JP2007522677A - 集積型ｉｉｉ族−窒化物電力デバイス - Google Patents

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Abstract

共通のダイ内で形成された少なくとも２つのＩＩＩ族−窒化物ベースの半導体デバイスを含む、ＩＩＩ族−窒化物をベースとする集積半導体デバイス。

Description

本発明は、電力半導体デバイスに関し、より詳細には、集積電力半導体デバイスに関する。
図１Ａを参照すると、周知のディスクリート高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、ドレインパッド１０、ソースパッド１２、ゲートパッド１４を含む可能性がある。ドレインパッド１０は、複数のドレインランナ１６に電気的に接続され、ソースパッド１２は、複数のソースランナ１８に電気的に接続される。通常、ドレインパッド１０およびソースパッド１２、ならびにランナ１６、１８は、互いに平行で配置される。さらに、従来の一構成では、ドレインランナ１６とソースランナ１８は、ドレインパッド１０とソースパッド１２を介して電流を均一に分配するために交互にされる。図１Ａによるデバイスでは、それぞれ２つの対向するランナ１６とランナ１８の間の領域が能動領域である。
次に図１Ｂを参照すると、図１Ａのデバイスの能動領域の一部分Ａが拡大されており、電気的に接続され、各ドレインパッド１０から離れて延びる複数のドレインフィンガ２０と、各ソースパッド１２に電気的に接続され、そこから離れて延びる複数のソースフィンガ２２とを示す。ドレインフィンガ２０とソースフィンガ２２は、ドレインパッド１６およびソースパッド１８に沿って交互になり、それにより櫛形構成が得られることに留意されたい。ゲート電極２４は、ドレインパッド１６、ドレインフィンガ２０、ソースパッド１８、ソースフィンガ２２の間の空間を介して蛇行し、図示しないが、ゲート電極２４をゲートパッド１４に電気的に接続するゲートランナに接続される。
次に図１Ｃを参照すると、典型的なＨＥＭＴは、ＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、またはサファイアから形成することができる基板２５と、ＧａＮなど１つのＩＩＩ族−窒化物半導体から形成され、基板２５を覆って配置された第１の半導体本体２６と、第１の半導体本体２６を覆って配置された、ＡｌＧａＮなど異なるバンドギャップの別のＩＩＩ族−窒化物半導体で形成された第２の半導体本体２８とを含む。第１の半導体本体２６と第２の半導体本体２８はヘテロ接合３０を形成し、そのヘテロ接合３０は、圧電分極により、ヘテロ接合３０部で、またはその近くで、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を形成する。そのように形成された２ＤＥＧは、非常に導電性が高く、ドレインフィンガ２０とソースフィンガ２２の間で電流を導通するためのチャネルとして働く。典型的なデバイスでは、ソースフィンガ２２とドレインフィンガ２０は、非常に導電性の高いオーミック接触層３２によって第２の半導体本体２８に接続されることに留意されたい。
図１Ｃによって示されているデバイスでは、ゲート電極２４は、ゲート絶縁層３４によって第２の半導体本体２８から絶縁される。別の変形形態では、ゲート電極２４は、たとえば図１Ｄでわかるように、第２の半導体本体２８とショットキ接触することができる。
図１Ｃおよび図１Ｄによって示されているデバイスは空乏型（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）デバイスであり、これは、そのデバイスが通常オンであり、適切な電圧を印加することによって各デバイス内のゲート電極２４を活動化すると、２ＤＥＧが遮断され、デバイスがオフになることを意味する。エンハンスメント型（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅ）ＨＥＭＴは、その開示が参照により本明細書に組み込まれる特許文献１、ならびに、その開示が参照により本明細書に組み込まれる、本願と同時にＤａｎｉｅｌ Ｍ．ＫｉｎｚｅｒおよびＲｏｂｅｒｔ Ｂｅａｃｈの名前で出願された「ＩＩＩ−Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｓｗｉｔｃｈ」という名称の米国特許出願に示されている。双方向デバイスは、１つのゲート電極、または２つのゲート電極を含むことができる。図１Ｅは、２つのゲート電極を含む双方向ディスクリートデバイスを示す。
