TWI838872B - 用於電池管理的氮化物基雙向開關裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於與電池保護控制器一起工作的氮化物基雙向開關裝置，所述電池保護控制器具有功率輸入端子、放電過流保護(DO)端子、充電過流保護(CO)端子、電壓監測(VM)端子和接地端子。所述氮化物基雙向開關裝置包括氮化物基雙向開關元件和適配模組，所述適配模組配置成從所述電池保護控制器接收DO信號和CO信號並產生用於控制所述雙向開關元件的主控制信號。通過實施所述適配模組，所述氮化物基雙向開關元件可與常規的電池保護控制器配合進行電池充電和放電管理。因此，氮化物基電池管理系統可實現有更高的操作頻率以及更緊湊的尺寸。

Description

用於電池管理的氮化物基雙向開關裝置及其製造方法
本發明一般涉及氮基半導體器件。更具體地說，本發明涉及一種氮基雙向開關器件，其包括雙閘極電晶體，以便使其達到適合與電池保護控制器一起運作的狀態。
對於高功率密度電池的充電和放電，需要進行電池管理，以監測電池狀態，確保運行安全。傳統的電池管理系統配備有電池保護控制器和電子開關(通常為矽MOSFET)，用於在可能導致危險反應的關鍵條件下斷開電池與充電器或負載的連接，並防止電池單元的損壞和電池故障。
氮化物基裝置，如氮化鎵(GaN)基裝置，由於其低功耗和快速的開關轉換，在高頻電能轉換系統中得到了廣泛的應用。與矽(Si)金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)相比，GaN高電子遷移率電晶體(HEMT)在大功率和高頻應用中具有更好的優值和更具前景的性能。因此，希望具有氮化物基電池管理系統，其可用於高頻應用並且具有更緊湊的尺寸。更確切地說，需要 氮化物基雙向開關裝置，其可與常規電池保護控制器配合進行電池充電和放電管理。
根據本發明的一個方面，提供一種用於與電池保護控制器一起工作的氮化物基雙向開關裝置，所述電池保護控制器具有功率輸入端子、放電過流保護(DO)端子、充電過流保護(CO)端子、電壓監測(VM)端子和接地端子。所述氮化物基雙向開關裝置包括氮化物基雙向開關元件和適配模組，所述適配模組配置成從所述電池保護控制器接收DO信號和CO信號並產生用於控制所述雙向開關元件的主控制信號。通過實施所述適配模組，所述氮化物基雙向開關元件可與常規的電池保護控制器配合進行電池充電和放電管理。因此，氮化物基電池管理系統可實現有更高的操作頻率以及更緊湊的尺寸。
根據本發明的另一方面，所述氮化物基雙向開關裝置進一步包括基板電位管理模組，其配置成管理所述雙向開關元件的主基板的電位。通過實施所述基板電位管理電路，不論所述雙向開關裝置的操作方向如何，所述雙向開關元件的基板電位基本上等於其傳導端子的電位中的較低電位。因此，所述雙向開關裝置可在穩定的基板電位下操作，以便進行雙向電流傳導。
1:電池管理系統
10:電池保護控制器
12:電池
14:充電器
16:負載
18:RC電路
100:氮化物基雙向開關裝置
100A-100F:電路
102:基板
104:氮化物基半導體層
106:氮化物基半導體層
110:閘極結構
111:毯覆式p型摻雜III-V化合物半導體層
112:閘極半導體層
113:毯覆式閘極金屬層
114:閘極金屬層
115:毯覆式導電層
116:S/D電極
124:鈍化層
126:鈍化層
128:鈍化層
132:導電通孔
136:導電通孔
141:沉積毯覆式導電層
142:導電線
145:毯覆式導電層
146:導電線
154:保護層
160:S/D區
162:鎵穿孔
170:導電襯墊
180:電阻結構
200A-200F:適配模組
300C-300F:基板電位管理模組
A:互連節點
B:互連節點
B+:正端子
B-:負端子
CO:充電過流保護節點
Ctrl1:第一控制端子
Ctrl2:第二控制端子
Cdct1:第一傳導端子
Cdct2:第二傳導端子
D1:電壓鉗位元元件
D2:電壓鉗位元元件
D3:電壓鉗位元元件
D4:電壓鉗位元元件
D5:電壓鉗位元元件
D6:電壓鉗位元元件
D7:電壓鉗位元元件
DO:放電過流保護節點
I C :充電電流
I D :放電電流
P+:正介接埠
P-:負介接埠
R1:電阻元件
R2:電阻元件
RVM:電壓監測電阻器
S1:輔助開關元件
S2:輔助開關元件
S3:輔助開關元件
S4:輔助開關元件
Sm:主開關元件
SUB:主基板
Vcc:功率輸入節點
Vss:接地節點
VM:電壓監測端子
參考附圖，根據以下詳細描述可以很容易理解本公開的各方面。圖示不一定按比例繪製。也就是說，為了清楚地論述，各個特徵的尺 寸可以任意增大或減小。由於製造工藝和公差，本公開中的工藝再現和實際設備之間可能存在區別。可貫穿附圖和詳細描述使用共同的附圖標記來指示相同或類似元件。
圖1A和1B是根據本公開的一些實施例的分別處於充電操作和放電操作的電池管理系統1的電路圖；圖2是根據本發明的一個實施例的雙向開關裝置的示例性電路的電路圖；圖3是根據本發明的另一實施例的雙向開關裝置的示例性電路的電路圖；圖4是根據本發明的另一實施例的雙向開關裝置的示例性電路的電路圖；圖5是根據本發明的另一實施例的雙向開關裝置的示例性電路的電路圖；圖6是根據本發明的另一實施例的雙向開關裝置的示例性電路的電路圖；圖7是根據本發明的另一實施例的雙向開關裝置的示例性電路的電路圖；圖8示出用於形成電壓鉗位元元件的每一個二極體如何替換為氮化物基電晶體；圖9A-9B示出與圖2所示的電路集成的氮化物基IC晶片的橫截面；圖10A-10B示出與圖3所示的電路集成的氮化物基IC晶片的橫截面；圖11示出與圖4所示的電路集成的氮化物基IC晶片的橫截面；圖12示出與圖5所示的電路集成的氮化物基IC晶片的橫截面； 圖13示出與圖6所示的電路集成的氮化物基IC晶片的橫截面；圖14示出與圖7所示的電路集成的氮化物基IC晶片的橫截面；圖15A-15E示出根據本發明的各種實施例的在氮化物基IC晶片中形成的電阻結構；圖16A-16J示出根據本發明的各種實施例的氮化物基IC晶片製造方法的不同階段；圖17A-17E示出根據本發明的各種實施例的形成電阻結構的步驟；且圖18示出根據本發明的各種實施例的形成鎵穿孔(TGV)的步驟。
在以下描述中，本公開的優選實例將結合附圖闡述為實施例。描述和附圖將被視為具說明性的而不是具限制性的。特定細節會被省略，以免使本公開晦澀；但是，本公開的編寫是為了使本領域技術人員能夠在不進行過度實驗的情況下實踐本文中的教示。
圖1A和1B是根據本公開的一些實施例的電池管理系統1分別處於充電操作和放電操作的電路圖。如圖所示，電池管理系統1可包含電池保護控制器10、配置成與電池保護控制器10一起工作的氮化物基雙向開關裝置100、配置成與負載16和/或充電器14耦合的一對正負介接埠P+、P-，以及要通過從充電器14(如圖1A中所示)接收電力來充電或通過向負載16(如圖1B中所示)供應電力來放電的電池12。
電池保護控制器10可具有電耦合到電池12的正端子B+的功率輸入節點Vcc和電耦合到電池12的負端子B-的接地節點Vss。任選地，可在電 池12和電池保護控制器10之間實施RC電路18。
