TW202405801A - 切換電路 - Google Patents

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Abstract

一種切換電路包括主電路，此主電路包括多個第一電晶體。主電路具有第一節點、第二節點，及第三節點且回應於藉由第一節點接收的控制信號而操作，並且第二節點經配置為接收供應電壓。切換電路亦包括輔助電路，此輔助電路電性耦接到主電路的第二節點並且經配置為向主電路提供電湧保護。輔助電路包括第二電晶體。第二電晶體的崩潰電壓與多個第一電晶體的每個第一電晶體的崩潰電壓不同。

Description

具有高崩潰電壓的半導體元件和電路
無
半導體積體電路(IC)工業已經歷指數級增長。IC材料及設計的技術進展已產生數代IC，其中與前代相比，每代具有更小且更複雜的電路。在IC發展過程中，功能密度（亦即，每晶片面積互連元件的數目）通常增加而幾何大小（亦即，可以使用製造製程產生的最小部件（或接線））減小。此按比例縮小製程通常藉由增加生產效率並降低相關成本來提供益處。此按比例縮小亦增加處理及製造IC的複雜性，並且對於此等待實現的進展而言，需要IC處理及製造的類似發展。
在半導體技術中，III族至V族（或III-V族）半導體化合物（例如，氮化鎵(GaN)）可用於形成各種積體電路(IC)元件，諸如高功率場效電晶體(FET)、高頻電晶體，或高電子遷移率電晶體(HEMT)。高電子遷移率電晶體(HEMT)係具有靠近具有不同帶隙的兩種材料之間的接面（亦即，異質接面）的2維電子氣體(2-dimensional electron gas; 2DEG)層的場效電晶體。2-DEG層用作電晶體通道而非摻雜區域，如通常針對金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的情況。與MOSFET相比，HEMT具有多個有吸引力的性質，諸如高崩潰電壓及低接通電阻。在一些實例中，歸因於其高崩潰電壓及低接通電阻，基於GaN的HEMT可在積體電路（例如，切換電源供應器）中使用。然而，斷開的切換電源供應器中開關可產生電壓尖峰，亦稱為電湧。為了防止由電壓尖峰導致的破壞，需要進一步增加基於GaN的HEMT的崩潰電壓。由此，在此領域中需要改進。
無
以下揭示內容提供許多不同的實施例或實例，用於實施所提供標的之不同特徵。下文描述部件及佈置的具體實例以簡化本揭露之一實施方式。當然，此等僅為實例且並不意欲為限制性。例如，以下描述中在第二特徵上方或第二特徵上形成第一特徵可包括以直接接觸形成第一特徵及第二特徵的實施例，且亦可包括在第一特徵與第二特徵之間形成額外特徵以使得第一特徵及第二特徵可不處於直接接觸的實施例。此外，本揭露之一實施方式可在各個實例中重複元件符號及/或字母。此重複係出於簡便性及清晰的目的且本身並不指示所論述的各個實施例及/或配置之間的關係。
為了便於描述，本文可使用空間相對性術語（諸如「在……之下」、「在……下方」、「下部」、「在……上方」、「上部」及類似術語）來描述諸圖中所示出的一個元件或特徵與另一元件或特徵的關係。除了諸圖所描繪的定向外，空間相對性術語意欲涵蓋使用或操作中元件的不同定向。設備可經其他方式定向（旋轉90度或處於其他定向）且由此可同樣地解讀本文所使用的空間相對性描述詞。
另外，當數量或數量範圍用「約(about)」、「大約(approximate)」及類似者描述時，如由本領域一般技藝人士所理解，該術語意欲涵蓋在考慮到在製造期間固有出現的變化的合理範圍內的數量。例如，基於與製造特徵（此特徵具有與數量相關聯的特性）相關聯的已知製造容差，數量或數量範圍涵蓋包括所描述數量的合理範圍，諸如在所描述數量的+/–10%內。例如，具有「約5 nm」厚度的材料層可以涵蓋從4.25 nm至5.75 nm的尺寸範圍，其中與沉積材料層相關聯的製造容差為本領域一般技藝人士已知係+/–15%。另外，本揭露可在各個實例中重複元件符號及/或字母。此重複係出於簡便性及清晰的目的且本身並不指示所論述的各個實施例及/或配置之間的關係。
與金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)相比，高電子移動速度電晶體（：High Electron Mobility Transistor, HEMT）具有多個有吸引力的性質，諸如高崩潰電壓及低接通電阻，並且因此，HEMT廣泛用於各種應用中。在一些實施例中，包括多個切換電晶體（例如，HEMT）的切換電路可用於電力轉換電路（例如，DC-DC轉換器）。例如，包括HEMT的多個切換電晶體可耦接到電源供應器。斷開此些切換電晶體會導致電壓尖峰或電湧，而破壞此些切換電晶體。例如，每個切換電晶體可具有例如約為650 V的崩潰電壓，並且電湧電壓可約為例如800 V。可增加此些HEMT的崩潰電壓以防止此些基於切換電晶體的HEMT因電壓尖峰而被破壞。然而，將此些HEMT的崩潰電壓從650 V增加到800 V可包括引入複雜場板設計及/或增加漂移區域長度（亦即，在HEMT的閘極結構與汲極特徵之間的距離），此可提供增加的與形成HEMT相關聯的製造成本或增加此些HEMT中每個HEMT的佔據面積，造成在IC晶片中佔據不適當的佔地量。
