TWI765731B - 半導體裝置 - Google Patents
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Abstract
一種半導體裝置包括一基板、常開型GaN元件、低壓矽場效電晶體與金屬閘極MOSFET。低壓矽場效電晶體耦接至所述常開型GaN元件，且常開型GaN元件與金屬閘極MOSFET形成在同一基板。所述金屬閘極MOSFET作為箝制二極體，因此其金屬閘極與源極耦接至低壓矽場效電晶體，且金屬閘極MOSFET的汲極耦接至常開型GaN元件。在另一種半導體裝置中，直接使用上述金屬閘極MOSFET取代低壓矽場效電晶體，以與常開型GaN元件構成疊接電路。
Description
本發明是有關於一種用於常開型電晶體的疊接電路(Cascode circuit)，且特別是有關於一種具有金屬閘極MOSFET(金氧半場效電晶體)與常開型電晶體的半導體裝置。
常開型(D-mode)GaN元件需要通過封裝技術與低壓矽(LV Si)MOSFET結合使用，以成為正常操作用的疊接結構。
然而，當系統進行開/關切換(turn-on/turn-off transition)時，GaN元件的源極和低壓矽MOSFET的汲極之間的瞬間高壓約比GaN元件的臨界電壓(Vt)要大兩倍以上，因此這樣的高壓可能因為寄生效應而損壞元件。
再者，如果GaN元件的源極和低壓矽MOSFET的汲極之間的電壓被加到高壓，則在系統進行開/關轉換時，還可能會發生GaN元件的閘極和低壓矽MOSFET的閘極的損壞以及低壓矽MOSFET的汲極接面的損壞。
本發明提供一種半導體裝置，能避免開型GaN元件和低壓矽場效電晶體的閘極以及低壓矽場效電晶體的汲極接面的損壞。
本發明另提供一種半導體裝置，可降低寄生效應並且避免半導體裝置因過高的電壓而損壞。
本發明的半導體裝置，包括一基板、常開型GaN元件、低壓矽場效電晶體以及金屬閘極MOSFET。常開型GaN元件與金屬閘極MOSFET都形成於所述基板上，低壓矽場效電晶體則耦接至所述常開型GaN元件，其中所述金屬閘極MOSFET的金屬閘極與源極耦接至所述低壓矽場效電晶體，且所述金屬閘極MOSFET的汲極耦接至所述常開型GaN元件。
在本發明的一實施例中，上述金屬閘極MOSFET的源極與金屬閘極耦接至上述低壓矽場效電晶體的源極。
在本發明的一實施例中，上述金屬閘極MOSFET的汲極耦接至上述常開型GaN元件的源極。
在本發明的一實施例中，上述低壓矽場效電晶體的汲極耦接至所述常開型GaN元件的源極。
本發明的另一半導體裝置，包括一基板、常開型GaN元件以及金屬閘極MOSFET。常開型GaN元件與金屬閘極MOSFET都形成於所述基板上，其中所述常開型GaN元件包括源極、汲極與閘極。所述金屬閘極MOSFET的金屬閘極耦接至一控制端，所述金屬閘極MOSFET的源極與所述基板接觸並耦接至常開型GaN
元件的所述閘極，且所述金屬閘極MOSFET的汲極與所述基板接觸並耦接至常開型GaN元件的所述源極。
在本發明的另一實施例中，上述金屬閘極MOSFET與上述常開型GaN元件具有相同的接地(GND)電位。
在本發明的各個實施例中，上述金屬閘極MOSFET還可包括多個第一導電型摻雜區以及第二導電型摻雜區。第一導電型摻雜區分別形成於金屬閘極MOSFET的所述金屬閘極兩側的基板內。第二導電型摻雜區則形成於金屬閘極MOSFET的所述源極下方的基板內並且與所述金屬閘極之間以上述第一導電型摻雜區隔開。
在本發明的各個實施例中，上述常開型GaN元件包括形成於所述基板的表面的緩衝層、形成於所述緩衝層上的通道層、形成於所述通道層上的障壁層、穿過所述障壁層與所述通道層接觸的上述源極與上述汲極、形成於所述障壁層上的上述閘極。
