经由节点GDH导通时，半桥输出节点B的电压增大。由于存储在自举电容器Cb两端的电荷，半桥输出节点B的电压的增大使得升压电源节点P的电压相应增大。
应当理解，基于半桥的开关式功率转换器450仅是利用实施例启动电路的许多可能的基于半桥的拓扑的一个示例实现。在备选实施例中，可以使用其他拓扑。
图5例示了GaN增强型晶体管单元500的示意性横截面，其可以用于实现如上所述的常断开关晶体管M1。在各种实施例中，GaN增强型晶体管单元500是形成使用氮化镓（GaN）技术形成的HEMT的宽带隙（WBG）半导体III-V组器件。GaN基器件非常适于功率开关应用，因为它具有更高的带隙、更高的击穿电场、更高的热导率、高饱和漂移速度和高辐射耐受性。
GaN增强型晶体管单元500包括沟道层502和势垒层504，沟道层502包括未掺杂的GaN材料，势垒层504形成于沟道层502上方。沟道层502可以设置在衬底（未示出）上，衬底可以是硅衬底，包括（111）硅、氧化物上硅（SOI）、蓝宝石、碳化硅或其他硅基衬底。备选地，衬底可以包括其他材料。
势垒层504包括未掺杂的AlxGa1-xN材料，其中在一个实施例中x可以从约0.15变化至约0.30。在各种实施例中，沟道层502的厚度在约100nm至约1500nm之间，并且第一势垒层504的厚度在约10nm至约80nm之间。对于x和各种厚度，在一些实施例中，这些范围之外的值也是可能的。二维电子气（2DEG）区域520仅由自发和压电激发的极化电荷形成在AlGaN/GaN异质结构之间的结处。
完全凹陷的栅极结构包括再生长AlGaN层506，其设置在沟道层502的一部分上方并且延伸穿过势垒层504中的凹陷。在再生长AlGaN层506上方并且在势垒层504中的凹陷内形成P掺杂的GaN材料508，并且在p掺杂的GaN材料508上方形成栅极触点522。在一些实施例中，再生长AlGaN层506包括未掺杂的AlyGa1-yN材料，其中y可以从约0.15变化至约0.25。在一些实施例中，该范围之外的值也是可能的。
在操作期间，当施加于GaN增强型晶体管单元500的栅极与源极之间的电压小于预定正阈值时，在源极与漏极区域之间不传导电流。当施加于GaN增强型晶体管单元500的栅极与源极之间的电压超过该预定正阈值时，在源极与漏极区域之间传导电流。在一些实施例中，该预定正阈值在约1V至约1.5V之间。然而，取决于具体实施例及其实现，该范围之外的值可以是可能的。因此，GaN增强型晶体管单元500用作增强型器件。
在一些实施例中，可选的第二p掺杂区域形成于势垒层504上方靠近漏极区域，并且电耦合到漏极触点514。在这样的实施例中，p掺杂区域在同时存在高漏极电压和高漏极电流的硬开关事件期间注入空穴。这些空穴与III-N缓冲层中可能被捕获的电子重新组合，从而避免在开关事件之后增大的导通电阻（所谓的动态RDSon）。如图所示，该第二p掺杂区域包括形成于势垒层504上方的再生长AlGaN层506、形成于再生长AlGaN层506上方的p掺杂的GaN材料508和形成于p掺杂的GaN材料508上方的第二触点516。因为第二p掺杂区域不像栅极的第一p掺杂区域那样凹陷并且电连接到漏极区域，因此由第二p掺杂区域下方的2DEG区域520形成的导电沟道在任何情况下都保持导电。
源极触点512形成于势垒层504的源极区域上方，并且漏极触点形成于势垒层504的漏极区域上方。在各种实施例中，源极触点512、漏极触点514以及栅极触点522和516是欧姆接触，并且由本领域已知的金属和/或导电材料形成。例如，在一个实施例中，源极触点512和漏极触点514各自通过形成Ti/Al层堆叠来实现，所述Ti/Al层堆叠包括设置在势垒层504上方的Ti层和设置在Ti层上方的Al层。Ti层可以是几十纳米厚，而Al层可以是几十纳米厚到几百纳米厚。一旦将Ti层和Al层设置在势垒层504上，就执行高于500℃的热退火步骤，使得Ti层吸收来自势垒层504的AlGaN材料的氮，从而产生充当电子供体的N个空位。该机制有效地使得对Ti/Al金属触点下方的势垒层504的AlGaN进行n掺杂，并且产生与2DEG区域520的低欧姆接触。在一些实施例中，可以使得接触电阻率约为0.5Ω·mm，但是其他值也是可能的。
图6A例示了GaN耗尽型晶体管单元600的示意性横截面，其可以用于实现如上所述的常通启动晶体管M2、M2A和M2B。GaN耗尽型晶体管单元600的结构在结构上类似于图5中所示的GaN增强型晶体管单元500，差异在于栅极未被凹陷。如图所示，栅极包括设置在势垒层504的一部分上方的再生长AlGaN层506。p掺杂的GaN材料508形成于再生长AlGaN层506的表面上方（没有延伸穿过AlGaN层506），并且栅极触点522形成于p掺杂的GaN材料508上方。
GaN耗尽型晶体管单元600可以以与GaN增强型晶体管单元500类似的方式形成，差异在于，在制造期间，在形成再生长AlGaN层506和形成p掺杂的GaN材料508之前省略栅极凹陷步骤。在一些实施例中，可以在实施例器件的布局阶段期间有利地确定针对具体晶体管的增强型和耗尽型之间的选择。