本實施例涉及向此些HEMT提供電湧保護而不增加HEMT的崩潰電壓的方法及電路。在一實施例中，切換電路包括平行連接並且耦接到電源供應器的多個HEMT。此些HEMT的每一者具有第一崩潰電壓BV1。電源供應器可產生大於第一崩潰電壓BV1的電湧電壓。輔助電路電性耦接到切換電路以提供電湧保護。在一實施例中，輔助電路包括具有大於第一崩潰電壓BV1的第二崩潰電壓BV2的HEMT。當產生電湧電壓時，電湧電壓可藉由輔助電路中的HEMT放電。藉由提供輔助電路而不增加第一崩潰電壓BV1，防止歸因於電壓過衝尖峰而破壞切換電路中的HEMT。本揭露的各個態樣現將參考圖式更詳細描述。
第1圖圖示根據本揭露的各個態樣的具有輔助電路130的示例性簡化切換電路100的示意圖。在第1圖中表示的實施例中，切換電路100包括主電路110。主電路110具有電性耦接到驅動電路120並且經配置為從驅動電路120接收控制信號的第一節點110a。主電路110亦具有經配置為從電力線115（或電源供應器115）接收供應電壓Vpp的第二節點110b。主電路110亦包括經配置為接收參考電壓（例如，接地電壓GND）的第三節點110c。在本實施例中，第三節點110c耦接到接地電壓。在一些實施例中，主電路110包括多個切換電晶體（例如，第2圖所示的切換電晶體110 1、110 2、…110 N）。此些切換電晶體可具有相同崩潰電壓BV1。主電路110的示例性示意圖參考第2圖進一步詳細描述。如上文描述，斷開主電路110中的此些切換電晶體可將電湧電壓引入電力線115。例如，電力線115經配置為提供正常位準的電壓V1，並且在此些切換電晶體斷開的情況下，可產生大於電壓V1並且大於崩潰電壓BV1的電湧電壓V2。亦即，藉由電力線115提供的供應電壓Vpp可等於正常位準的電壓V1或電湧電壓V2。若電湧電壓V2完全供應到主電路110的第二節點110b，由於電湧電壓V2大於崩潰電壓BV1，可破壞主電路110中的此些切換電晶體。為了防止主電路110由電湧電壓V2破壞，輔助電路130電性耦接到主電路110以提供電湧保護。
輔助電路130包括電容器140。電容器140的一個終端140a電性耦接到主電路110的第二節點110b。在一實施例中，電容器140的電容可在約1 pF與約100 nF之間。輔助電路130亦包括電性耦接到電容器140a的其他終端140b的電阻器150。在本實施例中，電阻器150的其他終端經配置為接收參考電壓（例如，接地電壓GND）。在一實施例中，電阻器150的電阻可在約1 KΩ與約100 KΩ之間。
輔助電路130亦包括電晶體160。電晶體160具有電性耦接到電容器140的終端140b的第一終端160a（例如，閘極終端）、電性耦接到主電路110的第二節點110b的第二終端160b，及經配置為接收參考電壓（例如，接地電壓GND）的第三終端160c。在一實施例中，電晶體160包括基於GaN的HEMT並且具有高於主電路110中的切換電晶體的崩潰電壓BV1的崩潰電壓BV2。應理解，電晶體160不限於基於GaN的HEMT。在一實施例中，電晶體160的操作電壓高於主電路110中的切換電晶體的每一者的操作電壓。當主電路110中的切換電晶體斷開並且產生電湧電壓V2、或存在來自系統的尖峰電壓V2時，電湧電流將流過電容器140並且藉由電阻器150累積電壓。此累積電壓可隨後接通電晶體160。因此，電湧電壓/尖峰電壓V2可藉由電晶體160放電。電晶體160的結構的示例性橫截面圖將參考第4圖詳細描述。在一些實施例中，藉由為輔助電路130提供不同電晶體160（具有不同崩潰電壓），切換電路100可經配置為保持不同電湧電壓，並且因此切換電路100可在不同應用中實施。
第2圖圖示根據本揭露的各個態樣的第1圖所示的切換電路100的示例性簡化主電路110的示意圖。在第2圖中表示的實施例中，主電路110包括平行連接的多個切換電晶體110 1、110 2、…110 N。N係整數並且可大於1000。切換電晶體110 1、110 2、…110 N平行連接。更特定言之，切換電晶體110 1、110 2、…110 N的每一者包括閘極終端、汲極終端，及源極終端。此些切換電晶體110 1、110 2、…110 N的閘極終端電性耦接到驅動電路120的輸出並且經配置為從驅動電路120接收控制信號，此些切換電晶體110 1、110 2、…110 N的汲極終端電性耦接到電力線115，並且此些切換電晶體110 1、110 2、…110 N的源極終端經配置為接收例如接地電壓。在一實施例中，切換電晶體110 1、110 2、…110 N的每一者包括基於GaN的HEMT，並且每個HEMT具有相同結構及配置，且因此具有相同崩潰電壓BV1。例如，主電路110中的此些HEMT具有相同閘極寬度Wg1（第5圖所示）及在閘極結構與其相應汲極特徵之間的相同距離（亦即，第3圖及第5圖所示的Lgd1）。在閘極結構與輔助電路130中的基於HEMT的電晶體160的其相應汲極特徵之間的距離可稱為Lgd2（第4圖及第6圖所示）並且大於距離Lgd1。切換電晶體110 1、110 2、…110 N的示例性結構的部分橫截面圖將參考第3圖進一步詳細描述。應將理解，切換電晶體110 1、110 2、…110 N的每一者不限於基於GaN的HEMT。