図１Ａ〜１Ｅを参照して述べられている従来技術のデバイスはディスクリートデバイスであり、これは、これらのデバイスのそれぞれが、単一の離散的な半導体ダイを占有することを意味する。ＩＩＩ族−窒化物電力デバイスは、高い降伏電圧と電流搬送能力により、ダイ上で小さな領域を占有するにすぎないことを意味する。したがって、ＩＩＩ族−窒化物をベースとする半導体電力デバイスは、シリコンをベースとするデバイスに比べて非常に小さいものである。
米国特許仮出願第６０／５４４，６２６号明細書
他のデバイスの場合と同様に、ＩＩＩ族−窒化物半導体電力デバイスは、電源応用分野またはモータ制御応用分野など、電子応用分野で使用することができるようにパッケージすることを必要とする。ＩＩＩ族−窒化物をベースとする電力半導体デバイスを容れる半導体パッケージでは、ＩＩＩ族−窒化物電力デバイスのサイズが小さいことにより、パッケージング要素がパッケージのサイズ全体に対して最も貢献するものと考えられる。多数の電力応用分野は複数の電力半導体デバイスを必要とするので、ＩＩＩ族−窒化物をベースとする電力半導体パッケージによって占有される空間量には、ダイではなくパッケージングが最も貢献することが予想される。
本発明によれば、集積デバイスが、単一の共通半導体ダイ内で形成される２つ以上のＩＩＩ族−窒化物電力半導体デバイスを含む。その結果、複数の電力デバイスを必要とする応用分野において、本発明による集積デバイスは、共通パッケージ内でパッケージすることができ、利点の中でもとりわけ空間が節約される。
本発明の第１の実施形態によるデバイスは、ハーフブリッジ構成（ｈａｌｆ−ｂｒｉｄｅｇｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）で接続された２つのＩＩＩ族−窒化物ベースの電力デバイスを含む集積デバイスである。
本発明の第２の実施形態によるデバイスは、たとえば３相電力応用分野で使用するために３つのハーフブリッジを形成するように接続された６つのＩＩＩ族−窒化物ベースの電力デバイスを含む集積デバイスである。
本発明の第３の実施形態によるデバイスは、Ｈブリッジ構成（Ｈ−ｂｒｉｄｇｅ）で接続された４つのＩＩＩ族−窒化物ベースの電力デバイスを含む集積デバイスである。
本発明の第４の実施形態によるデバイスは、たとえばブーストコンバータ応用分野で使用するために、ハーフブリッジを形成するように接続された２つのＩＩＩ族−窒化物ベースの双方向デバイスと、共通ドレインを有する２つのＩＩＩ族−窒化物ベースのデバイスとを含む集積デバイスである。
本発明の第５の実施形態によるデバイスは、フルブリッジ構成（ｆｕｌｌ−ｂｒｉｄｅｇｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）で４つのＩＩＩ族−窒化物ベースのショットキダイオードを含む集積デバイスである。
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照する本発明の以下の説明から明らかになろう。
図２を参照すると、本発明の第１の実施形態による集積デバイスは、１つのダイ上で形成され、ハーフブリッジを形成するように相互接続された２つのＨＥＭＴを含む。本明細書では、集積という用語は、複数のデバイスが共通のダイ内で形成されることを意味する。具体的には、第１の実施形態による集積デバイスは、ドレインパッド１０およびゲートパッド１４を含むハイサイドＨＥＭＴ３６と、ソースパッド１２およびゲートパッド１４を含むローサイドＨＥＭＴ３８とを含む。本発明によれば、ハイサイドＨＥＭＴ３６とローサイドＨＥＭＴ３８は、単一のダイ内で形成される。したがって、第１の実施形態によるデバイスは、共にパッケージすることができ、それにより電力応用分野における空間を節約する。