在操作期间，当施加于GaN耗尽型晶体管单元600的栅极与源极之间的电压大于预定负阈值时，在源极与漏极区域之间传导电流。然而，当施加于GaN耗尽型晶体管单元600的栅极与源极之间的电压小于该预定负阈值时，在源极与漏极区域之间不传导电流。在一些实施例中，该预定负阈值在约-6V至约-4V之间。然而，取决于具体实施例及其实现，该范围之外的阈值可以是可能的。因此，GaN耗尽型晶体管单元600用作耗尽型器件。
图6B例示了GaN耗尽型晶体管单元620的示意性横截面，其可以用于实现如上所述的常通启动晶体管M2、M2A和M2B。GaN耗尽型晶体管单元620的结构在结构上类似于图6A中所示的GaN耗尽型晶体管单元600，差异在于使用设置在势垒层504上方的肖特基栅极金属602来实现栅极。在各种实施例中，可以通过以下方式将栅极制成T形：蚀刻至第一级钝化，停止于势垒层504，然后进行栅极金属沉积。电介质层644可以设置在势垒层504上方以及在肖特基栅极金属602的延伸部分下方。在一个实施例中，预定负阈值约为-4.5V，然而，其他负阈值也是可能的。
图6C例示了GaN耗尽型晶体管单元640的示意性横截面，其可以用于实现如上所述的常通启动晶体管M2、M2A和M2B。GaN耗尽型晶体管单元640的结构在结构上类似于图6A中所示的GaN耗尽型晶体管单元600，差异在于，电介质层642设置在肖特基栅极金属602与势垒层504之间。通过调整电介质层642的厚度和其他特性，可以例如在约-10V至约-12V之间调整GaN耗尽型晶体管单元640的预定负阈值。该范围之外的阈值也可以是可能的。
在各种实施例中，电介质层642使用氮化硅（Si3N4）或二氧化硅（SiO2）或氧化铝（Al2O3）来实现，并且具有介于约10nm至约50nm之间的厚度。在一些实施例中，在电介质层642上方设置附加电介质层644，以形成T形栅极场板，以减小在阻挡条件下在栅极下部处的电场。
图7例示了实施例启动电路单元704的布局图，其可以用于使用上文结合图5描述的GaN增强型晶体管单元500和上文结合图6描述的GaN耗尽型晶体管单元600来实现上文结合图1A描述的封装102中的单个半导体衬底。
如图所示，用层702表示耦合到漏极节点VD的这两个晶体管M1和M2的漏极敷金属；用层704表示耦合到地节点GND的晶体管M1的源极敷金属，用层706表示耦合到栅极节点VG的晶体管M1的栅极层，用层714表示耦合到节点GND的晶体管M2的栅极层；并且用层708表示耦合到节点VDD的晶体管M2的源极敷金属。在层712和有源区域710以及层714和有源区域710的交叉处形成实际的器件栅极。
在各种实施例中，区域712限定了完全凹陷的栅极的实现，其可以用于实现增强型GaN晶体管，如上文结合图5描述的。因此，区域712设置在层706在有源区域710内的部分上方，以将晶体管M1指定为增强型器件。通过省略区域712，如表示晶体管M2的栅极的层714的情况，省略了完全凹陷的栅极，并且实现了如结合图6A描述的耗尽型GaN晶体管。因此，通过在GaN集成电路的设计的布局阶段期间包括额外的限定层，可以有利地指定增强型器件和耗尽型器件。应当理解，图7的布局仅是根据实施例构思的许多可能的实施例器件布局之一。实施例器件的其他布局和实现是可能的。
这里总结了本发明的示例实施例。从整个说明书和此处提交的权利要求书中还可以理解到其他实施例。
示例1. 一种启动电路的方法，包括：在启动电路的漏极节点处接收第一电压，所述启动电路包括具有耦合到所述漏极节点的漏极的第一氮化镓（GaN）晶体管、具有耦合到所述漏极节点的漏极和耦合到参考节点的栅极的第二GaN晶体管、以及耦合到第二GaN晶体管的源极的第一电容器；经由第二GaN晶体管对第一电容器充电；从第一电容器向耦合到第一GaN晶体管的栅极的驱动电路供能；以及当第一电容器的电压达到阈值时，关断第二GaN晶体管。
示例2. 根据示例1所述的方法，还包括由所述驱动电路向第一GaN晶体管的栅极提供开关信号。
示例3. 根据示例1或2所述的方法，其中，在接收第一电压之前断开第一GaN晶体管。
示例4. 根据示例1至3中的一项所述的方法，还包括：向变压器的初级绕组供电，其中，所述变压器的初级绕组耦合到所述启动电路的漏极节点；以及在关断第二GaN晶体管之后，从所述变压器的辅助绕组向所述驱动电路传递电力。
示例5. 根据示例1至4中的一项所述的方法，其中，第一GaN晶体管是常断器件，并且第二GaN晶体管是常通器件。
示例6. 根据示例1至5中的一项所述的方法，其中，第一GaN晶体管和第二GaN晶体管集成在单个半导体衬底上。
示例7. 根据示例1至6中的一项所述的方法，其中，所述启动电路还包括：第三GaN晶体管，其漏极耦合到第二GaN晶体管的栅极和第一电容器，并且其栅极耦合到所述参考节点，其中，第二GaN晶体管的栅极经由第三GaN晶体管的负载路径耦合到所述参考节点；以及第二电容器，其耦合在第三GaN晶体管的源极与所述参考节点之间。
示例8. 一种电路，包括：第一氮化镓（GaN）晶体管，其包括耦合到漏极节点的漏极、耦合到源极节点的源极以及耦合到栅极节点的栅极；以及第二GaN晶体管，其包括耦合到所述漏极节点的漏极、耦合到第一电源节点的源极，第一电源节点被配置成耦合到第一电容器。
