高電子遷移率晶體管溫度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種包括高電子迀移率晶體管（High-Electron-Mobility Transistor，HEMT)的集成結(jié)構(gòu)。它還涉及一種采用該結(jié)構(gòu)的集成電路組件和電子器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 在功率半導(dǎo)體中，自發(fā)熱是一種已知的問題，在AlGaN/GaN功率HEMT中，由于典型 的高功耗水平，這個問題顯得特別重要。在靜態(tài)和動態(tài)的情況下，GaNHEMT和GaN二極管 在應(yīng)用板上進(jìn)行測試時，被觀察到要蒙受熱效應(yīng)之苦。在靜態(tài)直流I-V測量中，自發(fā)熱效應(yīng) 得以顯現(xiàn)，其中觀察到當(dāng)功耗增大時，飽和區(qū)出現(xiàn)明顯的負(fù)斜率。電流崩塌是HEMT中的一 種"記憶"效應(yīng)，其中流經(jīng)器件的電流取決于先前施加到器件上的電壓。溫度越高，電流崩 塌的影響越壞。從而，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，需要特別仔細(xì)地注意GaN功率半導(dǎo)體的柵極驅(qū)動 和漏-源偏置。在例如功率因數(shù)補(bǔ)償（PFC)、升壓電路或電機(jī)驅(qū)動控制等應(yīng)用中，器件在開 關(guān)時非常迅速地到達(dá)高溫度，且經(jīng)常表現(xiàn)出熱逸潰，由于它超過了最大結(jié)溫度（Tp和封裝 的限制，會引起器件的損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種集成結(jié)構(gòu)，包括：高電子迀移率晶體管（HEMT) 和與HEMT相集成的溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)，溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)配置為提供指示溫度的信號，以為HEMT提 供溫度保護(hù)。
[0004] 由此，可包括基于GaN的器件的HEMT具有了集成的溫度感測，將較為有利。這將 使得HEMT更加可靠。溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)或其部分可被集成在HEMT結(jié)構(gòu)的有源區(qū)、漏區(qū)、源區(qū)或 柵區(qū)。利用可以作為溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可以使得HEMT的溫度得以有效地量測。
[0005] 所述結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步包括溫度保護(hù)元件，溫度保護(hù)元件配置為接收指示溫度的信 號，并控制所述HEMT。將保護(hù)電路與HEMT集成是較為有利的。
[0006] 溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)可以包括一個或多個溫度感應(yīng)元件。溫度感應(yīng)元件可以分布在HEMT 上。溫度感應(yīng)元件可以位于由HEMT占據(jù)的管芯區(qū)域上不同的點位處，這將是有利的。HEMT 在使用中的溫度可能不是均勻的，從而，提供多個溫度感應(yīng)元件將會使得可能遭受過熱溫 度的分區(qū)得到更為可靠的測量。
[0007] 溫度感應(yīng)元件可包括肖特基勢皇二極管（SBD)。溫度感應(yīng)元件可以使用由于壓電 極化而發(fā)生的二維電子氣。HEMT可以是基于氮化鎵的HEMT結(jié)構(gòu)。由于SBD可以在GaN工 藝過程中與HEMT-起形成，而不需要額外的掩?；蚬に嚥襟E，這是有利的?？梢岳斫獾氖?， 基于GaN的工藝可包括多層AlGaN，以制作超晶格和金屬，例如鎳或鎳釩，以形成肖特基柵。
[0008] 溫度感應(yīng)元件可以分布在HEMT的柵極手指區(qū)域。將溫度感應(yīng)元件設(shè)置在此處是 有利的，這將可以設(shè)置多個感應(yīng)元件，潛在地得到更為精確的溫度分布信息。
[0009] 溫度保護(hù)元件可配置為提供HEMT控制信號，以響應(yīng)于指示溫度的信號而關(guān)斷 HEMT。可選地，溫度保護(hù)元件可配置為向本結(jié)構(gòu)以遠(yuǎn)的器件提供溫度信息，以與外部保護(hù)或 補(bǔ)償機(jī)制一起使用。