基於上述，在本發明的半導體裝置中，於常開型GaN元件與低壓矽場效電晶體的疊接電路中另外增設一個金屬閘極MOSFET作為箝制二極體(Clamp diode)，因此可抑制電壓不必要的升高，以便在系統進行開/關轉換時，避免開型GaN元件和低壓矽場效電晶體的閘極的損壞以及避免低壓矽場效電晶體的汲極接面的損壞。另外，若是將金屬閘極MOSFET取代低壓矽場效電晶體，則因為這個金屬閘極MOSFET是與常開型GaN元件形成在同一基板上，所以不但能因為兩者連線距離短而大幅降低寄生效
應，還可通過金屬閘極MOSFET與常開型GaN元件之間相同的接地(GND)電位，而使常開型GaN元件的源極與金屬閘極MOSFET的汲極之間的電壓下降至接近常開型GaN元件的臨界電壓(Vt)的絕對值，進而避免半導體裝置的損壞。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100:基板
110:常開型GaN元件
112:緩衝層
114:通道層
116:障壁層
118:頂蓋層
120:低壓矽場效電晶體
130:金屬閘極MOSFET
132:第一導電型摻雜區
134:第二導電型摻雜區
136:閘極絕緣層
2DEG:二維電子氣
D1、D2、D3:汲極
G1、G2:閘極
MG:金屬閘極
S1、S2、S3:源極
圖1是依照本發明的第一實施例的一種半導體裝置的剖面示意圖。
圖2是圖1的半導體裝置的等效電路圖。
圖3是依照本發明的第二實施例的一種半導體裝置的剖面示意圖。
圖4是圖3的半導體裝置的等效電路圖。
以下實施例中所附的圖式是為了能更完整地描述本發明的實施例，然而本發明仍可使用許多不同的形式來實施，不限於所記載的實施例。此外，為了清楚起見，各個區域或膜層的相對厚度、距離及位置可能縮小或放大。另外，在圖式中使用相似或相同的元件符號表示相似或相同的部位或特徵的存在。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種半導體裝置的剖面示意圖。
請參照圖1，本實施例的半導體裝置包括基板100、常開型GaN元件110、低壓矽(LP Si)場效電晶體120以及金屬閘極MOSFET(金氧半場效電晶體)130。常開型GaN元件110形成於基板100上，金屬閘極MOSFET 130形成於同一基板100上。低壓矽場效電晶體120則耦接至常開型GaN元件110，以構成一個疊接的GaN電路半導體裝置，使常開型GaN元件110通過低壓矽場效電晶體120控制成為常關型元件(或稱E-mode元件)，其線路連接例如通過封裝技術將低壓矽場效電晶體120的汲極D2耦接至常開型GaN元件110的源極S1，閘極G2則可連至一閘極驅動器(未示出)。在本實施例中，金屬閘極MOSFET 130的金屬閘極MG與源極S3耦接至低壓矽場效電晶體120，如耦接至低壓矽場效電晶體120的源極S2；金屬閘極MOSFET 130的汲極D3則耦接至常開型GaN元件110，如耦接至常開型GaN元件110的源極S1。因此，金屬閘極MOSFET 130可作為箝制二極體(Clamp diode)，在系統進行開/關轉換(turn-on/turn-off transition)時，防止由低壓矽場效電晶體120的汲極D2傳送至常開型GaN元件110的源極S1的電壓持續上升到雪崩電壓。
在圖1中，常開型GaN元件110包括形成於基板100的表面的緩衝層112、形成於緩衝層112上的通道層114、形成於通道層114上的障壁層116、穿過障壁層116與通道層114接觸的源
極S1與汲極D1以及形成於障壁層116上的閘極G1。緩衝層112可減緩後續形成於緩衝層112上方的通道層114的應變，並具有防止缺陷形成於通道層114的效果，緩衝層112的材料可列舉但不限於氮化鋁、氮化鎵、氮化鎵鋁或前述之組合。通道層114可以是由未摻雜的氮化鎵(GaN)所形成。障壁層116的材料是未摻雜的III-V族半導體材料，可列舉但不限於氮化鎵鋁或者其他適當的III-V族材料。通道層114與障壁層116為異質材料，以於通道層114與障壁層116之間形成一異質界面，藉由異質材料的能隙差(band gap)，可使二維電子氣(two-dimensional electron gas)2DEG形成於此異質界面上。此外，在障壁層116上可成長頂蓋層118保護下方膜層，其中障壁層116的材料例如氮化矽或者其他適當的材料。常開型GaN元件110中的各層均可利用磊晶製程形成磊晶結構，其中磊晶製程例如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)、分子束磊晶法(MBE)或前述方法之組合。