示例9. 根据示例8所述的电路，其中，第二GaN晶体管包括耦合到所述源极节点的栅极。
示例10. 根据示例8或9中的一项所述的电路，其中，第一GaN晶体管和第二GaN晶体管集成在同一半导体衬底上。
示例11. 根据示例8至10中的一项所述的电路，其中，第一GaN晶体管是常断器件，并且第二GaN晶体管是常通器件。
示例12. 根据示例11所述的电路，其中：第一GaN晶体管的栅极包括完全凹陷的栅极，其在第二AlGaN层的顶部上包括p掺杂的GaN材料，第二AlGaN层延伸穿过第一AlGaN层，其中第一AlGaN层设置在包括未掺杂的GaN材料的沟道层上方。
示例13. 根据示例12所述的电路，其中，第二GaN晶体管的栅极设置在第一和第二AlGaN层的表面上方而不延伸穿过第一AlGaN层。
示例14. 根据示例12所述的电路，其中，第二GaN晶体管的栅极包括p掺杂的GaN材料。
示例15. 根据示例12所述的电路，其中，第二GaN晶体管的栅极包括肖特基栅极。
示例16. 根据示例12所述的电路，还包括设置在第二GaN晶体管的栅极与第一AlGaN层之间的电介质层，其中第二GaN晶体管的阈值与所述电介质层的厚度成比例。
示例17. 根据示例8至16中的一项所述的电路，还包括栅极驱动电路，其具有耦合到第一电源节点的电源输入和耦合到所述栅极节点的输出。
示例18. 根据示例8至17中的一项所述的电路，还包括变压器，其具有耦合到所述漏极节点的第一绕组和耦合到第一电源节点的辅助绕组。
示例19. 根据示例8至18中的一项所述的电路，还包括第三GaN晶体管，其包括耦合到第二GaN晶体管的栅极以及第二电源节点的漏极、耦合到第三电源节点的源极以及耦合到所述源极节点的栅极，第二电源节点被配置成耦合到第一电容器，第三电源节点被配置成耦合到第二电容器。
示例20. 根据示例19所述的电路，还包括第一电容器、第二电容器以及耦合在第一电源节点与所述源极节点之间的齐纳二极管。
示例21. 一种开关式电源，包括：包括第一氮化镓（GaN）晶体管、第二GaN晶体管的集成电路，第一氮化镓（GaN）晶体管具有耦合到漏极节点的漏极和耦合到参考节点的源极，第二GaN晶体管具有耦合到所述漏极节点的漏极和耦合到所述参考节点的栅极，其中第一GaN晶体管和第二GaN晶体管设置在同一半导体衬底上；电容器，其耦合到第二GaN晶体管的源极；驱动电路，其包括耦合到第一GaN晶体管的栅极的栅极驱动输出以及耦合到所述电容器的电源输入。
示例22. 根据示例21所述的开关式电源，还包括：变压器，其具有耦合到所述集成电路的漏极节点的初级绕组和耦合到所述电容器的辅助绕组；以及二极管，其耦合在所述辅助绕组与所述电容器之间。
示例23. 根据示例21或22中的一项所述的开关式电源，其中，第一GaN晶体管是常断器件，并且第二GaN晶体管是常通器件。
虽然已参考例示性实施例描述了本发明，但是该描述并不旨在以限制性意义来解读。通过参考说明书，例示性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例将对于本领域技术人员显而易见。因此，所附权利要求书旨在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (23)

1.一种启动电路的方法，所述方法包括：
在启动电路的漏极节点处接收第一电压，所述启动电路包括具有耦合到所述漏极节点的漏极的第一氮化镓（GaN）晶体管、具有耦合到所述漏极节点的漏极和耦合到参考节点的栅极的第二GaN晶体管、以及耦合到第二GaN晶体管的源极的第一电容器；
经由第二GaN晶体管对第一电容器充电；
从第一电容器向耦合到第一GaN晶体管的栅极的驱动电路供能；以及
当第一电容器的电压达到阈值时，关断第二GaN晶体管。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括由所述驱动电路向第一GaN晶体管的栅极提供开关信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在接收第一电压之前断开第一GaN晶体管。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
向变压器的初级绕组供电，其中，所述变压器的初级绕组耦合到所述启动电路的漏极节点；以及
在关断第二GaN晶体管之后，从所述变压器的辅助绕组向所述驱动电路传递电力。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，第一GaN晶体管是常断器件，并且第二GaN晶体管是常通器件。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，第一GaN晶体管和第二GaN晶体管集成在单个半导体衬底上。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述启动电路还包括：