ハーフブリッジを形成するために、ローサイドＨＥＭＴ３８のドレインパッドとハイサイドＨＥＭＴ３６のソースパッドは、ハーフブリッジ用の出力パッドとして働く単一のパッド、すなわち切替えノードパッド４０の形に組み合わされることに留意されたい。
次に図３を参照すると、第２の実施形態による集積デバイスは、単一のダイ内で形成された３つのハーフブリッジを含むことができる。図３でわかるように、本発明の第２の実施形態による３相ブリッジのために、ハイサイドＨＥＭＴ３６のドレインパッド１０同士は、単一のパッド、すなわちバスパッド４２を形成するように相互接続され、ローサイドＨＥＭＴ３８のソースパッド１２同士は、単一のパッド、すなわちグランドパッド４４を形成するように相互接続される。
次に、図４を参照すると、第３の実施形態による集積デバイスは、単一のダイ内で形成され、Ｈブリッジ構成の形に集積された４つのＨＥＭＴを含む。この実施形態では、ハイサイドＨＥＭＴ３６のドレインパッド１０は、バスパッド４２を形成するように互いに接続され、ローサイドＨＥＭＴのソースパッド１２は、グランドパッド４４を形成するように共に接続される。一方のハイサイドＨＥＭＴ３６のソースパッドは、第１の出力パッド４０Ａを形成するように一方のローサイドＨＥＭＴ３８のドレインパッドと共通であり、他方のハイサイドＨＥＭＴ３６のソースパッドは、第２の出力パッド４０Ｂを形成するように他方のローサイドＨＥＭＴ３８のドレインパッドと共通である。
次に図５を参照すると、本発明の第４の実施形態による集積デバイスは、ハーフブリッジ構成内で集積された２つの双方向ＨＥＭＴを含むことができる。すなわち、一方の双方向ＨＥＭＴはハイサイドＨＥＭＴ４６であり、他方はローサイドデバイス４８である。第４の実施形態における各双方向ＨＥＭＴは、２つのゲートパッド１４Ａ、１４Ｂを含むことに留意されたい。また、双方向性により、第４の実施形態におけるＨＥＭＴ３６、３８は、ソースパッドとドレインパッドではなく、電力パッド５０を含むだけである。図５でわかるように、１つの電力パッド５２は、両双方向ＨＥＭＴに共通であり、切替え出力パッド４０として働く。
第４の実施形態によるデバイスは、共通ドレインパッド５８を有するように集積された第１のＨＥＭＴ５４および第２のＨＥＭＴ５６を含む。したがって、第４の実施形態によれば、２つの集積デバイスの一体物であるデバイスを形成することができる。第４の実施形態によるデバイスを使用し、ブリッジなしブーストコンバータを形成することができる。
ＩＩＩ族−窒化物半導体システムはまた、ショットキダイオードなど、ダイオードを形成するために使用することができる。たとえば、同様な符号が同様な番号を識別する図６Ａ、６Ｂを参照すると、ＩＩＩ族−窒化物システムにおけるショットキダイオード６０はゲートを含まず、第２の半導体本体２８とショットキ接触するアノード電極６２と、第２の半導体本体２８とオーミック接触するカソード電極６４とを含む。ＨＥＭＴと同様に、アノード電極６２およびカソード電極６４は、それぞれのランナ６６に接続され、ランナ６６は、アノードパッド６８およびカソードパッド７０に電気的に接続されることに留意されたい。
図７を参照すると、第５の実施形態による集積デバイスは、フルブリッジ構成で構成される４つのＩＩＩ族−窒化物ショットキダイオードを含むショットキブリッジである。具体的には、第１の２つのショットキデバイスのアノードパッドは、共通アノードパッド６１を形成するように集積され、第２の２つのショットキデバイスのカソードパッドは、共通カソードパッド６３を形成するように集積され、第１の２つのショットキデバイスのそれぞれのカソードパッドは、第３の共通パッド６５および第４の共通パッド６７を形成するように、他の２つの第２のショットキデバイスのうち１つのアノードパッドと集積され、それによりショットキブリッジが実現される。