在一實施例中，第一崩潰電壓BV1可為約500 V且第二崩潰電壓BV2可為約800 V，並且主電路110可包括3000個切換電晶體，3000個切換電晶體的總閘極寬度可為約300 nm。為了防止歸因於電湧電壓而破壞主電路110，替代提供輔助電路130，另一可能方法可包括使主電路110中的3000個切換電晶體的每個切換電晶體的汲極漂移區域（亦即，在閘極結構與其相應汲極特徵之間的區域）的長度從Lgd1增加到Lgd2。然而，使每個切換電晶體的汲極漂移區域的長度從Lgd1增加到Lgd2可顯著且不利地增加主電路110的總佔據面積。例如，包括各自具有第二崩潰電壓BV2的切換電晶體的主電路的總晶片面積可為約7 mm 2；然而，包括各自具有第一崩潰電壓BV1的切換電晶體的主電路的總晶片面積可為約4.2 mm 2，且輔助電路的總晶片面積可為約0.02 mm 2。由此，與其中每個切換電晶體的汲極漂移區域的長度從Lgd1增加到Lgd2以使崩潰電壓從BV1增加到BV2的實施例相比，實施輔助電路130的切換電路100可具有較小佔據面積（減小40%）並且佔據IC晶片較少的佔地量。
第3圖圖示根據本揭露的各個態樣的在第2圖所示的主電路110中實施的切換電晶體1101的示例性橫截面圖。由於切換電晶體110 1包括HEMT，切換電晶體110 1可稱為半導體元件110 1或HEMT 110 1。半導體元件110 1包括基板310。基板310可包括碳化矽(SiC)、藍寶石、或矽(Si)。在本實施例中，基板310係矽基板。
半導體元件110 1亦包括在基板310上方形成的成核層320。成核層320具有例如適用於橋接在基板310與其上方的層之間的晶格失配及/或TEC失配的晶格結構及/或熱膨脹係數(TEC)。在一些實施例中，成核層320包括氮化鋁(AlN)。
半導體元件110 1亦包括在成核層320上方形成的緩衝層330。在一些實施例中，緩衝層330包括分級氮化鋁鎵（Al xGa 1-xN，x係鋁鎵成分中的氯含量比，0＜x＜1）層。在一些實施例中，緩衝層330可包括具有不同x比率的多個氮化鋁鎵層。在一些其他實施例中，替代具有不同x比率的多個層，緩衝層330可具有連續梯度的比率x。
半導體元件110 1亦包括在緩衝層330上方形成的超晶格結構340。超晶格結構340可包括垂直且交替地堆疊的多個第一III-V族層及多個第二III-V族層（未分別標記），並且第一III-V族層具有與第二III-V族層不同的晶格常數。例如，第一III-V族層可包括AlN，並且第二III-V族層可包括GaN。
半導體元件110 1亦包括在超晶格結構340上方形成的通道層350。在一些實施例中，通道層350可包括一或多個III-V族化合物層，諸如GaN、AlGaN、InGaN及InAlGaN。在一個實施例中，通道層350包括GaN層。
半導體元件110 1亦包括在通道層350上方形成的主動層360。主動層360包括一或多個III-V族化合物層，其組成與通道層350的III-V族化合物層不同。在一實施例中，主動層360可包括AlGaN。主動層360經配置為導致沿著通道層350與主動層360之間的界面在通道層350中形成2維電子氣體(2DEG)。異質接面在具有兩種不同半導體材料的主動層360與通道層350之間形成。
半導體元件110 1亦包括在主動層360上方設置的源極特徵365及汲極特徵370。在本實施例中，源極特徵365及汲極特徵370經形成為與主動層360的上表面的歐姆接觸。在一些情況下，源極特徵365可稱為歐姆接觸365，並且汲極特徵370可稱為歐姆接觸370。在本實施例中，歐姆接觸365及歐姆接觸370可具有相同組成並且可包括金屬層，此金屬層包括鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋁銅(AlCu)合金、其組合、或其他適宜材料。