第三GaN晶体管，其漏极耦合到第二GaN晶体管的栅极和第一电容器，并且其栅极耦合到所述参考节点，其中，第二GaN晶体管的栅极经由第三GaN晶体管的负载路径耦合到所述参考节点；以及
第二电容器，其耦合在第三GaN晶体管的源极与所述参考节点之间。
8.一种电路，包括：
第一氮化镓（GaN）晶体管，其包括耦合到漏极节点的漏极、耦合到源极节点的源极以及耦合到栅极节点的栅极；以及
第二GaN晶体管，其包括耦合到所述漏极节点的漏极、耦合到第一电源节点的源极，第一电源节点被配置成耦合到第一电容器。
9.根据权利要求8所述的电路，其中，第二GaN晶体管包括耦合到所述源极节点的栅极。
10.根据权利要求8所述的电路，其中，第一GaN晶体管和第二GaN晶体管集成在同一半导体衬底上。
11.根据权利要求8所述的电路，其中，第一GaN晶体管是常断器件，并且第二GaN晶体管是常通器件。
12.根据权利要求11所述的电路，其中：
第一GaN晶体管的栅极包括完全凹陷的栅极，其在第二AlGaN层的顶部上包括p掺杂的GaN材料，第二AlGaN层延伸穿过第一AlGaN层，其中第一AlGaN层设置在包括未掺杂的GaN材料的沟道层上方。
13.根据权利要求12所述的电路，其中，第二GaN晶体管的栅极设置在第一和第二AlGaN层的表面上方而不延伸穿过第一AlGaN层。
14.根据权利要求12所述的电路，其中，第二GaN晶体管的栅极包括p掺杂的GaN材料。
15.根据权利要求11所述的电路，其中，第二GaN晶体管的栅极包括肖特基栅极。
16.根据权利要求15所述的电路，还包括设置在第二GaN晶体管的栅极与第一AlGaN层之间的电介质层，其中第二GaN晶体管的阈值与所述电介质层的厚度成比例。
17.根据权利要求8所述的电路，还包括栅极驱动电路，其具有耦合到第一电源节点的电源输入和耦合到所述栅极节点的输出。
18.根据权利要求8所述的电路，还包括变压器，其具有耦合到所述漏极节点的第一绕组和耦合到第一电源节点的辅助绕组。
19.根据权利要求8所述的电路，还包括第三GaN晶体管，其包括耦合到第二GaN晶体管的栅极以及第二电源节点的漏极、耦合到第三电源节点的源极以及耦合到所述源极节点的栅极，第二电源节点被配置成耦合到第一电容器，第三电源节点被配置成耦合到第二电容器。
20.根据权利要求19所述的电路，还包括第一电容器、第二电容器以及耦合在第一电源节点与所述源极节点之间的齐纳二极管。
21.一种开关式电源，包括：
包括第一氮化镓（GaN）晶体管、第二GaN晶体管的集成电路，第一氮化镓（GaN）晶体管具有耦合到漏极节点的漏极和耦合到参考节点的源极，第二GaN晶体管具有耦合到所述漏极节点的漏极和耦合到所述参考节点的栅极，其中第一GaN晶体管和第二GaN晶体管设置在同一半导体衬底上；
电容器，其耦合到第二GaN晶体管的源极；
驱动电路，其包括耦合到第一GaN晶体管的栅极的栅极驱动输出以及耦合到所述电容器的电源输入。
22.根据权利要求21所述的开关式电源，还包括：
变压器，其具有耦合到所述集成电路的漏极节点的初级绕组和耦合到所述电容器的辅助绕组；以及
二极管，其耦合在所述辅助绕组与所述电容器之间。
23.根据权利要求21所述的开关式电源，其中，第一GaN晶体管是常断器件，并且第二GaN晶体管是常通器件。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113826206A (zh) * 2019-03-21 2021-12-21 创世舫科技有限公司 Iii-氮化物器件的集成设计
US11955488B2 (en) 2019-05-07 2024-04-09 Cambridge Gan Devices Limited III-V semiconductor device with integrated power transistor and start-up circuit
US11658236B2 (en) * 2019-05-07 2023-05-23 Cambridge Gan Devices Limited III-V semiconductor device with integrated power transistor and start-up circuit
JP7251351B2 (ja) * 2019-06-24 2023-04-04 富士電機株式会社 ゲート駆動装置及び電力変換装置
US11257940B2 (en) * 2020-01-14 2022-02-22 Cree, Inc. Group III HEMT and capacitor that share structural features
US20230253957A1 (en) * 2020-06-15 2023-08-10 Ariel Scientific Innovations Ltd. Control circuit for ring oscillator-based power controller