[0010] 溫度保護(hù)元件可位于HEMT的源極節(jié)點鄰近。這將至少為測試目的地向該元件提 供較佳的電氣親合。
[0011] 溫度保護(hù)元件可配置為向HEMT的柵極提供HEMT控制信號。從而，可向HEMT提供 一個柵_源電壓（Vgs)，以關(guān)閉其運行。在耗盡型HEMT(通常導(dǎo)通）的情況下，Vgs可以包括 低于閾值電壓Vth的負(fù)電壓。對于增強(qiáng)型的HEMT(通常關(guān)斷），Vgs可包括低于閾值電壓Vth 的正電壓?？梢岳斫獾氖牵?dāng)Vgs被拉到低于HEMT的閾值電壓Vth (開啟閾值電壓）時，HEMT 將由導(dǎo)通切換至關(guān)斷狀態(tài)，從而關(guān)閉。
[0012] 溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)可以包括絕對溫度比例電路（PTAT)，其配置為輸出指示溫度的信 號。PTAT電路可使用兩個或多個溫度感應(yīng)元件。PTAT電路可包括第一和第二肖特基勢皇 二極管，其各配置為由恒定電流供給。該恒定電流可以由電流源供電，電流源可以由至少一 個GaNHEMT和電阻形成。第一和第二肖特基勢皇二極管可配置為運行于不同的電流密度。 第一SBD和第二SBD可具有不同的面積。第一SBD和第二SBD之間的電壓可以包括所述指 示溫度的信號。從而，SBD在PTAT電路中作用為溫度傳感器。溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)可包括絕對溫 度比例電路，其配置為使用適應(yīng)于運行在不同電流密度下的一對溫度感應(yīng)元件，來得到指 示溫度的信號。
[0013] 溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)可包括電壓頻率轉(zhuǎn)換器。溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)可以包括第一溫度感應(yīng)元件 和第二溫度感應(yīng)元件，配置為控制振蕩器。振蕩器可包括多諧振蕩器或方波發(fā)生器，配置為 從第一和第二溫度感應(yīng)元件所接收的信號而生成指示溫度的信號，第一和第二溫度感應(yīng)元 件可包括兩個GaNSBD。振蕩器可配置為生成指示溫度的信號，其具有的頻率是HEMT的溫度 的函數(shù)。第一SBD和第二SBD可具有實質(zhì)上相同的面積。第一SBD和第二SBD可以布置為 極性相反地并聯(lián)，并配置為控制振蕩器。溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)可包括多諧振蕩器，多諧振蕩器配置 為使用由一對溫度感應(yīng)元件所得到的信號，多諧振蕩器配置為生成指示溫度信號的信號， 所述指示溫度信號的信號具有的頻率是HEMT的溫度的函數(shù)。
[0014] 溫度保護(hù)元件可包括比較元件，比較元件配置為將指示溫度的信號與預(yù)定的設(shè)定 點比較，并當(dāng)設(shè)定點被超過時生成邏輯信號。感應(yīng)的溫度可以包括來自PTAT電路或振蕩器 /多諧振蕩器/方波發(fā)生器的溫度信號。該設(shè)定點可以包括預(yù)定的電壓信號，該預(yù)定的電壓 信號代表感應(yīng)的溫度欲比較的閾值溫度。
[0015] 比較元件可包括頻率電壓變換器，并可配置為將指示溫度的信號的頻率與預(yù)定的 設(shè)定點比較，并當(dāng)達(dá)到或超過該設(shè)定點時生成指示器信號，該指示器信號可包括邏輯信號。 比較元件可以包括鎖相回路，鎖相回路配置為當(dāng)指示溫度的信號的頻率與表現(xiàn)閾值溫度的 預(yù)定閾值頻率匹配時閂鎖。此類閂鎖可以使用異或邏輯結(jié)構(gòu)，以作動為鑒相器。
[0016]從而，比較元件可以通過指示器/邏輯信號的方式，配置為指示所感測的溫度是 否上升到閾值以上。該信號可被用來控制HEMT，以防止溫度進(jìn)一步上升?？梢岳斫獾氖?，比 較元件可以提供指示器信號，指示器信號可以具有多于兩個狀態(tài)，并可以提供對HEMT的梯 度控制信號。
[0017]溫度保護(hù)元件可包括電平轉(zhuǎn)換器，電平轉(zhuǎn)換器配置為響應(yīng)于指示器信號或邏輯信 號而生成控制信號，以施加到HEMT的柵極。由于電平轉(zhuǎn)換器可以將指示器信號或邏輯信號 的一種電氣屬性進(jìn)行轉(zhuǎn)換，典型地為電壓，從而使用它可以在HEMT的柵極直接作用，以控 制通過HEMT的功率并從而控制其溫度，因此電平轉(zhuǎn)換器是有好處的。
[0018] 電平轉(zhuǎn)換器可包括極性變換器。在HEMT的特定運行模式下，可能需要控制信號具 有與邏輯信號相反的極性。從而，極性變換器可以提供用來進(jìn)行該轉(zhuǎn)換。
