專利名稱：單片集成的Ⅲ族氮化物功率轉換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體驅動器及其制造工藝。更具體地，本發明涉及 采用多個11I族氮化物功率器件及其驅動器的新型集成電路。
背景技術：
集成電路(IC)是眾所周知的，其中在公共的芯片或管芯上形成 有多個硅器件。由于器件尺寸和互連的原因，以及由于需要將高壓和 低壓器件及其驅動器集成在單個硅管芯上，因而難以集成某些種類的 電路(例如降壓轉換器電路)，尤其是由硅制造的電路，這些電路采用 功率電平同步MOSFET、功率電平控制MOSFET及其驅動器。由于布 圖的限制，功率器件及其前級驅動器之間的連接相對較長，并且是非 線性的，因而引入了不希望的寄生效應。然而，人們非常希望提供一種含功率半導體及其驅動器，在某些 情況下還包括無源電路元件的集成電路，尤其是對于AC-DC或DC -DC轉換器而言，AC-DC或DC-DC轉換器在電路板上占據較小的面積并且成本也較低。人們還希望通過降低寄生阻抗、尤其是由器 件布圖和互連而導致的寄生電感來改進這種器件的性能。發明內容根據本發明的一個方面，功率級在基于IU族氮化物的半導體本體 中形成，并且優選與負載集成(例如，直接附接至負載上或者盡可能 地靠近負載安裝)，從而使得負載與功率級之間的距離最小化。例如， 所述功率級可包括基于III族氮化物的功率開關和基于III族氮化物的 前級驅動器，所述前級驅動器用于驅動直接安裝在負載上或者盡可能 地靠近負載沉積的功率開關。基于111族氮化物的功率級與負載的靠近降低了由于引腳和引線 較長而引起的寄生電感(存在于現有技術中)，從而改善了電路的整體 性能。在一種變體中，基于III族氮化物的功率級可采用隆起焊盤(例 如銅隆起焊盤)來進行倒裝芯片安裝，以減少或消除引線鍵合，從而 進一步降低寄生電阻和電感。例如，所述功率級可倒裝安裝在設置于 負載上的焊盤上，或者安裝在負載上的電路板上的焊盤上。根據本發明的另一個方面，所述負載可包括用于操控所述功率級 的適當的電路。因而，所述負載可操控所述功率級，而無需PWM驅 動器等電路。也就是說，例如，諸如處理器的負載可包括用于直接控制所述功率級的PWM驅動器，而無需將負載要求發送到PWM級。在另一種變體中，雖然功率級可以與負載在物理上集成，但是可 以通過外部PWM驅動器或類似的驅動器來驅動功率級。根據本發明的實現由于下列原因而是有利的。雖然垂直傳導PN 結型器件(例如硅器件)能夠有效地滿足負載的功率要求，但是垂直 傳導器件難以與例如處理器的負載集成。橫向PN結型功率器件能夠 很好地集成，但不能夠有效地滿足例如處理器的某些負載的功率要求 (即橫向器件的電流密度是有限的)。此外，傳統器件在工作期間產生相對大量的熱量，這將增加負載的熱負荷，這一點是不希望出現的。基于Ul族氮化物的功率器件能夠在較高溫度下工作，并且為橫向 器件，因而能夠與處理器很好地集成，并且能夠容易地滿足處理器的功率要求。此外，基于IU族氮化物的器件在單位功率容量下占據較少 的面積，因此可以將基于III族氮化物的器件相對容易地直接安裝在例 如處理器的負載上(例如與處理器安裝在相同的襯底上)，或者使其非 常靠近負載。此外，基于1II族氮化物的功率器件能夠在非常高的頻率 下工作。因此，功率級中所使用的無源器件(例如功率級中的電感器 和電容器)的尺寸可以減小，從而允許無源器件與功率級和負載一起 集成。此外，基于I1I族氮化物的器件具有低電荷。基于這些原因，基 于III族氮化物的功率器件與傳統處理器的集成提供了在現有技術中 無法找到的重要優點。根據本發明的一個方面，橫向IC形成于襯底中以限定出功率級， 所述功率級包括多個1U族氮化物功率開關器件及其前級驅動器，并且 如果需要的話，可以在單個IU族氮化物異質結型結構上包括例如柵極 驅動器電容的無源電路元件，而且在需要時，平行隔開的伸長的源級、柵極和漏極線，在器件表面上通過短而直的導體互連。橫向in族氮化 物器件的使用允許對iu族氮化物功率開關以及通過簡單的絕緣阱等 隔開的驅動器開關進行有效的布圖。