US11545485B2 (en) * 2021-03-09 2023-01-03 Infineon Technologies Austria Ag Type III-V semiconductor substrate with monolithically integrated capacitor
WO2023215657A1 (en) * 2022-05-03 2023-11-09 Transphorm Technology, Inc. Cascode normally off switch with driver and self bias

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007081174A (ja) * 2005-09-15 2007-03-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高耐圧縦型ｍｏｓトランジスタ及び高耐圧縦型ｍｏｓトランジスタを用いたスイッチング電源装置
US20130294120A1 (en) * 2012-05-02 2013-11-07 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Switching converter
JP2014011386A (ja) * 2012-07-02 2014-01-20 Fuji Electric Co Ltd 太陽電池装置
US20170047841A1 (en) * 2015-08-10 2017-02-16 Infineon Technologies Austria Ag System and Method for a Switch Having a Normally-on Transistor and a Normally-off Transistor
WO2017071635A1 (en) * 2015-10-30 2017-05-04 The Hong Kong University Of Science And Technology Semiconductor device with iii-nitride channel region and silicon carbide drift region
CN107005163A (zh) * 2014-09-16 2017-08-01 纳维达斯半导体股份有限公司 用于GaN电路负载的GaN电路驱动器

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10240861B4 (de) * 2002-09-04 2007-08-30 Infineon Technologies Ag Mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
JP5032965B2 (ja) 2007-12-10 2012-09-26 パナソニック株式会社 窒化物半導体トランジスタ及びその製造方法
US9047818B1 (en) * 2009-03-23 2015-06-02 Iii-N Technology, Inc. CMOS IC for micro-emitter based microdisplay
US8169801B2 (en) 2009-05-28 2012-05-01 Monolithic Power Systems, Inc. Voltage converters with integrated low power leaker device and associated methods
CN103155124A (zh) 2010-11-19 2013-06-12 松下电器产业株式会社 氮化物半导体装置
JP5903642B2 (ja) 2011-08-08 2016-04-13 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 半導体装置
US9887139B2 (en) 2011-12-28 2018-02-06 Infineon Technologies Austria Ag Integrated heterojunction semiconductor device and method for producing an integrated heterojunction semiconductor device
US9076763B2 (en) 2012-08-13 2015-07-07 Infineon Technologies Austria Ag High breakdown voltage III-nitride device
US9799643B2 (en) 2013-05-23 2017-10-24 Infineon Technologies Austria Ag Gate voltage control for III-nitride transistors