[0019]HEMT、溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)以及溫度保護(hù)電路在同樣的管芯上集成在同樣的半導(dǎo)體主體 中。這為HEMT提供了一種緊湊的溫度保護(hù)解決方案。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種集成電路組件，其包括了第一方面所述的結(jié) 構(gòu)。〇
[0021] 該組件可包括用來接收負(fù)電源供給的引腳和用來接收正電源供給的引腳。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種電子器件，其包括了第一方面所述的結(jié)構(gòu)。該 電子器件可以包括基于GaN的開關(guān)模式電源或馬達(dá)控制系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0023] 以下通過示例的方式結(jié)合附圖對于本發(fā)明的實施方式進(jìn)行進(jìn)一步描述。
[0024] 圖1是一種實施方式的集成結(jié)構(gòu)的平面視圖；
[0025] 圖2是一種實施方式的集成結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0026] 圖3是另一種實施方式的集成結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0027] 圖4是一種實施方式的PTAT電路；
[0028] 圖5是一種實施方式的比較器電路；
[0029] 圖6是一種實施方式的電平轉(zhuǎn)換器電路；以及
[0030] 圖7是一種實施方式的電壓頻率轉(zhuǎn)換器電路。
【具體實施方式】
[0031] 圖1所示的是形成在半導(dǎo)體主體2中的一種集成結(jié)構(gòu)1。該結(jié)構(gòu)1包括HEMT3， HEMT3具有源區(qū)4、柵區(qū)5和漏區(qū)6。該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括數(shù)個溫度感應(yīng)元件7a-7d，其集成在 GaN半導(dǎo)體主體2的HEMT3的有源區(qū)中。溫度感應(yīng)元件包括肖特基勢皇二極管（Schottky BarrierDiode，SBD)。相應(yīng)地，SBD7分布在定義出HEMT3的區(qū)域上。在圖1中，SBD7a-7d 被提供在HEMT的導(dǎo)通通道中。溫度感應(yīng)元件與HEMT3之間電隔離，并且可以被設(shè)置于主體 2上HEMT所處的位置中的任何位置。溫度感應(yīng)元件形成為溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)8的一部分，溫度 感應(yīng)結(jié)構(gòu)8配置為提供可以指示HEMT3的溫度的信號。該結(jié)構(gòu)1包括溫度保護(hù)元件9,溫 度保護(hù)元件9配置為使用來自于溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)的信號，以提供控制信號來控制HEMT3。溫 度感應(yīng)結(jié)構(gòu)8可配置為提供用于外部電路進(jìn)行處理的溫度信號?？蛇x地，并如該實施方式 如示的，溫度保護(hù)元件9可以配置為使用來自溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)8的信息，以控制HEMT的運行。
[0032] 圖2所示的是溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)8和溫度保護(hù)元件9的元件部分的第一種實施方式。 溫度感應(yīng)結(jié)構(gòu)8包括絕對溫度比例（ProportionalToAbsoluteTemperature,PTAT)電路 10。圖4中將顯示PTAT電路的更多細(xì)節(jié)。電路10配置為使用SBD7a-7d中的對，以作為 溫度感應(yīng)元件。PTAT電路10配置為提供輸出電壓，該輸出電壓與HEMT的溫度成線性比例。 從而，PTAT電路在其輸出處提供溫度信號。
[0033] 參考圖4所示，PTAT電路顯示為在兩個分支40、41中使用SBD中的兩個，7a和7b。 PTAT電路10的每人分支都由恒定電流供給。圖中所示的電流源42、43用來向SBD7a、7b 提供恒定電流。電流源42、43可為可以理解的任意合適的恒定電流電路。SBD7a、7b配置 為其中一個的面積大于另一個。在該實施方式中，SBD7a的面積是SB