最終的結構被單片集成而形成任何希望的電路，例如與可移動的或其他電子應用一起使用的DC-DC轉換器，尤其是用于接收輸入電池電壓并產生作為其他電路的電源的高度有規則的、降低的輸出電壓 的降壓轉換器。在本發明的一個實施方案中，降壓轉換器被形成為具有互連的控 制開關和同步開關，并且二者間的節點跟平常一樣連接到輸出電感器 和電容器，而它們的驅動器或前級驅動器在單獨的芯片內形成于用于 功率器件的同一源級、柵極和漏極區的擴展部分上，所述驅動器或前 級驅動器為控制開關和同步開關提供柵極控制信號。這樣允許對器件 進行簡化的布圖，從而大大降低了前級驅動器和功率器件之間的寄生效應。根據本發明的器件具有降低的成本，并使用較小的電路板面積。 與形成為離散器件的非常小的部分的安裝和處理成本相比，控制開關 與同步開關及其驅動器的集成使得安裝和處理成本降低。接，所述器件的性能得到了改善，從而實質上消除了寄生電感。前級驅動器的優點在于，成本非常低且性能得到了改善，并且器件速度較快、品質因數(Q)較低且阻抗(R)較低，從而使得損耗降低。在制造前級驅動器和功率開關器件時還獲得了實質的益處，因為 在同 一 爐溫下前級驅動器的特性將4艮好地匹配，并且死區時間最優化。此外，器件的調整(trim)也在同一爐溫下進行。可以對集成的芯片進行傳統的封裝，并可安裝在散熱器或類似物 上。用于驅動驅動器的微處理器芯片可位于同一封裝中，或者與上述 封裝隔開較近的距離。通過下面參照附圖對本發明的描述，本發明的其他特征和優點將 變得顯而易見。
圖1示出了根據現有技術的功率管理配置； 圖2示出了根據本發明的功率管理配置；圖3示出了根據本發明的一個實施方案的功率管理配置的電路圖；圖4示意性地示出了根據本發明的集成的1U族氮化物半導體器件 的俯-觀圖，其中所述III族氮化物半導體器件包括功率級和驅動器級；圖5A是沿圖4中的線5A-5 A剖開的沿著箭頭方向看到的剖視圖；圖5B是沿圖4中的線5B-5B剖開的沿著箭頭方向看到的剖視圖；圖6示出了包含功率級和處理器的傳統配置；圖7A-7C示出了根據本發明的導致寄生效應(例如寄生電感) 降低的配置。
具體實施方式
參照圖1，根據現有技術的功率管理配置包括功率級10、與功率 級IO操作耦合以控制的功率級10的操作的驅動器級12、與驅動器級12操作耦合以控制其操作的脈寬調制(PWM)級14、以及與功率級 10操作耦合以從其接收功率的負載級16。在現有技術的配置中，為了保持向負載級16的適當功率供給， PWM級14利用預定的標準來操控驅動器級12。例如，在功率級10 的輸出端采用預定的電壓電平，以確定驅動器級12是否應當操控功率 級IO而向負載級16提供更多功率。在許多設計中，用來操控PWM 14 的預定值可能并非必須對應于負載級16的瞬時要求和暫態要求，其可 以超過設計時所設定的預定值。例如，負載級16可以是短時間內需要 超過該設計的預定值的更多功率的處理器。因此，處理器的操作可能 會受到用來限制PWM 14操作的預定值的限制。此外，在傳統設計中，PWM級14在物理上位于負載級16外部， 并且需要利用例如配線等與負載級16耦合。因此，可能存在寄生效應 (例如寄生電感)，其將會限制對應于負載瞬間功率需求的響應時間， 并可通過預定值的變化加以反映，例如通過在功率級10的輸出端電壓 的突然損失而反映出的功率瞬間不足。參照圖2， #4居本發明的一個方面，PWM級14與負載級16集成， 以降低寄生效應，例如由于配線或其他封裝元件而造成的寄生電感， 從而改善功率管理配置的操作速度。根據本發明的另一方面，PWM級14不《又能夠在例如功率級10 的輸出端響應于預定值，而且能夠響應于負載級16對于更多或更少功 率的瞬間要求。例如，不管功率級IO的輸出端的電壓是否較低，負載 級16都可以命令PWM級14停止向驅動器級12發送信號以避免過熱。 或者，相反地，負載級16可以命令PWM級14向驅動器級12發送信 號而使其工作，而不管功率級10的輸出端是否具有滿足預定電壓值的 電壓。例如，如果負載級16為處理器，那么不管功率級10的輸出端 是否具有足夠高的電壓，負載級16都可以向PWM級14發送信號， 從而向驅動器級12發送信號，以確保預期的瞬間"處理工作，，所需的 充足的功率供給。由此，負載的速度可以提高。