在圖1中，金屬閘極MOSFET 130還可包括數個第一導電型摻雜區132與第二導電型摻雜區134。第一導電型摻雜區132分別形成於金屬閘極MOSFET 130的金屬閘極MG兩側的基板100內，而第二導電型摻雜區134形成於金屬閘極MOSFET 130的源極S3下方的基板100內並且與金屬閘極MG之間以第一導電型摻雜區132隔開。也就是說，源極S3底下有兩個不同導電型的摻雜區與其接觸。在一實施例中，第一導電型摻雜區132是N+型摻雜區、第二導電型摻雜區134是P+型摻雜區；在另一實施例中，第
一導電型摻雜區132是P+型摻雜區、第二導電型摻雜區134是N+型摻雜區。而在金屬閘極MG與基板100之間設有閘極絕緣層136。至於金屬閘極MOSFET 130的製作方式例如但不限於，在前述常開型GaN元件110的磊晶結構形成後以及在電極(源極S1、汲極D1、閘極G1)形成前，先移除預定形成金屬閘極MOSFET 130的區域內的磊晶結構，再利用離子植入等方式於部分基板100內形成第一導電型摻雜區132與第二導電型摻雜區134，接續形成常開型GaN元件110的源極S1與汲極D1，然後常開型GaN元件110的閘極G1可與金屬閘極MOSFET 130的源極S3、汲極D3以及金屬閘極MG一同形成，且形成金屬閘極MG之前通常有閘極絕緣層136的形成步驟。前述步驟可包括沉積、微影、蝕刻等製程，但本發明並不限於此。
圖2是圖1的半導體裝置的等效電路圖。由於金屬閘極MOSFET 130的金屬閘極MG與源極S3耦接至低壓矽場效電晶體120的源極S2，所以可避免疊接電路(Cascode circuit)的雪崩崩潰(avalanche breakdown)，進而保護常開型GaN元件110。
圖3是依照本發明的第二實施例的一種半導體裝置的剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同或近似的部分與構件，且相同或近似的部分與構件的相關內容也可參照第一實施例的內容，不再贅述。
請參照圖3，本實施例的半導體裝置包括基板100、常開型GaN元件110以及金屬閘極MOSFET 130。常開型GaN元件110
與金屬閘極MOSFET 130形成於同一基板100上。所述金屬閘極MOSFET 130的金屬閘極耦MG接至一控制端，金屬閘極MOSFET 130的源極S3與基板100接觸並耦接至常開型GaN元件110的閘極G1，且金屬閘極MOSFET 130的汲極D3與基板100接觸並耦接至常開型GaN元件110的源極S1。至於常開型GaN元件110的詳細結構與金屬閘極MOSFET 130的詳細結構均可參照第一實施例所述，於此不再贅述。
也就是說，第二實施例是用金屬閘極MOSFET 130取代第一實施例中的低壓矽場效電晶體，而與常開型GaN元件110組成疊接電路，請對照圖4的等效電路。因為金屬閘極MOSFET 130是與常開型GaN元件110是形成在同一基板100上，所以不但能因為兩者連線(wire connection)距離大幅縮短而能降低寄生效應，還可通過金屬閘極MOSFET 130與常開型GaN元件110之間相同的接地(GND)電位，而使常開型GaN元件110的源極S1與金屬閘極MOSFET 130的汲極D3之間的電壓下降至接近常開型GaN元件110的臨界電壓(Vt)的絕對值，進而避免半導體裝置的損壞。