US9755059B2 (en) * 2013-06-09 2017-09-05 Cree, Inc. Cascode structures with GaN cap layers
US9620475B2 (en) * 2013-12-09 2017-04-11 Infineon Technologies Americas Corp Array based fabrication of power semiconductor package with integrated heat spreader
US9985626B2 (en) * 2015-01-30 2018-05-29 Navitas Semiconductor, Inc. Bidirectional GaN switch with built-in bias supply and integrated gate drivers
DE102015117395A1 (de) * 2015-10-13 2017-04-13 Infineon Technologies Austria Ag Schaltkreis, Halbleiterbauelement und Verfahren
DE102015117394B4 (de) 2015-10-13 2020-06-18 Infineon Technologies Austria Ag Halbleiterbauelement
DE102015118440A1 (de) 2015-10-28 2017-05-04 Infineon Technologies Austria Ag Halbleiterbauelement
US9837522B2 (en) * 2015-11-02 2017-12-05 Infineon Technologies Austria Ag III-nitride bidirectional device
US10038085B2 (en) * 2016-01-08 2018-07-31 Infineon Technologies Austria Ag High electron mobility transistor with carrier injection mitigation gate structure
US9892997B2 (en) * 2016-04-19 2018-02-13 Infineon Technologies Americas Corp. Adaptable molded leadframe package and related method
US11342740B2 (en) * 2017-10-24 2022-05-24 University Of Tennessee Research Foundation Drain current sensing and fault protection circuit based on gate voltage for gate current driven field effect transistors

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007081174A (ja) * 2005-09-15 2007-03-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高耐圧縦型ｍｏｓトランジスタ及び高耐圧縦型ｍｏｓトランジスタを用いたスイッチング電源装置
US20130294120A1 (en) * 2012-05-02 2013-11-07 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Switching converter
JP2014011386A (ja) * 2012-07-02 2014-01-20 Fuji Electric Co Ltd 太陽電池装置
CN107005163A (zh) * 2014-09-16 2017-08-01 纳维达斯半导体股份有限公司 用于GaN电路负载的GaN电路驱动器
US20170047841A1 (en) * 2015-08-10 2017-02-16 Infineon Technologies Austria Ag System and Method for a Switch Having a Normally-on Transistor and a Normally-off Transistor
WO2017071635A1 (en) * 2015-10-30 2017-05-04 The Hong Kong University Of Science And Technology Semiconductor device with iii-nitride channel region and silicon carbide drift region

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