現在參照圖3，根據本發明的實施方案的功率管理配置包括功率 級10，功率級10包括用于控制向負載級16的功率供給的功率開關。根據本發明的一個方面，功率級10包括以半橋式組態耦合的兩個111族氮化物開關18、 20，開關18、 20中的每一個優選被選擇為在DC-DC 降壓轉換器中工作。因而，串聯在半橋的高壓側V+和輸出節點Vs之 間的III族氮化物開關18為控制開關，而串聯在輸出節點Vs和接地端 G之間的Ill族氮化物開關20為同步開關。驅動器級12包括耦合以向開關18的柵極發送驅動信號的高壓側 驅動器，以及耦合以向開關20的柵極發送驅動信號的低壓側驅動器。 高壓側驅動器包括一對以半橋式組態耦合的高壓側驅動器開關22、 22'，其輸出端被耦合為向開關18的柵極發送驅動信號，低壓側驅動 器包括一對以半橋式組態耦合的低壓側驅動器開關24、 24',其輸出被 耦合為向開關20的4冊極發送驅動信號。注意，開關22'為高壓側驅動 器半橋中的低壓側開關，而開關24'為低壓側驅動器半橋中的低壓側開 關。高壓側驅動器優選利用電平轉換器26進行電平轉換。因此，根據 一個優選的實施方案，自舉電容器28可設置用來提供開關18所需的 柵極電荷。從傳統i殳計中可知，當開關18關閉且Vs擺動至接地電壓 時，自舉二極管30對自舉電容器28充電。開關18、 20、 22、 22'、 24、 24'中的每一個均包括漏極、源極和 柵極。為了在此更好地理解附圖，表I提供了每個開關的漏極、源極 和4冊極的數字標識。表I開關源極漏極柵極1818S18D18G2020S20D20G2222S22D22G22'22'S22'D22'G2424S24D24G24'24'S24'D24'G注意，根據本發明的一個方面，負載級16包括PWM級14, PWM 級14被示意性示出為耦合至驅動器級12以向其發送控制信號。根據本發明的另一個方面，高壓側驅動器開關22和22'、以及低壓側驅動器開關24和24'也為ID族氮化物開關。雖然開關18、 20、 22、 22'、 24、 24'可為增強型器件或耗盡型器件，但是在一個優選實施 方案中，功率級10的開關18和20為耗盡型器件，而開關22、 22'和 24、 24'為增強型器件。可選地，開關22、 22'和24、 24'也為耗盡型器件。應當注意，雖然參照降壓轉換器型電路對根據本發明的配置進行 了說明，但是應當理解，根據本發明的配置能夠適用于任何希望類型 的降壓/升壓DC - DC或AC - DC轉換器類型的電路。還應當注意，在典型應用中，Vs可以耦合至輸出電路，輸出電路 包括與Vs串聯的輸出電感器35、以及連接在所述電感器和接地端之 間的輸出電容器37,這一點按照常規是已知的。因而，在典型應用中， 輸出功率從輸出電感器35和輸出電容37之間的連接點供應到負載級 16。按照常規來說，高壓側驅動器和低壓側驅動器是離散封裝且分開 安裝的，并且在較長的連接路徑上連接到其各自的功率開關。根據本發明，高壓側和低壓側驅動器以及功率開關18和20集成 在公共的單片集成半導體管芯中。如果需要的話，電平轉換電路26以及例如自舉電容器28和自舉二極管30的無源元件也可以集成在公 共管芯中。圖4、 5A和5B示出了根據本發明的單片集成半導體管芯 的一個實施方案。在圖4和5A中，相同的標號指代與圖3中相同的電路元件。如 圖4所示，基本的芯片包括襯底40,襯底40優選為硅襯底。傳統的 過渡層41(例如A1N )沉積在硅襯底40上，并在其上接收氮化鎵(GaN ) 層42。 AlGaN層43形成于層42之上，以限定出具有富載流子區的異 質結，該富載流子區通常被稱作二維電子氣(2-DEG) 44。所述管芯 可利用其他技術構造為具有其他層，以限定出另一類型的m族氮化物 器件。才艮據本發明的一個方面，如圖4和5B所示，絕緣勢壘或其他勢 壘50在管芯中形成，并且至少延伸至GaN層42的深度，以便在勢壘 50的左側(或者在勢壘50的一個側面上)限定出控制器件"阱"，在勢壘50的右側限定出功率器件表面。具體地，在AlGaN層43中可以 形成溝槽，并且以電介質來填充該溝槽，以便通過將2-DEG截斷來使 所述控制器件阱電絕緣。優選地，所述溝槽可以一直延伸到GaN層 42。