電池保護控制器10可進一步具有電壓監測節點，其通過電壓監測電阻器RVM電耦合到負介接埠P-以便接收用於過流檢測的監測信號。
電池保護控制器10可進一步具有充電過流保護節點CO和放電過流保護節點DO，用於提供控制氮化物基雙向開關裝置100分別在充電和放電操作期間進行過流保護的控制信號。
具體地說，氮化物基雙向開關裝置100可包括配置成電連接到控制器的DO節點的第一控制端子Ctrl1和配置成電連接到控制器的CO節點的第二控制端子Ctrl2。氮化物基雙向開關裝置100可進一步包括配置成電連接到控制器的接地節點Vss(和電池12的負端子)的第一傳導端子Cdct1和配置成電連接到負介接埠P-的第二傳導端子Cdct2。
參考圖1A。在充電操作期間，充電電流I C 從充電器14傳導到電池12，並通過雙向開關裝置100從傳導端子Cdct1流動到傳導端子Cdct2。當檢測到過流時，電池保護控制器10在充電過流保護節點CO處產生控制信號，用於控制氮化物基雙向開關裝置100斷開電池12與充電器14的連接。
參考圖1B。在放電操作期間，放電電流I D 從電池12傳導到負載16，並且通過雙向開關裝置100從傳導端子Cdct2流動到傳導端子Cdct1。當檢測到過流時，電池保護控制器10在放電過流保護節點DO處產生控制信號，用於控制氮化物基雙向開關裝置100斷開電池12與負載16的連接。
圖2-7是根據本發明的各種實施例的雙向開關裝置100的各個示例性電路100A-100F的電路圖。如圖2-7中所示，雙向開關裝置100大體上可包括主開關元件Sm和適配模組200A-F，所述適配模組配置成分別從控制端子Ctrl1 和控制端子Ctrl2接收DO信號和CO信號並產生用於控制主開關元件Sm的主控制信號。
主開關元件Sm可具有電連接到適配模組200A-F的控制電極、連接到傳導端子Cdct1的第一傳導電極和連接到傳導端子Cdct2的第二傳導電極。主開關元件Sm可以是氮化物基電晶體，其閘極充當主開關元件Sm的控制電極，汲極充當主開關元件Sm的第一傳導電極，且源極充當主開關元件Sm的第二傳導電極。優選地，氮化物基電晶體是AlGaN/GaN增強型(E型)高電子遷移率電晶體(HEMT)。
在充電和放電的正常操作期間，高電平電壓施加到控制端子Ctrl1，且高電平電壓施加到控制端子Ctrl2，主開關元件Sm接通，使得電流能夠在傳導端子Cdct1和Ccdt 2之間在兩個方向上流動。
當在放電操作期間檢測到過流時，低電平電壓施加到控制端子Ctrl1，且高電平電壓施加到控制端子Ctrl2，主開關元件Sm斷開，以斷開電池與負載的連接，以便保護電池不過度放電或短路。
當在充電操作期間檢測到過流時，高電平施加到控制端子Ctrl1，且低電平電壓施加到控制端子Ctrl2，主開關元件Sm斷開，以斷開電池與充電器的連接，以便保護電池不過度充電。
參考圖2、4和6。適配模組200A、200C和200E可包括電壓鉗位元元件D1、電壓鉗位元元件D2、輔助開關元件S1、輔助開關元件S2和電阻元件R1。
電壓鉗位元元件D1可具有電連接到控制端子Ctrl1的正電極和電連接到互連節點A的負電極。電壓鉗位元元件D2可具有電連接到第二控制端 子Ctrl2的正電極和電連接到互連節點A的負電極。
輔助開關元件S1可具有電連接到控制端子Ctrl1的控制電極、連接到互連節點A的第一傳導電極和連接到互連節點B的第二傳導電極。輔助開關元件S2可具有電連接到第二控制端子Ctrl2的控制電極、連接到互連節點B的第一傳導電極和連接到主開關元件Sm的控制電極的第二傳導電極。
電阻元件R1可具有電連接到主開關元件Sm的控制電極的第一電極和電連接到傳導端子Cdct1的第二電極。
電壓鉗位元元件D1、D2配置成分別將主開關元件Sm與控制端子Ctrl1和Ctrl2隔離，以便在正常操作下當控制端子Ctrl1和Ctrl2處的電壓電平不相同時，保護主開關元件Sm不會因為短路而損壞。
電壓鉗位元元件D1、D2可選擇為具有合適的正向電壓，用於將施加到主開關元件Sm的控制電極的電壓鉗位元到所需要的電平，以便確保主開關元件Sm可以正常操作。一般來說，電壓鉗位元元件D1和D2可具有基本上相同的正向電壓VF1和VF2。
輔助開關元件S1和S2配置成將分別從控制端子Ctrl1和Ctrl2接收的控制信號轉換為主控制信號中以控制主開關元件Sm。
在充電和放電的正常操作期間，電池保護控制器10可在DO和CO兩個節點處產生高電平電壓信號(例如，10V)。也就是說，高電平電壓VCtrl1_P(10V)施加到控制端子Ctrl1，且高電平電壓VCtrl2_P(10V)施加到控制端子Ctrl2。電壓鉗位元元件D1和D2均正向偏置。輔助開關元件S1和S2均接通。因此，主開關元件Sm的控制電極處的電壓被上拉到等於VCtrl1_P-VF1(或VCtrl2_P-VF2)的高電平電壓。然後，主開關元件Sm接通，使得充電/放電電流能夠在傳導端子Cdct1 和Ccdt 2之間流動。
當在放電操作期間檢測到過流或者電池12完全放電時，電池保護控制器10可在DO節點處產生低電平電壓信號(例如，0V)，並在CO節點處產生高電平電壓信號(例如，10V)。也就是說，低電平電壓VCtrl1_L(0V)施加到控制端子Ctrl1，且高電平電壓VCtrl2_P(10V)施加到控制端子Ctrl2。電壓鉗位元元件D1反向偏置，電壓鉗位元元件D2正向偏置。輔助開關元件S1斷開，輔助開關元件S2接通。因此，主開關元件Sm的控制電極處的電壓通過電阻元件R1下拉到連接到電池12的負端子B-的傳導端子Cdct1的電壓電平(即，接地電位=0V)。然後，主開關元件Sm斷開，以斷開電池12與負載16的連接，以便可以保護電池不過度放電或發生過流。
當在充電操作期間檢測到過流或者電池12充滿電時，電池保護控制器10可在DO節點處產生高電平電壓信號(例如，10V)，並在CO節點處產生低電平電壓信號(例如，-10V)，使得高電平電壓VCtrl1_P(10V)施加到控制端子Ctrl1，且低電平電壓VCtrl2_N(-10V)施加到控制端子Ctrl2。電壓鉗位元元件D1正向偏置，電壓鉗位元元件D2反向偏置。輔助開關元件S1接通，輔助開關元件S2斷開。因此，主開關元件Sm的控制電極處的電壓被下拉到連接到電池12的負端子B-的傳導端子Cdct1的電壓電平(即，接地電位=0V)。然後，主開關元件Sm斷開，以斷開電池12與充電器14的連接，以便可以保護電池不過度充電或發生過流。
參考圖3、5和7，適配模組200B、200D和200F分別類似於適配模組200A、200C和200E，但適配模組200B、200D和200F進一步包括電壓鉗位元元件D3，其具有電連接到主開關元件Sm的控制電極的正電極和電連接到 控制端子Ctrl2的負電極。一般來說，電壓鉗位元元件D3可具有與正向電壓VF1和VF2基本上相同的正向電壓VF3。
在充電和放電的正常操作期間，電池保護控制器10可在DO和CO兩個節點處產生高電平電壓信號(例如，10V)。也就是說，高電平電壓VCtrl1_P(10V)施加到控制端子Ctrl1，且高電平電壓VCtrl2_P(10V)施加到控制端子Ctrl2。電壓鉗位元元件D1、D2和D3都正向偏置。輔助開關元件S1和S2均接通。因此，主開關元件Sm的控制電極處的電壓被上拉到等於VCtrl1_P-VF1(或VCtrl2_P-VF2)的高電平電壓。然後，主開關元件Sm接通，使得充電/放電電流能夠在傳導端子Cdct1和Ccdt 2之間流動。