半導體元件110 1亦包括在主動層360上方並且在源極特徵365與汲極特徵370之間設置的閘極結構375。閘極結構375包括閘極介電層及在閘極介電層上方設置的閘電極層。閘電極包括導電材料層。在各個實例中，導電材料層可包括鎳(Ni)、金(Au)、銅(Cu)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鈦鎢(TiW)、氮化鈦鎢(TiWN)、鎢(W)或氮化鎢(WN)、其組合、或其他適宜材料。在本實施例中，沿著X方向，在閘極結構375與歐姆接觸370之間的距離Lgd1大於在閘極結構與歐姆接觸365之間的距離。介電層380在源極特徵365、汲極特徵370，及閘極結構375上方形成。介電層380可包括多個層並且每個層可包括氧化矽(SiO 2)、氮化矽(SiN)、其組合、或其他適宜材料。半導體元件110 1亦包括穿透介電層380並且與源極特徵365、汲極特徵370、或閘極結構375直接接觸的接觸通孔。例如，半導體元件110 1包括穿過介電層380延伸並且與源極特徵365直接接觸的接觸通孔385。在一些實施例中，半導體元件110 1亦可包括在介電層380上方設置的一或多個場板（例如，場板390）。在本實施例中，半導體元件110 1包括在介電層380上方設置並且經由接觸通孔385電性耦接到源極特徵365的場板390。
第4圖圖示根據本揭露的各個態樣的在第1圖所示的輔助電路1630中實施的電晶體160的示例性橫截面圖。在本實施例中，電晶體160的結構係以與切換電晶體110 1類似的方式。例如，電晶體160亦包括基板310、在基板310上方形成的成核層320、在成核層320上方形成的緩衝層330、在緩衝層330上方形成的超晶格結構340、在超晶格結構340上方形成的通道層350，及在通道層上方形成的主動層360。電晶體160亦包括在主動層360上方設置的源極特徵564及汲極特徵470，及在源極特徵465與汲極特徵470之間設置的閘極結構475。在閘極結構475與汲極特徵470之間的距離Lgd2大於在閘極結構475與源極特徵465之間的距離。由於輔助電路130經配置為向主電路110中的電晶體110 1、110 2、…、110 N提供電湧保護，電晶體160的崩潰電壓BV2高於切換電晶體110 1的崩潰電壓BV1。在本實施例中，在閘極結構475與汲極特徵470之間的距離Lgd2大於在閘極結構375與汲極特徵370之間的距離Lgd1，使得電晶體160具有與切換電晶體110 1相比較高的崩潰電壓。
第5圖圖示根據本揭露之一實施方式的各個態樣的切換電晶體110 1的部分俯視圖。在本實施例中，閘極結構375沿著Y方向延伸並且具有沿著Y方向的閘極寬度Wg1。在一實施例中，閘極寬度Wg1係在約50 um與約150 um之間。距離Lgd1可由此關於切換電晶體110 1的令人滿意的崩潰電壓BV1配置。在一實施例中，切換電晶體110 1的崩潰電壓BV1可為約500 V，並且距離Lgd1可在約6 nm與約18 nm之間。閘極寬度Wg1及距離Lgd1可影響電晶體110 1的佔據面積。
第6圖圖示根據本揭露之一實施方式的各個態樣的電晶體160的部分俯視圖。在本實施例中，閘極結構475沿著Y方向延伸並且具有沿著Y方向的閘極寬度Wg2.在一實施例中，Wg2係在約50 um與約150 um之間。距離Lgd2大於距離Lgd1。距離Lgd2可關於電晶體160的令人滿意的崩潰電壓BV2配置並且不大於1000 um。若距離Lgd2大於1000 um，則需要較大電流來接通電晶體160，可能需要更多時間充電電容器以產生此較大電流，並且電晶體160可因此不能及時將電湧電壓放電。
在一實施例中，電晶體160的崩潰電壓BV2可為約800 V，並且距離Lgd2大於距離Lgd1且可在約9 nm與約27 nm之間。在一實施例中，為了向電晶體160提供較高崩潰電壓（例如，1000 V），距離Lgd2可增加並且在約12 nm與約35 nm之間。在一實施例中，距離Lgd2可大於23 um。閘極寬度Wg2及距離Lgd2可影響電晶體160的佔據面積。在一些實施例中，閘極寬度Wg2可等於閘極寬度Wg1。在一實施例中，電晶體160的佔據面積大於主電路110中的切換電晶體110 1、110 2、…、110 N的每一切換電晶體的佔據面積，並且電晶體160的佔據面積小於主電路110中的切換電晶體110 1、110 2、…、110 N的總佔據面積。
第7圖圖示展示在第1圖所示的切換電路100的不同節點處電壓隨著時間或電流隨著時間的模擬時序圖710、720、730，及740。更特定言之，時序圖710表示藉由電力線115提供的電壓信號Vpp，時序圖720表示在主電路110的第二節點110b處量測的電壓信號Vdd，時序圖730表示在主電路110的第一節點110a處量測的電壓信號Vg，並且時序圖740表示流過電晶體160的電流Irq。