穿過如圖4所示的芯片的表面形成有多個隔開的平行電極，勢壘 50可以將這些電極截斷。此外，應當注意的是，可以利用相同的原理 使開關18、 20和開關22、 22'、 24、 24'彼此絕緣。具體地，可以在如 圖所示的開關之間設置優選延伸穿過AlGaN層43且填充有電介質50 的溝槽，以截斷2-DEG，從而使所述開關電絕緣。然后利用短絲焊39 (如圖4所示)來形成圖3中希望的電路。可 選地，可以采用導電通孔和用于倒裝芯片安裝的隆起焊盤。如圖5A所示，還可以在公共管芯中集成自舉電容器28。因此， 采用導電層60和61 (位于Si襯底的底部)、電介質層62和63以及底 部導電層64和65，從而使層60、 62和64限定出自舉電容器28。自舉電容器28還可以集成在圖4的公共管芯的頂部或者器件的外 部封裝上。可以至少部分地由穿過/>共管芯本體的通孔來形成圖4和5A中 的各種互連。圖4和5A的結構限定出根據本發明的功率塊，該功率塊包括驅 動器級和功率級。例如用作負載級16的微處理器70被連接為適當地 控制PWM級等，從而操控驅動器開關22、 22'、 24、 24'的柵極。功率 塊可以盡可能靠近芯片地或者與芯片并排地安裝在處理器芯片/模塊 上。這樣^^可實現上述優點。以單片集成方式形成的功率I1I族氮化物開關18、 20和驅動器開 關22、 22'、 24、 24'的一個優點在于便于制造。具體地，由于異質結 III族氮化物功率半導體器件利用了通過2-DEG所進行的傳導，因此 單個IU族氮化物異質結可以用作所有開關18、 20、 22、 22'、 24、 24' 的有源區的基礎。所述開關的絕緣也能夠相對簡單。此外，通過利用 器件的漏極、源極和柵極之間的關系可以簡單地設計每個開關的功率 容量、開關速度和擊穿額定值。因而，例如，需要較多電流傳導容量 的開關(例如同步開關20)能夠具有更多的有源單元，而需要較少載流容量的開關(例如驅動器開關22、 22'、 24、 24')能夠具有更少的 有源單元。由于有源單元的數量相對容易設計，因此集成1U族氮化物 開關以獲得根據本發明的單片集成電路器件有利地較為簡單。現在參照圖6，在現有技術的功率配置中，功率級100和負載110 (可以為例如處理器，如個人計算機的CPU)之間的路徑包括多個回 路，所述回路引入寄生效應，從而降低配置的速度和效率。所述配置 可以包括回路130、 140和150，其中每個回路包括寄生電阻和寄生電 感。所述配置還可進一步包括由于封裝(例如絲焊、電路板跡線、焊 料等)而導致的PCB寄生效應170。因而，例如在大約300 KHz的開 關頻率下，可以為輸出電感器的輸出電感回路120能夠將di/dt降低到 350A/|is以下，可以為電解電容器的輸出電容器回路130能夠將di/dt 降低到100A/|us以下，陶瓷降壓電容器回路140能夠將di/dt降低到 400A/|is以下，位于插槽下面的陶瓷電容回路150能夠將di/dt降低到 1200A/ps以下。所述配置可以進一步包括由于負載的連接器(例如 CUP插槽等)而產生的寄生回路160，其中負載的連接器可以進一步 將寄生效應引入所述配置中。現在參照圖7A-7C,根據本發明的功率級能夠將開關速度提高 到約75MHz (圖7A),從而降低輸出電感回路120的電感，進而能夠 將di/dt增大到約1500A/ns，或者能夠將開關速度增大至約20MHz(圖 7B)以降低輸出電感回路的電感，從而將di/dt增大到6000A/ps。具 體參照圖7C，通過盡可能靠近負載IIO來沉積功率級100以縮短二者 間的路徑，能夠進一步減少寄生效應。例如，功率級100可以與負載 110集成，以降低寄生效應和提高開關速度，隨之減小無源器件的尺 寸和提高效率。盡管已結合特定實施方案對本發明進行了描述，但對于本領域技 術人員而言，許多其他變化、修改和用途是顯而易見的。因此，優選 地，本發明的范圍并不受此處的具體描述所限，而僅由所附權利要求 限定。
權利要求
1.一種功率管理配置，包括功率級，其包括多個III族氮化物功率開關；驅動器級，其控制所述功率級的操作；負載級，其耦合至所述功率級以接收用于所述功率級操作的功率，所述負載級包括驅動器級控制電路，所述驅動器級控制電路產生用于控制所述驅動器級的操作的信號。