當在放電操作期間檢測到過流或者電池12完全放電時，電池保護控制器10可在DO節點處產生低電平電壓信號(例如，0V)，並在CO節點處產生高電平電壓信號(例如，10V)。也就是說，低電平電壓VCtrl1_L(0V)施加到控制端子Ctrl1，且高電平電壓VCtrl2_P(10V)施加到控制端子Ctrl2。電壓鉗位元元件D1和D3反向偏置，電壓鉗位元元件D2正向偏置。輔助開關元件S1斷開，輔助開關元件S2接通。因此，主開關元件Sm的控制電極處的電壓通過電阻元件R1下拉到連接到電池12的負端子B-的傳導端子Cdct1的電壓電平(即，0V)。然後，主開關元件Sm斷開，以斷開電池12與負載16的連接，以便可以保護電池不過度放電或發生過流。
當在充電操作期間檢測到過流或者電池12充滿電時，電池保護控制器10可在DO節點處產生高電平電壓信號(例如，10V)，並在CO節點處產生低電平電壓信號(例如，-10V)，使得高電平電壓VCtrl1_P(10V)施加到控制端子Ctrl1，且低電平電壓VCtrl2_N(-10V)施加到控制端子Ctrl2。電壓鉗位元元件 D1和D3正向偏置，電壓鉗位元元件D2反向偏置。輔助開關元件S1接通，輔助開關元件S2斷開。因此，主開關元件Sm的控制電極處的電壓被拉到等於VCtrl2_N+VF3的電壓電平。然後，主開關元件Sm斷開，以斷開電池12與充電器14的連接，以便可以保護電池不過度充電或發生過流。
在一些實施例中，適配模組200A-200F可進一步包含：電壓鉗位元元件D4(未示出)，其具有電連接到控制端子Ctrl1的正電極和電連接到輔助開關元件S1的控制電極的負電極；以及電壓鉗位元元件D5(未示出)，其具有電連接到控制端子Ctrl2的正電極和電連接到輔助開關元件S2的控制電極的負電極。
如圖4-7中所示，雙向開關裝置100可進一步包括基板電位管理模組300C-F，其配置成管理主開關元件Sm的主基板SUB的電位，使其基本上等於第一和第二傳導端子Cdct1和Cdct2的電位中的較低電位。
在充電和放電的正常操作期間，高電平電壓施加到控制端子Ctrl1，且高電平電壓施加到控制端子Ctrl2，基板電位管理模組300C-F可管理主基板SUB的電位，使其基本上等於接地電位。
當在放電操作期間檢測到過流時，低電平電壓施加到控制端子Ctrl1，且高電平電壓施加到控制端子Ctrl2，基板電位管理模組300C-F可管理主基板SUB的電位，使其基本上等於接地電位。
當在充電操作期間檢測到過流時，高電平電壓施加到控制端子Ctrl1，且低電平電壓施加到控制端子Ctrl2，基板電位管理模組300C-F可管理主基板SUB的電位，使其基本上等於第二傳導端子Cdct2的電位。
參考圖4和5。基板電位管理模組300C/300D可包括輔助開關元 件S3和輔助開關元件S4。
輔助開關元件S3可具有電連接到控制端子Ctrl2的控制電極、電連接到傳導端子Cdct1的第一傳導電極、和電連接到主開關元件Sm的主基板SUB的第二傳導電極。輔助開關元件S4可具有電連接到控制端子Ctrl1的控制電極、電連接到傳導端子Cdct2的第一傳導電極、和電連接到主開關元件Sm的主基板SUB的第二傳導電極。
在充電和放電的正常操作期間，電池保護控制器10可在DO和CO兩個節點處產生高電平電壓信號(例如，10V)。也就是說，高電平電壓VCtrl1_P(即，10V)施加到控制端子Ctrl1，且高電平電壓VCtrl2_P(即，10V)施加到控制端子Ctrl2。輔助開關元件S3和S4均接通。基板電位Vsub由下式給出：Vsub=VCdct1+VCdct2*Rs3,on/(Rs3,on+Rs4,on)，其中VCdct1和VCdct2分別是傳導端子Cdct1和Cdct2處的電壓電位，Rs3,on和Rs4,on分別是輔助開關元件S3和S4的導通電阻。VCdct1等於接地電位(即，0V)。主開關元件接通。VCdct2等於主開關元件Sm的導通狀態汲極-源極電壓Vm,on。因為Vm,on極小，所以Vsub基本上等於與接地電位(即，0V)相等的VCdct1。
當在放電操作期間檢測到過流或者電池12完全放電時，電池保護控制器10可在DO節點處產生低電平電壓信號(例如，0V)，並在CO節點處產生高電平電壓信號(例如，10V)。也就是說，低電平電壓VCtrl1_L(即，0V)施加到控制端子Ctrl1，且高電平電壓VCtrl2_P(即，10V)施加到控制端子Ctrl2。輔助開關元件S3接通，輔助開關元件S4斷開。基板電位Vsub由下式給出：Vsub=VCdct1+VCdct2*Rs3,on/(Rs3,on+Rs4,off)，其中Rs4,off是S4的斷開電阻。VCdct1等於接地電位(0V)。主開關元件Sm斷開。VCdct2高於VCdct1，差等於主開關元件Sm的斷開 狀態汲極-源極電壓Vm,off。也就是說，VCdct2=VCdct1+Vm,off=Vm,off。因為Rs4,off比Rs3,on大得多，所以基板電位Vsub基本上等於與接地電位(即，0V)相等的VCdct1。
當在充電操作期間檢測到過流或者電池12充滿電時，電池保護控制器10可在DO節點處產生高電平電壓信號(例如，10V)，並在CO節點處產生低電平電壓信號(例如，-10V)，使得高電平電壓VCtrl1_P(即，10V)施加到控制端子Ctrl1，且低電平電壓VCtrl2_N(即，-10V)施加到控制端子Ctrl2。輔助開關元件S3斷開，輔助開關元件S4接通。基板電位Vsub由下式給出：Vsub=VCdct1+VCdct2*Rs3,off/(Rs3,off+Rs4,on)，其中Rs3,off是輔助開關元件S3的斷開電阻。VCdct1等於接地電位(0V)。主開關元件斷開。VCdct2低於VCdct1，差等於主開關元件Sm的斷開狀態汲極-源極電壓Vm,off。也就是說VCdct2=VCdct1-Vm,off=-Vm,off。因為Rs3,off比Rs4,on大得多，所以基板電位Vsub基本上等於與-Vm,off相等的VCdct2。
參考圖6和7，基板電位管理模組300E/300F分別類似於基板電位管理模組300C/300D，但基板電位管理模組300E/300F進一步包括電阻元件R2，其具有電連接到主開關元件Sm的主基板SUB的第一電極和電連接到傳導端子Cdct1的第二電極。
在充電和放電的正常操作期間，電池保護控制器10可在DO和CO兩個節點處產生高電平電壓信號(例如，10V)。也就是說，高電平電壓VCtrl1_P(即，10V)施加到控制端子Ctrl1，且高電平電壓VCtrl2_P(即，10V)施加到控制端子Ctrl2。輔助開關元件S3和S4均接通。基板電位Vsub由下式給出：Vsub=VCdct1+VCdct2*Rs3,on/(Rs3,on+Rs4,on)。VCdct1等於接地電位(即，0V)。主開關元件接通。VCdct2等於主開關元件Sm的導通狀態汲極-源極電壓Vm,on。因為Vm,on極小，所以Vsub基本上等於與接地電位(即，0V)相等的VCdct1。