在此模擬中，電力線115經配置為提供電壓Vpp。電壓Vpp的正常位準V1在約300 V與約500 V之間變化，主電路110中的切換電晶體110 1、110 2、…、110 N各自具有距離Lgd1（第3圖及第5圖所示），主電路110中的每個電晶體具有約400 V的操作電壓及約500 V的崩潰電壓，並且輔助電路130中的電晶體160具有距離Lgd2（第4圖及第6圖所示）、約650 V的操作電壓，及約800 V的崩潰電壓。當主電路110中的切換電晶體110 1、110 2、…、110 N斷開時，如藉由時序圖730表示，電力線115提供電湧電壓V2。電湧電壓可大於800 V。藉由提供輔助電路130，如藉由時序圖720表示，供應到主電路110的電壓Vdd可在約395 V與約405 V之間，其小於主電路110中的電晶體110 1、110 2、…、110 N的崩潰電壓，並且電湧電壓藉由電晶體160放電，如藉由時序圖740呈現。由此，提供輔助電路130以增加切換電路100的崩潰電壓可有利地防止主電路110中的切換電晶體110 1、110 2、…、110 N藉由電湧電壓V2破壞。除了提供電湧保護之外，與其中主電路110中的電晶體110 1、110 2、…、110 N的崩潰電壓增加以防止歸因於電湧電壓的破壞的實施例相比，輔助電路130的實施方式亦有利地減少切換電路100的總佔據面積。
第8圖圖示用於將切換電路配置為具有增加的崩潰電壓的方法800的流程圖。在一實施例中，於802處，方法800包括決定主電路中的切換電晶體的配置。例如，可決定主電路110中的電晶體110 1、110 2、…、110 N的每一切換電晶體的崩潰電壓BV1及長度Lgd1。於804處，方法800亦包括評估經配置為向主電路110提供電源供應器的電力線（例如，電力線115）的電湧電壓/尖峰電壓（例如，V2）。於806處，方法800亦包括回應於主電路及電湧/尖峰電壓的配置，決定輔助電路的配置以向主電路110提供電湧/尖峰保護。例如，基於主電路110中的切換電晶體110 1、110 2、…、110 N的電湧電壓V2及崩潰電壓BV1，可決定輔助電路130中的電晶體160的崩潰電壓BV2。於808處，方法800亦包括回應於電晶體160的決定的崩潰電壓BV2，決定電晶體160的配置。例如，可決定在電晶體160的閘極結構與汲極特徵之間的距離Lgd2，使得電晶體160具有崩潰電壓BV2。因此，輔助電路130可經配置為向主電路110提供電湧/尖峰保護。換言之，切換電路100的崩潰電壓藉由輔助電路130增加。
第9圖圖示根據本揭露之一實施方式的各個態樣的具有輔助電路130’的另一示例性簡化切換電路100’的示意圖。在本實施例中，切換電路100’包括主電路110，此主電路具有電性耦接到驅動電路120的第一節點110a、電性耦接到電力線115的第二節點110b，及電性耦接到參考電壓（諸如接地電壓）的第三節點110c。如上文參考第1圖及第2圖描述，主電路110包括平行連接的多個切換電晶體110 1、110 2、…、110 N。
切換電路100’亦包括電性耦接到主電路110的第二節點110b的輔助電路130’。輔助電路130’包括電容器140。電容器140的一個終端140a電性耦接到主電路110的第二節點110b。輔助電路130’亦包括電性耦接到電容器140a的另一終端140b的電阻器150。輔助電路130’亦包括電晶體160。電晶體160的第一終端160a（例如，閘極終端）電性耦接到電容器140的終端140b，電晶體160的第二終端160b（例如，汲極終端）電性耦接到主電路110的第二節點110b，並且第三終端160c經配置為接收參考電壓（例如，接地電壓GND）。在一實施例中，電晶體160包括基於GaN的HEMT並且具有高於主電路110中的切換電晶體的崩潰電壓BV1的崩潰電壓BV2。因此，當主電路110的切換電晶體斷開時並且當產生電湧電壓V2時，電容器140可接通電晶體160並且因此電湧電壓V2可藉由電晶體160放電。
如上文描述，當主電路110中的切換電晶體110 1、110 2、…、110 N斷開時，可產生大於電壓V1並且大於崩潰電壓BV1的電湧電壓V2。電晶體160的閘極終端（亦即，第一終端160a）容易歸因於超過其閘極崩潰電壓的電壓過衝尖峰而破壞。輔助電路130’包括電性耦接到電容器140的終端140b及電晶體160的第一終端160a的閘極保護電路170。更具體地，閘極保護電路170包括連接到電容器140的終端140b的一個終端，及經配置為接收參考電壓（例如，接地電壓）的另一終端。在本實施例中，閘極保護電路170包括串列連接的多個二極體170 1、…、170 M。M係整數並且大於1。在一些實施例中，取決於二極體170 1、…、170 M的每一者的閾值電壓及電晶體160的閘極崩潰電壓，M可在2與10之間。歸因於電湧事件產生的電流可部分流過路徑170p。藉由實施閘極保護電路170，電晶體160的閘極輸入電壓可在電湧事件期間夾持，從而保護電晶體160的閘極終端不被破壞。在一些實施例中，閘極保護電路170可消耗未由電阻器150或電晶體160消耗的電湧電壓的部分。
第10圖圖示展示在第9圖所示的切換電路的不同節點處電壓或電流隨著時間的模擬時序圖1010、1020、1030、1040，及1050。更具體地，時序圖1010表示藉由電力線115提供的電壓信號Vpp，時序圖1020表示在主電路110的第二節點110b處量測的電壓信號Vdd，時序圖930表示在主電路110的第一節點110a處量測的電壓信號Vg，時序圖1040表示在電容器140的終端140b處量測的電壓信號Vr1，並且時序圖1050表示流過電晶體160的電流Irq。時序圖1010、1020、1030，及1050係以類似於參考第7圖描述的時序圖710、720、730，及740的方式，並且重複描述出於簡便性的原因而省略。當主電路110中的電晶體110 1、110 2、…、110 N接通或斷開時，如藉由時序圖1040表示，歸因於電湧事件產生的電流可流過路徑170p，從而保護電晶體160的閘極終端不被破壞。