本発明による集積デバイスでは、２つ以上のデバイスが１つのダイ内で形成されるため、デバイスを電気的に分離することが必要とされる可能性がある。分離を達成するために、電気的分離を達成するのに望ましいときはいつでも、第２の半導体本体２８のすべて、または一部分を除去し、２ＤＥＧを遮断することができる。したがって、たとえば、本発明による集積デバイスにおいて２つのＨＥＭＴ１００、１０２が共通のダイ内で見出されるとき、図８Ａに示されているように、２ＤＥＧ内で遮断を引き起こし、したがって２つのデバイスを電気的に分離する深さまで、凹部１０４を第２の半導体本体２８内で形成することができる。凹部１０４は、図８Ｂに示されているように、第２の半導体本体２８を介して第１の半導体本体２６まで延ばすことができる。
別法として、たとえば図８Ｃでわかるように、第２の半導体層２８は、デバイス１００とデバイス１０２の間の選択された場所で、それらの間の電気的分離を得るように２ＤＥＧ内で遮断を引き起こす、第１および第２の半導体本体２６、２８に対する結晶損傷を含む注入領域１０６を含むことができる。ひとたび２ＤＥＧの分離部分が遮断されれば、分離のために、第１の半導体本体２６の高い抵抗率に依拠することができる。したがって、２つ以上のデバイスを単一のダイ上で形成することができる。
従来技術として本明細書に述べられているＨＥＭＴまたはショットキデバイスは、本発明による集積デバイス用の構成単位として好ましいことに留意されたい。しかし、本発明は、本明細書に開示されている構成に限定されないことを理解されたい。
さらに、ＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ接合が好ましいが、他のＩＩＩ族−窒化物の組合せも本発明の範囲内である。
本発明についてその特定の諸実施形態に関連して述べたが、多数の他の変形形態および修正ならびに他の使用は、当業者に明らかになるであろう。したがって、本発明は、本明細書での特定の開示によって限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが好ましい。
従来技術によるディスクリートＩＩＩ族−窒化物電力デバイスの平面図である。 図１Ａに示されているデバイスの能動領域の部分Ａの拡大図である。 図１Ｂ内の線Ｂ−Ｂに沿った、矢印の方向で見た従来技術によるデバイスの一例の横断面図である。 図１Ｂ内の線Ｂ−Ｂに沿った、矢印の方向で見た従来技術によるデバイスの別の例の横断面図である。 ２つのゲート電極を含む双方向ＩＩＩ族−窒化物デバイスの平面図である。 本発明の第１の実施形態による集積型ハーフブリッジデバイスの平面図である。 本発明の第２の実施形態による集積型３相デバイスの平面図である。 本発明の第３の実施形態による集積型Ｈブリッジデバイスの平面図である。 ハーフブリッジを形成するように接続された２つのＩＩＩ族−窒化物ベースの双方向デバイスと、共通ドレインを有する２つのＩＩＩ族−窒化物ベースのデバイスとを含む、本発明の第４の実施形態による集積デバイスの平面図である。 従来技術によるＩＩＩ族−窒化物ショットキデバイスの平面図である。 図６Ａ内の線６Ｂ−６Ｂに沿った、また矢印の方向で見た従来技術によるショットキデバイスの横断面図である。 本発明の第５の実施形態によるＩＩＩ族−窒化物ベースのショットキブリッジの平面図である。 ２つのデバイス間の電気的分離を得るための特徴を有する、本発明による集積デバイスを示す図である。 ２つのデバイス間の電気的分離を得るための特徴を有する、本発明による集積デバイスを示す図である。 ２つのデバイス間の電気的分離を得るための特徴を有する、本発明による集積デバイスを示す図である。

Claims (22)

  1. 第１のＩＩＩ族−窒化物ベースの半導体デバイスと、
    第２のＩＩＩ族−窒化物ベースの半導体デバイスとを備え、
    前記第１のＩＩＩ族−窒化物ベースの半導体デバイスおよび前記第２のＩＩＩ族−窒化物ベースの半導体デバイスが、集積デバイスを形成するように共通のダイ内で形成されることを特徴とする集積半導体デバイス。
  2. 前記第１および前記第２の半導体デバイスは、高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の集積デバイス。
  3. 前記第１および前記第２の半導体デバイスは、ハーフブリッジを形成するように集積されることを特徴とする請求項１に記載の集積デバイス。