當在放電操作期間檢測到過流或者電池12完全放電時，電池保護控制器10可在DO節點處產生低電平電壓信號(例如，0V)，並在CO節點處產生高電平電壓信號(例如，10V)。也就是說，低電平電壓VCtrl1_L(即，0V)施加到控制端子Ctrl1，且高電平電壓VCtrl2_P(即，10V)施加到控制端子Ctrl2。輔助開關元件S3接通，輔助開關元件S4斷開。基板電位Vsub由下式給出：Vsub=VCdct1+VCdct2*Rcq,on/(Rcq,on+Rs4,off)，其中Rcq,on=R2*Rs3,on/(R2+Rs3,on)，其為並聯連接的R2和Rs3,on的等效電阻。VCdct1等於接地電位(0V)。主開關元件Sm斷開。VCdct2高於VCdct1，差等於主開關元件Sm的斷開狀態汲極-源極電壓Vm,off。也就是說，VCdct2=VCdct1+Vm,off=Vm,off。因為Rs4,off比Rcq,on大得多，所以基板電位Vsub基本上等於與接地電位(即，0V)相等的VCdct1。
替代地，當在放電操作期間檢測到過流或者電池12完全放電時，電池保護控制器10可在DO節點處產生低電平電壓信號(例如，0V)，並在CO節點處產生低電平電壓信號(例如，0V)。也就是說，低電平電壓VCtrl1_L(即，0V)施加到控制端子Ctrl1，且低電平電壓VCtrl2_P(即，0V)施加到控制端子Ctrl2。輔助開關元件S3和S4均斷開。基板電位Vsub由下式給出：Vsub=VCdct1+VCdct2*Rcq,off/(Rcq,off+Rs4,off)，其中Rcq,off=R2*Rs3,off/(R2+Rs3,off)，其為並聯連接的R2和Rs3,off的等效電阻。VCdct1等於接地電位(0V)。主開關元件Sm斷開。VCdct2高於VCdct1，差等於主開關元件Sm的斷開狀態汲極-源極電壓Vm,off。也就是說，VCdct2=VCdct1+Vm,off=Vm,off。因為Rs4,off類似於Rcq,off，所以基板電位Vsub基本上等於接地電位(即，0V)。
當在充電操作期間檢測到過流或者電池12充滿電時，電池保護控制器10可在DO節點處產生高電平電壓信號(例如，10V)，並在CO節點處 產生低電平電壓信號(例如，-10V)，使得高電平電壓VCtrl1_P(即，0V)施加到控制端子Ctrl1，且低電平電壓VCtrl2_N(即，-10V)施加到控制端子Ctrl2。輔助開關元件S3斷開，輔助開關元件S4接通。基板電位Vsub由下式給出：Vsub=VCdct1+VCdct2*Rcq,off/(Rcq,off+Rs4,on)。VCdct1等於接地電位(0V)。主開關元件斷開。VCdct2低於VCdct1，差等於主開關元件Sm的斷開狀態汲極-源極電壓Vm,off。也就是說VCdct2=VCdct1-Vm,off=-Vm,off。因為Rcq,off比Rs4,on大得多，基板電位Vsub基本上等於與-Vm,off相等的VCdct2。
在一些實施例中，基板電位管理模組300C-300F可進一步包含：電壓鉗位元元件D6(未示出)，其具有電連接到控制端子Ctrl2的正電極和電連接到輔助開關元件S3的控制電極的負電極；以及電壓鉗位元元件D7(未示出)，其具有電連接到控制端子Ctrl1的正電極和電連接到輔助開關元件S4的控制電極的負電極。
電壓鉗位元元件D1/D2/D3/D4/D5/D6/D7可包括二極體，其陽極充當電壓鉗位元元件D1/D2/D3/D4/D5/D6/D7的正電極，陰極充當電壓鉗位元元件D1/D2/D3/D4/D5/D6/D7的負電極。替代地，電壓鉗位元元件D1/D2/D3/D4/D5/D6/D7可包括串聯連接的多個二極體，二極體一端的陽極充當電壓鉗位元元件D1/D2/D3/D4/D5/D6/D7的正電極，二極體另一端的陰極充當電壓鉗位元元件D1/D2/D3/D4/D5/D6/D7的負電極。
如圖8中所示，用於形成電壓鉗位元元件D1/D2/D3/D4/D5/D6/D7的每個二極體可替換為電晶體，其閘極和源極連接在一起以充當二極體陽極，且其汲極配置成充當二極體陰極。電晶體可以是Si MOSFET或AlGaN/GaN高電子遷移率電晶體(HEMT)。
輔助開關元件S1/S2/S3/S4可以是電晶體，其閘極充當輔助開關元件S1/S2/S3/S4的控制電極，汲極充當輔助開關元件S1/S2/S3/S4的第一傳導電極，且源極充當輔助開關元件S1/S2/S3/S4的第二傳導電極。電晶體可以是Si MOSFET或AlGaN/GaN高電子遷移率電晶體(HEMT)。
電阻元件R1/R2可以是電阻器，其第一端子充當電阻元件R1/R2的第一電極，且第二端子充當電阻元件R1/R2的第二電極。
電阻器R1可被選擇為具有比輔助開關元件S1/S2的導通電阻高得多且比輔助開關元件S1/S2的斷開電阻低得多的電阻值。例如，電阻器R1可被選擇為具有在大致0.1Ω到大致1GΩ的範圍內的電阻值。
電阻器R2可被選擇為具有比輔助開關元件S3/S4的導通電阻高得多且比輔助開關元件S3/S4的斷開電阻低得多的電阻值。例如，電阻器R2可被選擇為具有在大致0.1Ω到大致1GΩ的範圍內的電阻值。
氮化物基雙向開關裝置100可集成到氮化物基積體電路(IC)晶片中。圖9A-9B和10A-10B示出了分別集成了電路100A和100B的氮化物基IC晶片的橫截面。為簡單起見，圖11和12示出了分別集成了分別基於電路100A和100B的電路100C和100D的氮化物基IC晶片的橫截面；且圖13和14示出了分別集成了分別基於電路100A和100B的電路100E和100F的氮化物基IC晶片的橫截面。
參考圖9A-9B。集成了電路100A的氮化物基IC晶片可包含基板102、第一氮化物基半導體層104、第二氮化物基半導體層106、閘極結構110、S/D電極116、第一鈍化層124、第二鈍化層126、第三鈍化層128、一個或多個第一導電通孔132、一個或多個第二導電通孔136、一個或多個第一導電線142、 一個或多個第二導電線146、保護層154、導電襯墊170和電阻結構180。
基板102可以是半導體基板。基板102的示例性材料可包含例如但不限於：Si、SiGe、SiC、砷化鎵、p摻雜Si、n摻雜Si、藍寶石、絕緣體上矽(SOI)等絕緣體上半導體或其它合適的半導體材料。在一些實施例中，基板102可包含例如但不限於：III族元素、IV族元素、V族元素或其組合(例如，III-V化合物)。在其它實施例中，基板102可包含例如但不限於一個或多個其它特徵，例如摻雜區、埋層、外延(epi)層或其組合。
氮化物基半導體層104安置在基板102之上。氮化物基半導體層104的示例性材料可包含例如但不限於氮化物或III-V族化合物，例如GaN、AlN、InN、InxAlyGa(1-x-y)N(其中x+y
Figure 111135112-A0305-02-0019-47
1)、AlyGa(1-y)N(其中y
Figure 111135112-A0305-02-0019-48
1)。氮化物基半導體層104的示例性結構可包含例如但不限於多層結構、超晶格結構和成分梯度結構。