儘管不意欲為限制，本揭露的一或多個實施例提供切換電路許多益處。在一實施例中，切換電路包括主電路及電性耦接到主電路的輔助電路。輔助電路包括電力元件（例如，基於GaN的HEMT）並且經配置為向主電路提供電湧保護。主電路可包括具有小於電力元件的崩潰電壓的崩潰電壓的多個電晶體。由此，在不顯著消耗IC晶片的佔地量的情況下，可防止歸因於電壓過衝尖峰而破壞主電路。在一些實施例中，電力元件的崩潰電壓可藉由改變電力元件的閘極結構與汲極特徵之間的距離來調節。因此，藉由向電力元件提供不同崩潰電壓，在不改變主電路的配置的情況下，切換電路可經設計為針對具有不同電湧電壓的各個應用實施。在一些實施例中，閘極保護電路電性耦接到電力元件以保護電力元件的閘極終端。在一些實施例中，輔助電路可實施以向其他電路提供電湧保護，此等電路可以調節在閘極結構與汲極特徵之間的距離以設計崩潰電壓。輔助電路可容易整合到現有的HEMT及電路中。
本揭露提供許多不同實施例。本文揭示了半導體結構及其製造方法。在一個示例性態樣中，本揭露之一實施方式涉及一種切換電路。切換電路包括主電路，此主電路包括複數個第一電晶體並且具有第一節點、第二節點，及第三節點，其中主電路回應於藉由第一節點接收的控制信號而操作，並且第二節點經配置為接收供應電壓。切換電路亦包括輔助電路，此輔助電路電性耦接到主電路的第二節點並且經配置為向主電路提供電湧保護，其中輔助電路包含第二電晶體。第二電晶體的崩潰電壓與複數個第一電晶體的每個第一電晶體的崩潰電壓不同。
在一些實施例中，第二電晶體的崩潰電壓可大於複數個第一電晶體的每個第一電晶體的崩潰電壓。在一實施例中，複數個第一電晶體的每個第一電晶體可包括電性耦接到第一節點的閘極終端、電性耦接到第二節點的汲極終端，及電性耦接到第三節點的源極終端。在一實施例中，輔助電路亦可包括電容元件，此電容元件包含第一終端及第二終端，其中電容元件的第一終端可電性耦接到第二節點。輔助電路亦可包括電阻元件，此電阻元件包含第三終端及第四終端，第三終端電性耦接到第二終端，並且第四終端電性耦接到接地電壓。在一實施例中，第二電晶體的閘極終端可電性耦接到電容元件的第二終端，第二電晶體的汲極終端可電性耦接到第二節點，並且第二電晶體的源極終端可電性耦接到接地電壓。在一實施例中，切換電路亦可包括電性耦接到電容元件的第二終端的閘極保護電路，其中閘極保護電路可包括串列連接的複數個二極體。在一實施例中，第一電晶體可為第一基於III-V族的高電子遷移率電晶體(HEMT)並且第二電晶體可為第二基於III-V族的HEMT。在一實施例中，第一基於III-V族的HEMT的基板及第二基於III-V族的HEMT的基板可包括矽。在一實施例中，第一基於III-V族的HEMT可為第一閘極結構及第一汲極特徵，且第一閘極結構沿著第一方向藉由第一距離與第一汲極特徵間隔開，並且第二基於III-V族的HEMT可為第二閘極結構及第二汲極特徵，且第二閘極結構可沿著第一方向藉由第二距離與第二汲極特徵間隔開，其中第二距離可大於第一距離。在一實施例中，第一閘極結構沿著第二方向的寬度可等於第二閘極結構沿著第二方向的寬度，第二方向實質上垂直於第一方向。
在另一示例性態樣中，本揭露之一實施方式涉及一種電路。電路包括：汲極電壓輸入終端，經配置為接收第一電壓；源極電壓輸入終端，經配置為接收第二電壓；主電路，在汲極電壓輸入終端與源極電壓輸入終端之間連接並且包含平行連接的複數個第一電晶體、包含電性耦接到汲極電壓輸入終端的汲極終端的第二電晶體、電性耦接到源極電壓輸入終端的源極終端，及閘極終端；電容元件，包含第一終端及第二終端，電容元件的第一終端電性耦接到汲極電壓輸入終端；以及電阻元件，包含第三終端及第四終端，第三終端電性耦接到第二終端，並且第四終端電性耦接到源極電壓輸入終端，其中第二電晶體的閘極終端電性耦接到電容元件的第二終端。
在一些實施例中，第二電晶體的崩潰電壓可大於複數個第一電晶體的每個第一電晶體的崩潰電壓。在一些實施例中，第二電晶體的崩潰電壓及複數個第一電晶體的每個第一電晶體的崩潰電壓的總和可大於與第一電壓相關聯的電湧電壓。在一些實施例中，第二電晶體的操作電壓可大於複數個第一電晶體的每個第一電晶體的操作電壓。在一些實施例中，第二電晶體的佔據面積可大於複數個第一電晶體的每個第一電晶體的佔據面積並且可小於複數個第一電晶體的總佔據面積。在一些實施例中，電路亦可包括串列連接並且在電容元件的第二終端與源極電壓輸入終端之間連接的複數個二極體。