  4. 前記ハーフブリッジは、前記第１と前記第２のＩＩＩ族−窒化物半導体デバイス両方に電気的に接続された、またそれらに共通な切替えノードパッドを含むことを特徴とする請求項３に記載の集積デバイス。
  5. 前記共通のダイ内で形成された第３のＩＩＩ族−窒化物半導体デバイスおよび第４のＩＩＩ族−窒化物半導体デバイスをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の集積デバイス。
  6. 前記第１、前記第２、前記第３、前記第４の半導体デバイスは、Ｈブリッジを形成するように相互接続された高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項５に記載の集積デバイス。
  7. 前記第１、前記第２、前記第３、前記第４の半導体デバイスは、整流器ブリッジを形成するように相互接続されたショットキダイオードであることを特徴とする請求項５に記載の集積デバイス。
  8. 前記第１および前記第２のデバイスは、双方向であり、ハーフブリッジを形成するように相互接続され、前記第３および前記第４のデバイスは、共通ドレインを有するように相互接続された高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項５に記載の集積デバイス。
  9. 前記第１および前記第２の半導体デバイスが第１のハーフブリッジを形成するように相互接続され、すべて共通のダイ内で形成された第３、第４、第５、第６のＩＩＩ族−窒化物半導体デバイスをさらに備え、前記第４と前記第３と前記第４のデバイスが、第２のハーフブリッジを形成するように接続され、前記第５と前記第６の半導体デバイスが、第３のハーフブリッジを形成するように接続されることを特徴とする請求項１に記載の集積デバイス。
  10. 前記第１、前記第２、前記第３、前記第４、前記第５、前記第６のデバイスは、高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項９に記載の集積デバイス。
  11. 各ハーフブリッジは、そのそれぞれのデバイスに共通の切替えノードパッドを含むことを特徴とする請求項９に記載の集積デバイス。
  12. 各ハーフブリッジが共通バスパッドおよび共通グランドパッドに接続されることを特徴とする請求項９に記載の集積デバイス。
  13. 前記ＩＩＩ族−窒化物半導体デバイスが、第１の種類の第１のＩＩＩ族半導体本体と第２の種類の第２の半導体本体とを含むダイ内で形成され、前記第２の半導体本体は、前記第１の半導体本体と異なるバンドギャップを有することを特徴とする請求項１に記載の集積デバイス。
  14. 前記各半導体デバイスは、２つの離隔されたオーミック電極と、ゲート電極とを含むことを特徴とする請求項１３に記載の集積デバイス。
  15. 前記ゲート電極は、前記第２の半導体本体とショットキ接触することを特徴とする請求項１４に記載の集積デバイス。
  16. 前記ゲート電極が、ゲート絶縁本体によって前記第２の半導体本体から絶縁されることを特徴とする請求項１４に記載の集積デバイス。
  17. 前記半導体デバイスの少なくとも１つは、オーミック電極とショットキ電極とを含むことを特徴とする請求項１３に記載の集積デバイス。
  18. 前記第１の半導体本体はＧａＮを含み、前記第２の半導体本体はＡｌＧａＮを含むことを特徴とする請求項１３に記載の集積デバイス。
  19. 前記デバイスが互いに電気的に分離されることを特徴とする請求項１３に記載の集積デバイス。
  20. 前記デバイスを電気的に分離するために、前記第２の半導体本体内で凹部が形成されることを特徴とする請求項１９に記載の集積デバイス。
  21. 前記凹部は、前記第１の半導体本体に達することを特徴とする請求項２０に記載の集積デバイス。
  22. 前記第２の半導体本体は、前記半導体デバイスを分離するために、注入領域を含むことを特徴とする請求項１９に記載の集積デバイス。
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