氮化物基半導體層106安置在氮化物基半導體層104上。氮化物基半導體層106的示例性材料可包含例如但不限於：氮化物或III-V族化合物，例如GaN、AlN、InN、InxAlyGa(1-x-y)N(其中x+y
Figure 111135112-A0305-02-0019-49
1)、AlyGa(1-y)N(其中y
Figure 111135112-A0305-02-0019-50
1)。
選擇氮化物基半導體層104和106的示例性材料，使得氮化物基半導體層106的帶隙(即，禁帶寬度)大於氮化物基半導體層104的帶隙，這使它們的電子親和勢彼此不同並在其間形成異質結。例如，當氮化物基半導體層104是具有大致3.4eV的帶隙的未摻雜GaN層時，氮化物基半導體層106可選為具有大致4.0eV的帶隙的AlGaN層。因而，氮化物基半導體層104和106可分別用作通道層和勢壘層。在通道層和勢壘層之間的接合介面處產生三角阱勢，使得電子在三角阱勢中累積，由此產生與異質結相鄰的二維電子氣(2DEG)區。因此，氮化物基IC晶片可包含一個或多個GaN基高電子遷移率電晶體(HEMT)。
在一些實施例中，氮化物基IC晶片可進一步包含緩衝層、晶核層或其組合(未示出)。緩衝層可安置在基板102和氮化物基半導體層104之間。緩衝層可配置成減少基板102和氮化物基半導體層104之間的晶格和熱不匹配，由此解決由不匹配/差異造成的缺陷。緩衝層可包含III-V化合物。III-V化合物可包含例如但不限於鋁、鎵、銦、氮或其組合。因此，緩衝層的示例性材料可進一步包含例如但不限於GaN、AlN、AlGaN、InAlGaN或其組合。
晶核層可在基板102和緩衝層之間形成。晶核層可配置成提供過渡，以適應基板102和緩衝層的III族氮化物層之間的不匹配/差。晶核層的示例性材料可包含例如但不限於AlN或其合金中的任一種。
閘極結構110安置在第二氮化物基半導體層106上/之上/上方。閘極結構110中的每一個可包含任選的閘極半導體層112和閘極金屬層114。閘極半導體層112和閘極金屬層114堆疊在氮化物基半導體層106上。閘極半導體層112在氮化物基半導體層106和閘極金屬層114之間。閘極半導體層112和閘極金屬層114可形成肖特基勢壘。在一些實施例中，氮化物基IC晶片可進一步包含任選的在p型摻雜III-V化合物半導體層112和閘極金屬層114之間的介電層(未示出)。
形成氮化物基雙向開關裝置100的氮化物基電晶體可以是增強型裝置，其在閘極金屬層114處於大致零偏置時處於常關狀態。確切地說，閘極半導體層112可以是p型摻雜III-V化合物半導體層。p型摻雜III-V化合物半導體層112可與氮化物基半導體層106形成至少一個p-n結以耗盡2DEG區，使得2DEG區中對應於在對應閘極結構110下方的位置的至少一個區域與2DEG區的其餘部分具有不同特性(例如，不同電子濃度)，且因此被阻擋。由於這種機制， 雙向開關裝置100具有常關特性。換句話說，當沒有電壓施加到閘極金屬層114或施加到閘極金屬層114的電壓小於閾值電壓(即，在閘極結構110下方形成反轉層所需要的最小電壓)時，2DEG區的在閘極結構110下方的區域一直被阻擋，因此沒有電流從中流過。此外，通過提供p型摻雜III-V化合物半導體層112，閘極洩漏電流減少，且實現斷開狀態期間閾值電壓的增加。
在一些實施例中，p型摻雜III-V化合物半導體層112可以省略，使得雙向開關裝置100成為耗盡型裝置，這意味著電晶體在零閘極-源極電壓下處於常開狀態。
p型摻雜III-V化合物半導體層112的示例性材料可包含例如但不限於：p摻雜III-V族氮化物半導體材料，例如p型GaN、p型AlGaN、p型InN、p型AlInN、p型InGaN、p型AlInGaN或其組合。在一些實施例中，p摻雜材料可通過使用諸如Be、Mg、Zn、Cd和Mg之類的p型雜質來實現。
在一些實施例中，氮化物基半導體層104包含未摻雜GaN，氮化物基半導體層106包含AlGaN，p型摻雜III-V化合物半導體層112是可以使底層帶結構向上彎曲並耗盡2DEG區的對應區域以便使雙向開關裝置100處於斷開狀態的p型GaN。
在一些實施例中，閘極金屬層114可包含金屬或金屬化合物。閘極金屬層114可形成為具有相同或不同組成的單層或多層。金屬或金屬化合物的示例性材料可包含例如但不限於：W、Au、Pd、Ti、Ta、Co、Ni、Pt、Mo、TiN、TaN、Si、金屬合金或其化合物，或其它金屬化合物。在一些實施例中，閘極金屬層114的示例性材料可包含例如但不限於氮化物、氧化物、矽化物、摻雜半導體或其組合。
在一些實施例中，任選的介電層可由一層或更多層介電材料形成。示例性介電材料可包含例如但不限於一個或多個氧化層、SiOx層、SiNx層、高k介電材料(例如，HfO2、Al2O3、TiO2、HfZrO、Ta2O3、HfSiO4、ZrO2、ZrSiO2等)或其組合。
S/D電極116安置在氮化物基半導體層106上。“S/D”電極意指S/D電極116中的每一個都可用作源電極或漏電極，這取決於裝置設計。S/D電極116可位於對應閘極結構110的兩個相對側面，但是可以使用其它配置，特別是在裝置中採用多個源電極、漏電極或柵電極時。每個閘極結構110可佈置成使得每個閘極結構110位於S/D電極116中的至少兩個之間。閘極結構110和S/D電極116可共同充當具有2DEG區的至少一個氮化物基/GaN基HEMT。
在示例性圖示中，相鄰S/D電極116關於它們之間的閘極結構110對稱。在一些實施例中，相鄰S/D電極116可任選地關於它們之間的閘極結構110不對稱。也就是說，S/D電極116中的一個可比S/D電極116中的另一個更接近閘極結構110。
在一些實施例中，S/D電極116可包含例如但不限於：金屬、合金、摻雜半導體材料(例如摻雜結晶矽)、矽化物和氮化物等化合物、其它導體材料或其組合。S/D電極116的示例性材料可包含例如但不限於Ti、AlSi、TiN或其組合。S/D電極116可以是具有相同或不同組成的單層或多層。在一些實施例中，S/D電極116可與氮化物基半導體層106形成歐姆接觸。歐姆接觸可通過向S/D電極116施加Ti、Al或其它合適的材料來實現。在一些實施例中，S/D電極116中的每一個由至少一個共形層和導電填充物形成。共形層可包裹導電填充物。共形層的示例性材料例如但不限於Ti、Ta、TiN、Al、Au、AlSi、Ni、Pt或 其組合。導電填充物的示例性材料可包含例如但不限於AlSi、AlCu或其組合。
鈍化層124安置在氮化物基半導體層106之上。鈍化層124可出於保護目的或為了增強裝置的電特性(例如，通過在不同層/元件之間/當中提供電隔離效應)而形成。鈍化層124覆蓋氮化物基半導體層106的頂表面。鈍化層124可覆蓋閘極結構110。鈍化層124可至少覆蓋閘極結構110的兩個相對側壁。S/D電極116可穿透/通過鈍化層124以接觸氮化物基半導體層106。鈍化層124的示例性材料可包含例如但不限於：SiNx、SiOx、Si3N4、SiON、SiC、SiBN、SiCBN、氧化物、氮化物聚(2-乙基-2-惡唑啉)(PEOX)或其組合。在一些實施例中，鈍化層124可以是多層結構，例如Al2O3/SiN、Al2O3/SiO2、AlN/SiN、AlN/SiO2或其組合的複合介電層。