在又一示例性態樣中，本揭露之一實施方式涉及一種電路。電路包括：第一電路，經配置為從電力線接收電力供應電壓並且包含平行連接的複數個第一電力元件，其中複數個第一電力元件的每個第一電力元件包含第一崩潰電壓；第二電路，經配置為向第一電路提供電湧保護並且包含具有第二崩潰電壓的第二電力元件，其中第一崩潰電壓小於第二崩潰電壓。
在一些實施例中，第二電路亦可包括：電容元件，包含第一終端及第二終端，電容元件的第一終端電性耦接到電力線；以及電阻元件，包含第三終端及第四終端，第三終端電性耦接到第二終端，並且第四終端電性耦接到接地電壓，其中第二電力元件的閘極終端可電性耦接到電容元件的第二終端，第二電力元件的汲極終端可電性耦接到電力線，並且第二電力元件的源極終端可電性耦接到接地電壓。在一些實施例中，電路亦可包括在電容元件的第二終端與接地電壓之間電性連接的閘極保護電路，其中閘極保護電路可包括串列連接的複數個二極體。在一些實施例中，複數個第一電力元件的每一者可包括藉由第一距離與汲極特徵隔開的閘極結構，第二電力元件可包括藉由第二距離與汲極特徵隔開的閘極結構，其中第二距離可包括大於第一距離。
上文概述了若干實施例的特徵，使得熟習此項技術者可更好地理解本揭露的態樣。熟習此項技術者應瞭解，可輕易使用本揭露之一實施方式作為設計或修改其他製程及結構的基礎，以便實施本文所引入的實施例的相同目的及/或實現相同優點。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效結構並未脫離本揭露的精神及範疇，且可在不脫離本揭露的精神及範疇的情況下產生本文的各種變化、替代及更改。
100:切換電路 100':切換電路 110:主電路 110 1:切換電晶體 110 2:切換電晶體 110 N:切換電晶體 110a:第一節點 110b:第二節點 110c:第三節點 115:電力線 120:驅動電路 130:輔助電路 130':輔助電路 140:電容器 140a:終端 140b:終端 150:電阻器 160:電晶體 160a:第一終端 160b:第二終端 160c:第三終端 170:閘極保護電路 170 1:二極體 170 M:二極體 170 p:路徑 310:基板 320:成核層 330:緩衝層 340:超晶格結構 350:通道層 360:主動層 365:源極特徵 370:汲極特徵 375:閘極結構 380:介電層 385:接觸通孔 390:場板 465:源極特徵 470:汲極特徵 475:閘極結構 710:時序圖 720:時序圖 730:時序圖 740:時序圖 800:方法 802:步驟 804:步驟 806:步驟 808:步驟 1010:時序圖 1020:時序圖 1030:時序圖 1040:時序圖 1050:時序圖 GND:接地電壓 Irq:電流 Lgd1:距離 Lgd2:距離 V1:電壓 V2:電湧電壓 Vr1:電壓信號 Wg1:閘極寬度 Wg2:閘極寬度 X:方向 Y:方向
當結合隨附圖式閱讀時，自以下詳細描述將最佳地理解本揭露之一實施方式。應注意，根據工業中的標準實務，各個特徵並非按比例繪製，並且僅出於說明目的而使用。事實上，出於論述清晰的目的，可任意增加或減小各個特徵的尺寸。 第1圖圖示根據本揭露的各個態樣的具有主電路及輔助電路的示例性簡化切換電路的示意圖。 第2圖圖示根據本揭露的各個態樣的第1圖所示的切換電路的示例性簡化主電路的示意圖。 第3圖圖示根據本揭露的各個態樣的在第2圖所示的主電路中實施的第一電晶體的示意性橫截面圖。 第4圖圖示根據本揭露的各個態樣的在第1圖所示的輔助電路中實施的第二電晶體的示意性橫截面圖。 第5圖圖示根據本揭露的各個態樣的第一電晶體的局部俯視圖。 第6圖圖示根據本揭露的各個態樣的第二電晶體的局部俯視圖。 第7圖圖示展示在第1圖所示的切換電路的不同節點處電壓隨著時間或電流隨著時間的模擬時序圖。 第8圖圖示用於將切換電路配置為具有增加的崩潰電壓的方法的流程圖。 第9圖圖示根據本揭露的各個態樣的具有主電路及不同輔助電路的另一示例性簡化切換電路的示意圖。 第10圖圖示展示在第9圖所示的切換電路的不同節點處電壓隨著時間或電流隨著時間的模擬時序圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100:切換電路
110:主電路
110a:第一節點
110b:第二節點
110c:第三節點
115:電力線
120:驅動電路
130:輔助電路
140:電容器
140a:終端
140b:終端
150:電阻器
160:電晶體
160a:第一終端
160b:第二終端
160c:第三終端
GND:接地電壓
Irq:電流
V1:電壓
V2:電湧電壓

Claims (20)

  1. 一種切換電路，包含： 一主電路，包含複數個第一電晶體並且包含一第一節點、一第二節點，及一第三節點，其中該主電路回應於藉由該第一節點接收的一控制信號而操作，並且該第二節點經配置為接收一供應電壓； 一輔助電路，電性耦接到該主電路的該第二節點並且經配置為向該主電路提供電湧保護，其中該輔助電路包含一第二電晶體， 其中該第二電晶體的一崩潰電壓與該些第一電晶體的每個第一電晶體的一崩潰電壓不同。