2. 如權利要求1所述的配置，其中所述多個III族氮化物功率開 關以半橋式配置耦合。
3. 如權利要求2所述的配置，其中所述多個111族氮化物功率開 關為耗盡型器件。
4. 如權利要求2所述的配置，其中所述驅動器級包括以半橋式組 態配置的第 一對III族氮化物開關和以半橋式組態配置的第二對III族 氮化物開關，所述第一對III族氮化物開關用以驅動所述多個III族氮 化物功率開關中的第一 III族氮化物功率開關，所述第二對III族氮化 物開關用以驅動所述多個III族氮化物功率開關中的第二 III族氮化物 功率開關。
5. 如權利要求4所述的配置，其中所述第一對III族氮化物開關 和所述第二對III族氮化物開關為增強型開關。
6. 如權利要求4所述的配置，其中所述第一對III族氮化物開關 和所述第二對III族氮化物開關為耗盡型開關。
7. 如權利要求5所述的配置，其中所述驅動器級控制電路產生脈 寬調制信號。
8. 如權利要求6所述的配置，其中所述驅動器級控制電路產生脈 寬調制信號。
9. 如權利要求l所述的配置，其中所述驅動器級控制電路產生脈 寬調制信號。
10. 如權利要求1所述的配置， 形成于公共管芯中。
11. 如權利要求1所述的配置， 入預設范圍之外時產生所述信號。
12. 如權利要求1所述的配置， 所述信號。
13. 如權利要求12所述的配置， 述負載的瞬間溫度。
14. 如權利要求12所述的配置， 述負載的速度。其中所述功率級和所述驅動器級其中當所述功率級的輸出電壓落其中根據具體負載的情況來產生其中所述具體負載的情況包括所其中所述具體負載的情況包括所
15. 如權利要求l所述的配置，其中所述負載級包括微處理器。
16. 如權利要求l所述的配置，其中所述負載級包括存儲設備。
17. —種功率管理配置，包括 單片集成的半導體管芯，其內形成有；第一 III族氮化物功率半導體器件和第二 III族氮化物功率半導體 器件，所述第二 III族氮化物功率半導體器件以包括輸出節點的半橋式 組態與所述第一IU族氮化物功率半導體器件耦合；第一驅動器半橋式配置，其可操作地耦合至所述第一1U族氮化物功率半導體器件；以及第二驅動器半橋式配置，其可操作地耦合至所述第二UI族氮化物 功率半導體器件。
18. 如權利要求n所述的配置，其中所述第一和第二驅動器半橋 式配置各自包括一對增強型Ill族氮化物開關。
19. 如權利要求n所述的配置，其中所述第一和第二驅動器半橋 式配置各自包括一對耗盡型iu族氮化物開關。
20. 如權利要求n所述的配置，其中所述第一驅動器半橋式配置 耦合至電平轉換電路，所述電平轉換電路包括電平轉換電容器，其中 所述電容器形成于所述單片集成的半導體管芯的表面上。
21. 如權利要求17所述的配置，其中所述輸出節點耦合至負載級，所述負載級包括驅動器控制電路，所述驅動器控制電路產生用于所述 第 一 和第二驅動器半橋式配置的操作的信號。
22. 如權利要求21所述的配置， 脈寬調制信號。
23. 如權利要求21所述的配置， 入預設范圍之外時產生所述信號。
24. 如權利要求21所述的配置， 所述信號。
25. 如權利要求24所述的配置， 述負載的瞬間溫度。其中所述驅動器級控制電路產生其中當所述功率級的輸出電壓落其中根據具體負載的情況來產生其中所述具體負載的情況包括所
26.如權利要求24所述的配置，其中所述具體負載的情況包括所述負載的速度。
27. 如權利要求17所述的配置，進一步包括負載級，其中所述負 載級與所述單片集成的半導體管芯集成。
28. 如權利要求27所述的配置，其中所述負載級包括微處理器。
29. 如權利要求27所述的配置，其中所述負載級包括存儲設備。
全文摘要
一種功率配置，其包括單片集成的Ⅲ族氮化物功率級，所述Ⅲ族氮化物功率級具有Ⅲ族氮化物功率開關和Ⅲ族氮化物驅動器開關。
文檔編號H02M3/04GK101272096SQ200710198640
公開日2008年9月24日 申請日期2007年12月11日 優先權日2006年12月11日
發明者邁克爾·A·布賴爾 申請人:國際整流器公司