鈍化層126安置在鈍化層124和S/D電極116上方。鈍化層126覆蓋鈍化層124和S/D電極116。鈍化層126可用作平坦化層，其具有用於支撐其它層/元件的平坦頂表面。鈍化層126的示例性材料可包含例如但不限於：SiNx、SiOx、Si3N4、SiON、SiC、SiBN、SiCBN、氧化物、PEOX或其組合。在一些實施例中，鈍化層126是多層結構，例如Al2O3/SiN、Al2O3/SiO2、AlN/SiN、AlN/SiO2或其組合的複合介電層。
導電通孔132安置在鈍化層126和鈍化層124內。導電通孔132穿透鈍化層126和鈍化層124。導電通孔132縱向延伸以分別與閘極結構110和S/D電極116電耦合。導電通孔132的上表面不在鈍化層126覆蓋範圍內。導電通孔132的示例性材料可包含例如但不限於導電材料，例如金屬或合金。
導電線142安置在鈍化層126和導電通孔132上。導電線142與導電通孔132接觸。導電線142可通過對安置在鈍化層126和導電通孔132上的 導電層進行圖案化來形成。導電線142的示例性材料可包含例如但不限於導電材料。導電線142可包含具有以下的單層膜或多層膜：Ag、Al、Cu、Mo、Ni、其合金、其氧化物、其氮化物或其組合。
鈍化層128安置在鈍化層126和導電線142上方。鈍化層128覆蓋鈍化層126和導電線142。鈍化層128可用作平坦化層，其具有用於支撐其它層/元件的平坦頂表面。鈍化層128的示例性材料可包含例如但不限於：SiNx、SiOx、Si3N4、SiON、SiC、SiBN、SiCBN、氧化物、PEOX或其組合。在一些實施例中，鈍化層128是多層結構，例如Al2O3/SiN、Al2O3/SiO2、AlN/SiN、AlN/SiO2或其組合的複合介電層。
導電通孔136安置在鈍化層128內。導電通孔136穿透鈍化層128。導電通孔136縱向延伸以與導電線142電耦合。導電通孔136的上表面不在鈍化層136覆蓋範圍內。導電通孔136的示例性材料可包含例如但不限於導電材料，例如金屬或合金。
導電線146安置在鈍化層128和導電通孔136上。導電線146與導電通孔136接觸。導電線146可通過對安置在鈍化層128和導電通孔136上的導電層進行圖案化來形成。導電層的示例性材料可包含例如但不限於導電材料。導電層可包含具有以下的單層膜或多層膜：Ag、Al、Cu、Mo、Ni、其合金、其氧化物、其氮化物或其組合。
保護層154安置在鈍化層128和導電層上方。保護層154覆蓋鈍化層128和導電層。保護層154可防止導電層發生氧化。導電層的一些部分可通過保護層154中的開口暴露以形成導電襯墊170，所述導電襯墊配置成電連接到外部元件(例如，外部電路)。
導電襯墊170可包含一個或多個導電襯墊，分別充當第一控制端子Ctrl1、第二控制端子Ctrl2、第一傳導端子Cdct1和第二傳導端子Cdct2。
導電線142或146、導電通孔132或136可配置成電連接不同層/元件以形成主開關元件Sm和適配模組，所述適配模組包含電壓鉗位元元件D1、電壓鉗位元元件D2、輔助開關元件S1、輔助開關元件S2和電阻元件R1。
圖15A-15E示出根據本發明的各種實施例的形成電阻結構180的不同方式。參考圖15A，電阻結構180可通過對與第一和第二氮化物基半導體層之間的異質結介面相鄰的二維電子氣區(即，2DEG區)進行圖案化來形成。參考圖15B，電阻結構180可通過對閘極金屬層114進行圖案化來形成。參考圖15C，電阻結構180可通過對S/D電極層116進行圖案化來形成。參考圖15D，電阻結構180可通過對第一導電層進行圖案化來形成。參考圖15E，電阻結構180可通過對第二導電層進行圖案化來形成。
參考圖10A-10B，集成了電路100B的氮化物基IC晶片可具有類似於集成了電路100A的IC晶片的層狀結構。導電線142或146和導電通孔132或136可配置成電連接不同層/元件以形成主開關元件Sm和適配模組，所述適配模組包含電壓鉗位元元件D1、電壓鉗位元元件D2、電壓鉗位元元件D3、輔助開關元件S1、輔助開關元件S2和電阻元件R1。
參考圖11，集成了電路100C的氮化物基IC晶片可具有類似於集成了電路100A的IC晶片的層狀結構，但集成了電路100C的氮化物基IC晶片進一步包括一個或多個鎵穿孔(TGV)162。
TGV 162可形成為從第二導電層縱向延伸並穿透到基板102中。TGV 162的上表面沒有被第三鈍化層128所覆蓋。在一些實施例中，TGV 162可 形成為從第一導電層縱向延伸並穿透到基板102中。TGV 162的上表面沒有被第二鈍化層126覆蓋範圍內。TGV 162的示例性材料可包含例如但不限於導電材料，例如金屬或合金。
導電線142或146、導電通孔132或136和TGV 162可配置成電連接不同層/元件/導電線以形成：主開關元件Sm；適配模組，其包含電壓鉗位元元件D1、電壓鉗位元元件D2、輔助開關元件S1、輔助開關元件S2和電阻元件R1；以及基板電位管理模組，其包含輔助開關元件S3和輔助開關元件S4。
參考圖12，集成了電路100D的氮化物基IC晶片可具有類似於集成了電路100B的IC晶片的層狀結構，但集成了電路100D的氮化物基IC晶片進一步包括一個或多個鎵穿孔(TGV)162。導電線142或146、導電通孔132或136和TGV 162可配置成電連接不同層/元件以形成：主開關元件Sm；適配模組，其包含電壓鉗位元元件D1、電壓鉗位元元件D2、電壓鉗位元元件D3、輔助開關元件S1、輔助開關元件S2和電阻元件R1；以及基板電位管理模組，其包含輔助開關元件S3和輔助開關元件S4。
參考圖13，集成了電路100E的氮化物基IC晶片可具有類似於集成了電路100A的IC晶片的層狀結構，但集成了電路100E的氮化物基IC晶片進一步包括一個或多個鎵穿孔(TGV)162。導電線142或146、導電通孔132或136和TGV 162可配置成電連接不同層/元件以形成：主開關元件Sm；適配模組，其包含電壓鉗位元元件D1、電壓鉗位元元件D2、輔助開關元件S1、輔助開關元件S2和電阻元件R1；以及基板電位管理模組，其包含輔助開關元件S3、輔助開關元件S4和電阻元件R2。
參考圖14，集成了電路100F的氮化物基IC晶片可具有類似於 集成了電路100B的IC晶片的層狀結構，但集成了電路100F的氮化物基IC晶片進一步包括一個或多個鎵穿孔(TGV)162。導電線142或146、導電通孔132或136和TGV 162可配置成電連接不同層/元件以形成：主開關元件Sm；適配模組，其包含電壓鉗位元元件D1、電壓鉗位元元件D2、電壓鉗位元元件D3、輔助開關元件S1、輔助開關元件S2和電阻元件R1；以及基板電位管理模組，其包含輔助開關元件S3、輔助開關元件S4和電阻元件R2。
在16A-16J中示出並在下文描述用於製造與電路100A/100B集成的氮化物基IC晶片的方法的不同階段。在下文中，沉積技術可包含例如但不限於：原子層沉積(ALD)、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、金屬有機CVD(MOCVD)、等離子體增強CVD(PECVD)、低壓CVD(LPCVD)、等離子體輔助氣相沉積、外延生長或其它合適的工藝。用於形成充當平坦化層的鈍化層的工藝大體上包含化學機械拋光(CMP)工藝。用於形成導電通孔的工藝大體上包含在鈍化層中形成通孔並用導電材料填充通孔。用於形成導電線的工藝大體上包含光刻、暴露和顯影、蝕刻、其它合適的工藝或其組合。