綜上所述，本發明通過特定的元件設計，在常開型電晶體的疊接電路中增加金屬閘極MOSFET作為箝制二極體，或是直接使用同一基板上的金屬閘極MOSFET取代低壓矽場效電晶體，以便在系統進行開/關轉換時，防止半導體裝置的損壞。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本
發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:基板
110:常開型GaN元件
112:緩衝層
114:通道層
116:障壁層
118:頂蓋層
120:低壓矽場效電晶體
130:金屬閘極MOSFET
132:第一導電型摻雜區
134:第二導電型摻雜區
136:閘極絕緣層
2DEG:二維電子氣
D1、D2、D3:汲極
G1、G2:閘極
MG:金屬閘極
S1、S2、S3:源極
Claims (10)
- 一種半導體裝置，包括： 一基板； 常開型GaN元件，形成於所述基板上； 低壓矽場效電晶體，耦接至所述常開型GaN元件；以及 金屬閘極MOSFET，形成所述基板上，其中所述金屬閘極MOSFET的金屬閘極與源極耦接至所述低壓矽場效電晶體，且所述金屬閘極MOSFET的汲極耦接至所述常開型GaN元件。
- 如請求項1所述的半導體裝置，其中所述金屬閘極MOSFET的所述源極與所述金屬閘極耦接至所述低壓矽場效電晶體的源極。
- 如請求項1所述的半導體裝置，其中所述金屬閘極MOSFET的所述汲極耦接至所述常開型GaN元件的源極。
- 如請求項1所述的半導體裝置，其中所述金屬閘極MOSFET更包括： 多數個第一導電型摻雜區，分別形成於所述金屬閘極MOSFET的所述金屬閘極兩側的所述基板內；以及 第二導電型摻雜區，形成於所述金屬閘極MOSFET的所述源極下方的所述基板內並且與所述金屬閘極MOSFET的所述金屬閘極之間以所述第一導電型摻雜區隔開。
- 如請求項1所述的半導體裝置，其中所述低壓矽場效電晶體的汲極耦接至所述常開型GaN元件的源極。
- 如請求項1所述的半導體裝置，其中所述常開型GaN元件包括： 緩衝層，形成於所述基板的表面； 通道層，形成於所述緩衝層上； 障壁層，形成於所述通道層上； 源極與汲極，穿過所述障壁層與所述通道層接觸；以及 閘極，形成於所述障壁層上。
- 一種半導體裝置，包括： 一基板； 常開型GaN元件，形成於所述基板上，其中所述常開型GaN元件包括源極、汲極與閘極；以及 金屬閘極MOSFET，形成所述基板上，其中所述金屬閘極MOSFET的金屬閘極耦接至一控制端，所述金屬閘極MOSFET的源極與所述基板接觸並耦接至所述常開型GaN元件的所述閘極，且所述金屬閘極MOSFET的汲極與所述基板接觸並耦接至所述常開型GaN元件的所述源極。
- 如請求項7所述的半導體裝置，其中所述金屬閘極MOSFET與所述常開型GaN元件具有相同的接地（GND）電位。
- 如請求項7所述的半導體裝置，其中所述金屬閘極MOSFET更包括： 多數個第一導電型摻雜區，分別形成於所述金屬閘極MOSFET的所述金屬閘極兩側的所述基板內；以及 第二導電型摻雜區，形成於所述金屬閘極MOSFET的所述源極下方的所述基板內並且與所述金屬閘極MOSFET的所述金屬閘極之間以所述第一導電型摻雜區隔開。
- 如請求項7所述的半導體裝置，其中所述常開型GaN元件包括： 緩衝層，形成於所述基板的表面； 通道層，形成於所述緩衝層上； 障壁層，形成於所述通道層上； 所述源極與所述汲極，穿過所述障壁層與所述通道層接觸；以及 所述閘極，形成於所述障壁層上。
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2021
- 2021-06-02 TW TW110120094A patent/TWI765731B/zh active
- 2021-06-29 CN CN202110727221.9A patent/CN115440725A/zh active Pending
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