  2. 如請求項1所述的切換電路，其中該第二電晶體的該崩潰電壓大於該些第一電晶體的每個第一電晶體的該崩潰電壓。
  3. 如請求項1所述的切換電路，其中該些第一電晶體的每個第一電晶體包含電性耦接到該第一節點的一閘極終端、電性耦接到該第二節點的一汲極終端，及電性耦接到該第三節點的一源極終端。
  4. 如請求項1所述的切換電路，其中該輔助電路進一步包含： 一電容元件，包含一第一終端及一第二終端，該電容元件的該第一終端電性耦接到該第二節點；以及 一電阻元件，包含一第三終端及一第四終端，該第三終端電性耦接到該第二終端，並且該第四終端電性耦接到一接地電壓。
  5. 如請求項4所述的切換電路，其中該第二電晶體的一閘極終端電性耦接到該電容元件的該第二終端，該第二電晶體的一汲極終端電性耦接到該第二節點，並且該第二電晶體的一源極終端電性耦接到一接地電壓。
  6. 如請求項5所述的切換電路，進一步包含： 一閘極保護電路，電性耦接到該電容元件的該第二終端， 其中該閘極保護電路包含串列連接的複數個二極體。
  7. 如請求項1所述的切換電路，其中該第一電晶體包含一第一基於III-V族的高電子遷移率電晶體(HEMT)並且該第二電晶體包含一第二基於III-V族的HEMT。
  8. 如請求項7所述的切換電路，其中該第一基於III-V族的HEMT的一基板及該第二基於III-V族的HEMT的一基板包含矽。
  9. 如請求項7所述的切換電路， 其中該第一基於III-V族的HEMT包含一第一閘極結構及一第一汲極特徵，且該第一閘極結構沿著一第一方向藉由一第一距離與該第一汲極特徵間隔開，並且該第二基於III-V族的HEMT包含一第二閘極結構及一第二汲極特徵，且該第二閘極結構沿著該第一方向藉由一第二距離與該第二汲極特徵間隔開， 其中該第二距離大於該第一距離。
  10. 如請求項9所述的切換電路， 其中該第一閘極結構沿著一第二方向的一寬度等於該第二閘極結構沿著該第二方向的一寬度，該第二方向實質上垂直於該第一方向。
  11. 一種電路，包含： 一汲極電壓輸入終端，經配置為接收一第一電壓； 一源極電壓輸入終端，經配置為接收一第二電壓； 一主電路，在該汲極電壓輸入終端與該源極電壓輸入終端之間連接並且包含平行連接的複數個第一電晶體； 一第二電晶體，包含電性耦接到該汲極電壓輸入終端的一汲極終端、電性耦接到該源極電壓輸入終端的一源極終端，及一閘極終端； 一電容元件，包含一第一終端及一第二終端，該電容元件的該第一終端電性耦接到該汲極電壓輸入終端；以及 一電阻元件，包含一第三終端及一第四終端，該第三終端電性耦接到該第二終端，並且該第四終端電性耦接到該源極電壓輸入終端， 其中該第二電晶體的該閘極終端電性耦接到該電容元件的該第二終端。
  12. 如請求項11所述的電路，其中該第二電晶體的一崩潰電壓大於該些第一電晶體的每個第一電晶體的一崩潰電壓。
  13. 如請求項12所述的電路，其中該第二電晶體的該崩潰電壓及該些第一電晶體的每個第一電晶體的該崩潰電壓的一總和大於與該第一電壓相關聯的一電湧電壓。
  14. 如請求項11所述的電路，其中該第二電晶體的一操作電壓大於該些第一電晶體的每個第一電晶體的一操作電壓。
  15. 如請求項11所述的電路，其中該第二電晶體的一佔據面積大於該些第一電晶體的每個第一電晶體的一佔據面積並且小於該些第一電晶體的一總佔據面積。
  16. 如請求項11所述的電路，進一步包含： 複數個二極體，串列連接並且在該電容元件的該第二終端與該源極電壓輸入終端之間連接。
  17. 一種電路，包含： 一第一電路，經配置為從一電力線接收一電力供應電壓並且包含平行連接的複數個第一電力元件，其中該些第一電力元件的每個第一電力元件包含一第一崩潰電壓； 一第二電路，經配置為向該第一電力提供電湧保護並且包含具有一第二崩潰電壓的一第二電力元件， 其中該第一崩潰電壓小於該第二崩潰電壓。
  18. 如請求項17所述的電路，其中該第二電路進一步包含： 一電容元件，包含一第一終端及一第二終端，該電容元件的該第一終端電性耦接到該電力線；以及 一電阻元件，包含一第三終端及一第四終端，該第三終端電性耦接到該第二終端，並且該第四終端電性耦接到一接地電壓， 其中該第二電力元件的一閘極終端電性耦接到該電容元件的該第二終端，該第二電力元件的一汲極終端電性耦接到該電力線，並且該第二電力元件的一源極終端電性耦接到該接地電壓。
  19. 如請求項18所述的電路，進一步包含： 一閘極保護電路，在該電容元件的該第二終端與該接地電壓之間電性連接， 其中該閘極保護電路包含串列連接的複數個二極體。
  20. 如請求項17所述的電路，其中該些第一電力元件的每一者具有藉由一第一距離與一汲極特徵隔開的一閘極結構，該第二電力元件具有藉由一第二距離與一汲極特徵隔開的一閘極結構，其中該第二距離大於該第一距離。
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