參考圖16A，提供基板102。氮化物基半導體層104和106可通過使用上述沉積技術依序在基板102之上形成。形成與第一氮化物基半導體層104和第二氮化物基半導體層106之間的異質結介面相鄰的二維電子氣(2DEG)區。
在一些實施例中，如圖17A中所示，2DEG區還可通過植入進行圖案化，以形成一個或多個電阻結構180。
參考圖16B，毯覆式p型摻雜III-V化合物半導體層111和毯覆式閘極金屬層113可通過使用上述沉積技術依序在氮化物基半導體層106上方 形成。
參考圖16C，毯覆式p型摻雜III-V化合物半導體層111和毯覆式閘極金屬層113進行圖案化以在氮化物基半導體層106上方形成多個閘極結構110。每個閘極結構110包含p型摻雜III-V化合物半導體層112和閘極金屬層114。然後，可通過使用上述沉積技術形成鈍化層124以覆蓋閘極結構110。
在一些實施例中，如圖17B中所示，毯覆式閘極金屬層113也可進行圖案化，以在形成閘極結構110的相同步驟中形成一個或多個電阻結構180。
參考圖16D，一些S/D區160通過移除鈍化層124的一些部分來形成。氮化物基半導體層106的至少一個部分從S/D區160暴露。毯覆式導電層115形成為覆蓋氮化物基半導體層106和鈍化層124，並填充S/D區160，由此與氮化物基半導體層106接觸。
參考圖16E，S/D電極116通過對毯覆式導電層115進行圖案化來形成。毯覆式導電層115的一些部分被移除，毯覆式導電層115的在S/D區160內的其餘部分保留以用作S/D電極116。然後，可通過使用上述沉積技術在鈍化層124上形成鈍化層126以覆蓋S/D電極116。
在一些實施例中，如圖17C中所示，毯覆式導電層115也可進行圖案化，以在形成S/D電極116的相同步驟中形成一個或多個電阻結構180。
參考圖16F，導電通孔132形成為穿透鈍化層126和124。通過使用上述沉積技術在鈍化層126上沉積毯覆式導電層141。
參考圖16G，毯覆式導電層141進行圖案化，以形成在鈍化層126上方且與導電通孔132電耦合的導電線142。然後，可通過使用上述沉積技術在鈍化層126上形成鈍化層128以覆蓋導電線142。
在一些實施例中，如圖17D中所示，毯覆式導電層141也可進行圖案化，以在形成導電線142的相同步驟中形成一個或多個電阻結構180。
參考圖16H，導電通孔136在鈍化層128中形成。通過使用上述沉積技術在鈍化層128上沉積毯覆式導電層145。
參考圖16I，毯覆式導電層145進行圖案化，以形成在鈍化層128上方且與導電通孔136電耦合的導電線146。然後，可通過使用上述沉積技術在鈍化層128上形成保護層154以覆蓋導電線146。
在一些實施例中，如圖17E中所示，毯覆式導電層145也可進行圖案化，以在形成導電線146的相同步驟中形成一個或多個電阻結構180。
參考圖16J，保護層154可接著進行圖案化以形成一個或多個開口來暴露一個或多個導電襯墊170。
集成了電路100C/100D/100E/100F的氮化物基IC晶片的製造方法類似於集成了電路100A/100B的氮化物基IC晶片的製造方法，但在圖16H中所示的階段中，在沉積毯覆式導電層145之前還可形成多個TGV 162(如圖18中所示)以從鈍化層128的頂表面延伸並穿過到基板102中。
選擇和描述實施例是為了最佳地闡釋本發明的原理和其實際應用，借此使本領域的其他技術人員能夠理解本發明的各種實施例和適合於所預期的特定用途的各種修改。雖然本文中公開的方法已參考按特定次序執行的特定操作加以描述，但應理解，可在不脫離本公開的教示的情況下將這些操作組合、細分或重新排序以形成等效方法。因此，除非在本文中具體指示，否則操作的次序和分組並非限制性的。儘管已經參考特定結構、形狀、材料、物質組成和關係等描述了本文中公開的設備，但這些描述和圖示並不限於此。可以進行修改 以使特定情況適應本公開的目標、精神和範圍。所有此類修改皆在所附申請專利的範圍內。
1:電池管理系統
10:電池保護控制器
12:電池
14:充電器
16:負載
18:RC電路
100:氮化物基雙向開關裝置
B+:正端子
B-:負端子
CO:充電過流保護節點
Ctrl1:第一控制端子
Ctrl2:第二控制端子
Cdct1:第一傳導端子
Cdct2:第二傳導端子
DO:放電過流保護節點
I C :充電電流
P+:正介接埠
P-:負介接埠
RVM:電壓監測電阻器
Vcc:功率輸入節點
Vss:接地節點
VM:電壓監測端子

Claims (19)

  1. 一種用於與電池保護控制器一起工作的氮化物基雙向開關裝置，所述電池保護控制器具有功率輸入端子、放電過流保護(DO)端子、充電過流保護(CO)端子、電壓監測(VM)端子和接地端子，所述氮化物基雙向開關裝置包括：配置成電連接所述控制器的DO端子的第一控制端子，及配置成電連接到所述控制器的CO端子的第二控制端子；配置成電連接到所述控制器的接地端子的第一傳導端子，及配置成通過電壓監測電阻器電連接到所述控制器的VM端子的第二傳導端子；主開關元件，其具有控制電極、連接到所述第一傳導端子的第一傳導電極和連接到所述第二傳導端子的第二傳導電極，其中所述主開關元件是第一氮化物基電晶體，其閘極充當所述主開關元件的所述控制電極，汲極充當所述主開關元件的所述第一傳導電極，且源極充當所述主開關元件的所述第二傳導電極；以及適配模組，其配置成分別從所述第一和第二控制端子接收DO信號和CO信號，並產生主控制信號到所述主開關元件的控制電極以控制所述主開關元件。
  2. 根據請求項1所述的氮化物基雙向開關裝置，其中當正高電平電壓施加到所述第一控制端子且正高電平電壓施加到所述第二控制端子時，所述主開關元件接通以允許對電池充電/放電。
  3. 根據請求項1所述的氮化物基雙向開關裝置，其中當低電平電壓施加到所述第一控制端子且正高電平電壓施加到所述第二控制端子時，所述主開關元件斷開以保護電池不過度放電或短路。
  4. 根據請求項1所述的氮化物基雙向開關裝置，其中當正高電平電壓施加到所述第一控制端子且負高電平電壓施加到所述第二控制端子時，所述主開關元件斷開以保護電池不過度充電。
  5. 根據請求項1所述的氮化物基雙向開關裝置，其中所述第一氮化物基電晶體是AlGaN/GaN增強型(E型)高電子遷移率電晶體(HEMT)。
  6. 根據請求項1所述的氮化物基雙向開關裝置，其中所述適配模組包括：第一電壓鉗位元元件，其具有電連接到所述第一控制端子的正電極和電連接到第一互連節點的負電極；第二電壓鉗位元元件，其具有電連接到所述第二控制端子的正電極和電連接到所述第一互連節點的負電極；第一輔助開關元件，其具有電連接到所述第一控制端子的控制電極、連接到所述第一互連節點的第一傳導電極和連接到第二互連節點的第二傳導電極；第二輔助開關元件，其具有電連接到所述第二控制端子的控制電極、連接到所述第二互連節點的第一傳導電極和連接到所述主開關元件的控制電極的第二傳導電極；以及 第一電阻元件，其具有電連接到所述主開關元件的控制電極的第一電極和電連接到所述第一傳導端子的第二電極。
  7. 根據請求項6所述的氮化物基雙向開關裝置，其中：所述第一電壓鉗位元元件是第二氮化物基電晶體，其閘極和源極連接在一起以充當所述第一電壓鉗位元元件的正電極，且其汲極配置成充當所述第一電壓鉗位元元件的負電極；以及所述第二電壓鉗位元元件是第三氮化物基電晶體，其閘極和源極連接在一起以充當所述第二電壓鉗位元元件的正電極，且其汲極配置成充當所述第二電壓鉗位元元件的負電極。
  8. 根據請求項6所述的氮化物基雙向開關裝置，其中：所述第一輔助開關元件是第四氮化物基電晶體，其閘極充當所述第一輔助開關元件的控制電極，汲極充當所述第一輔助開關元件的第一傳導電極，且源極充當所述第一輔助開關元件的第二傳導電極；且所述第二輔助開關元件是第五氮化物基電晶體，其閘極充當所述第二輔助開關元件的控制電極，汲極充當所述第二輔助開關元件的第一傳導電極，且源極充當所述第二輔助開關元件的第二傳導電極。
  9. 根據請求項6所述的氮化物基雙向開關裝置，所述第一電阻元件是電阻器。
  10. 根據請求項6所述的氮化物基雙向開關裝置，其中所述適配模組進一步包括第三電壓鉗位元元件，所述第三電壓鉗位元元件具有電連接到所述主開關元件的控制電極的正電極和電連接到所述第二控制端子的負電極。
  11. 根據請求項10所述的氮化物基雙向開關裝置，其中：所述第三電壓鉗位元元件是第六氮化物基電晶體，其閘極和源極連接在一起以充當所述第三電壓鉗位元元件的正電極，且其汲極配置成充當所述第三電壓鉗位元元件的負電極。
  12. 根據請求項1到11中任一項所述的氮化物基雙向開關裝置，其中所述主開關元件和所述適配模組集成到氮化物基積體電路(IC)晶片中。
  13. 根據請求項12所述的氮化物基雙向開關裝置，其中所述氮化物基IC晶片包括：第一氮化物基半導體層，其安置在基板上方；第二氮化物基半導體層，其安置在所述第一氮化物基半導體層上且其帶隙大於所述第一氮化物基半導體層的帶隙；一個或多個閘極結構，其通過對安置在所述第二氮化物基半導體層上的閘極半導體層進行圖案化並對安置在所述閘極半導體層上的閘極金屬層進行圖案化來形成；第一鈍化層，其安置在所述第二氮化物基半導體層上並覆蓋所述閘極結構； 一個或多個源極/汲極(S/D)電極，其通過對安置在所述第一鈍化層上的S/D電極層進行圖案化並穿透所述第一鈍化層以與所述第二氮化物基半導體層接觸來形成；第二鈍化層，其安置在所述第一鈍化層上並覆蓋所述S/D電極；一個或多個第一導電通孔，其安置在所述第二鈍化層內；第一導電層，其安置在所述第二鈍化層上並進行圖案化以形成一個或多個第一導電線；第三鈍化層，其安置在所述第一導電層上並覆蓋所述一個或多個第一導電線；一個或多個第二導電通孔，其安置在所述第三鈍化層內；第二導電層，其安置在所述第三鈍化層上並進行圖案化以形成一個或多個第二導電線；以及保護層，其安置在所述第二導電層上方並具有一個或多個開口暴露一個或多個導電襯墊。
  14. 根據請求項13所述的氮化物基雙向開關裝置，其中所述氮化物基IC晶片進一步包括通過對與所述第一和第二氮化物基半導體層之間的異質結介面相鄰的二維電子氣區進行圖案化而形成的一個或多個電阻結構。
  15. 一種用於製造與電池保護控制器一起工作的氮化物基雙向開關裝置的方法，所述電池保護控制器具有功率輸入端子、放電過流保護(DO)端 子、充電過流保護(CO)節點、電壓監測(VM)端子和接地端子，所述方法包括：將第一控制端子配置成電連接到所述控制器的DO端子，並將第二控制端子配置成電連接到所述控制器的CO端子；將第一傳導端子配置成電連接到所述控制器的接地端子，並將第二傳導端子配置成通過電壓監測電阻器電連接到所述控制器的VM端子；形成主開關元件，所述主開關元件具有控制電極、連接到所述第一傳導端子的第一傳導電極和連接到所述第二傳導端子的第二傳導電極，其中所述主開關元件是第一氮化物基電晶體，其閘極充當所述主開關元件的所述控制電極，汲極充當所述主開關元件的所述第一傳導電極，且源極充當所述主開關元件的所述第二傳導電極；以及將適配模組配置成分別從所述第一和第二控制端子接收DO信號和CO信號，並產生主控制信號到所述主開關元件的控制電極以控制所述主開關元件。
  16. 根據請求項15所述的方法，其中所述適配模組通過以下操作來配置：形成第一電壓鉗位元元件，所述第一電壓鉗位元元件具有電連接到所述第一控制端子的正電極和電連接到第一互連節點的負電極；形成第二電壓鉗位元元件，所述第二電壓鉗位元元件具有電連接到所述第二控制端子的正電極和電連接到所述第一互連節點的負電極； 形成第一輔助開關元件，所述第一輔助開關元件具有電連接到所述第一控制端子的控制電極、連接到所述第一互連節點的第一傳導電極和連接到第二互連節點的第二傳導電極；形成第二輔助開關元件，所述第二輔助開關元件具有電連接到所述第二控制端子的控制電極、連接到所述第二互連節點的第一傳導電極和連接到所述主開關元件的控制電極的第二傳導電極；以及形成第一電阻元件，所述第一電阻元件具有電連接到所述主開關元件的控制電極的第一電極和電連接到所述第一傳導端子的第二電極。
  17. 根據請求項16所述的方法，其中所述適配模組通過進一步形成第三電壓鉗位元元件來配置，所述第三電壓鉗位元元件具有電連接到所述主開關元件的控制電極的正電極和電連接到所述第二控制端子的負電極。
  18. 根據請求項15到17中任一項所述的方法，進一步包括通過以下操作將所述主開關元件和所述適配模組集成到積體電路(IC)晶片中：在基板上方安置第一氮化物基半導體層；在所述第一氮化物基半導體層上安置第二氮化物基半導體層，所述第二氮化物基半導體層的帶隙大於所述第一氮化物基半導體層的帶隙；在所述第二氮化物基半導體層上安置閘極半導體層並在所述閘極半導體層上安置閘極金屬層，並且對所述閘極半導體層和所述閘極金屬層進行圖案化以形成一個或多個閘極結構； 在所述第二氮化物基半導體層上安置第一鈍化層以覆蓋所述閘極結構，並對所述第一鈍化層進行圖案化以形成一個或多個源極/汲極(S/D)區；安置S/D電極層以覆蓋所述第一鈍化層和所述一個或多個S/D區，並對所述S/D電極層進行圖案化以形成穿透所述第一鈍化層以與所述第二氮化物基半導體層接觸的一個或多個S/D電極；在所述第一鈍化層上安置第二鈍化層以覆蓋所述S/D電極；在所述第二鈍化層上安置第一導電層，並對所述第一導電層進行圖案化以形成一個或多個第一導電線；在所述第一導電層上安置第三鈍化層以覆蓋所述一個或多個第一導電線；在所述第三鈍化層上安置第二導電層，並對所述第二導電層進行圖案化以形成一個或多個第二導電線；在所述第二導電層上方安置保護層，並對所述保護層進行圖案化以形成一個或多個開口來暴露一個或多個導電襯墊，所述導電襯墊分別充當所述第一控制端子、所述第二控制端子、所述第一傳導端子和第二傳導端子。
  19. 根據請求項18所述的方法，其中所述主開關元件和所述適配模組集成到所述IC晶片中進一步包括對與所述第一和第二氮化物基半導體層之間的異質結介面相鄰的二維電子氣區進行圖案化以形成一個或多個電阻結構。
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