TWI607298B - Adjustable voltage level wide bandgap semiconductor device - Google Patents
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Description
本發明為有關一種寬能隙半導體元件，尤指一種可調式電壓準位的寬能隙半導體元件。
在半導體元件之中，寬能隙(Wide bandgap)半導體元件具備優良的飽和電子速度、耐壓電場及散熱係數等優點，而近來吸引許多業者或研究單位投入開發。而目前最廣為使用的為氮化鎵和碳化矽半導體元件。
其中，以高電子遷移率電晶體(High electron mobility transistor，簡稱HEMT)舉例說明，其具備高頻、高崩潰電壓及低損失等特性，常見的高電子遷移率電晶體包括原生增強型高電子遷移率電晶體(Pure enhancement mode high electron mobility transistor，簡稱Pure E-mode HEMT)、嵌入箝位二極體(Embedded clamping diode)式設計的電晶體以及串疊式設計的金屬氧化物半導體場效電晶體(Cascode LV-MOSFET)。
在上述之中，原生增強型高電子遷移率電晶體之製造困難，且其閘極絕緣層的結構相當脆弱，故不利於應用。而嵌入箝位二極體式設計的電晶體除了僅能藉由脈衝寬度調變(Pulse width modulation，簡稱PWM)控制的缺點外，還具有於啟動時為常開(normally on)狀態以及需要精密的閘極驅動設計等缺點。至於串疊式設計的金屬氧化物半導體場效電晶體，則具有高封裝成本、高導通阻抗及切換速度較慢等缺點，並非增強型高電子遷移率電晶體之最佳解決方法，其結構可參下。
美國發明專利公告第US 8,624,662 B2號，提出一種電子元件，包括一空乏型電晶體、一增強型電晶體以及一單個封裝結構，該單個封裝結構封裝該空乏型電晶體和該增強型電晶體，其中，該空乏型電晶體的一源極電性連接至該增強型電晶體的一汲極，該空乏型電晶體的一汲極電性連接至該單個封裝結構的一汲極引線，該增強型電晶體的一閘極電性連接至該單個封裝結構的一閘極引線，該空乏型電晶體的一閘極電性連接至該單個封裝結構的一附加引線，該增強型電晶體的一源極電性連接至該單個封裝結構的一導電結構部分，以及該空乏型電晶體的該閘極不與封裝於該單個封裝結構中的每個電晶體的每個電極電性連接。
或如美國發明專利公告第US 8,084,783 B2號，提出一種增強型GaN場效電晶體裝置，包括一主GaN場效電晶體以及一切換元件，該切換元件與該主GaN場效電晶體連接於一疊接結構，其中該切換元件包括一並聯連接至一場效電晶體的二極體開關結構，其中該主GaN場效電晶體與該切換元件疊接而作為一增強型GaN場效電晶體裝置，其中該GaN場效電晶體單片集成至相同的基板，作為該切換元件的該場效電晶體和該二極體開關結構。
習知之寬能隙功率元件如SiC JFET及GaN HEMT元件，具有高切換速率、高耐壓以及低導通阻抗等優勢，但在將其製作為原生增強型元件時常遭遇瓶頸，另一方面，於功率元件的實際應用中，由於功率元件所乘載之功率極大，當在使用常開型元件(空乏型元件)時，若控制方面發生問題，電路將呈現短路狀態進而造成巨大的電流通過，不僅易造成電路的損壞，更可能使操作者的生命安全受到威脅。
實際舉例，以GaN HEMT來說，由於其二維電子氣(2DEG)之特性，致使製作空乏型元件(D-mode)比起製作增強型元件(E-mode)之成本低且簡單。為此，許多廠商導入了過去在矽元件上的技術，使用串疊(cascode)方式的架構來改變GaN HEMT元件的常開型特性，使其作為一複合式常關型元件被運用，此類元件的優點為能在同時提供寬能隙電晶體所具備的高崩潰電壓特性之情況下，以傳統習知的矽質金屬氧化半導體場效電晶體驅動方式驅動整體元件。但在掛載的元件仍是矽質元件的情況下，其切換速度仍然無法與原生寬能隙元件相當，且由於為串疊結構，故晶體的導通電阻相對地增加，使得寬能隙元件的優勢無法有效的發揮。
綜合以上所述，並從以上增強型高電子遷移率電晶體之舉例可知，目前在寬能隙半導體元件之技術，仍有需多待改進之處。
本發明的主要目的，在於解決習知寬能隙半導體元件生產時及實際操作使用時之問題。
為達上述目的，本發明提供一種可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，包含有一寬能隙半導體功率單元以及一準位調整單元，該寬能隙半導體功率單元具有一源極端，該準位調整單元與該源極端電性連接，其中，該準位調整單元透過該源極端提供一位移電壓而調整該寬能隙半導體功率單元的一驅動電壓準位。
為達上述目的，本發明另提供一種可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，包含有一空乏型高電子遷移率電晶體單元以及一準位調整單元，該空乏型高電子遷移率電晶體單元具有一源極端，該準位調整單元與該源極端電性連接，其中，該準位調整單元透過該源極端提供一位移電壓以調整該空乏型高電子遷移率電晶體單元的一閘源電壓。
為達上述目的，本發明另提供一種可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，包含有一空乏型場效電晶體單元以及一準位調整單元，該空乏型場效電晶體單元具有一源極端，該準位調整單元與該源極端電性連接，其中，該準位調整單元透過該源極端提供一位移電壓以調整該空乏型場效電晶體單元的一閘源電壓。
由以上可知，本發明相較於習知技藝可達到之功效在於，本發明利用該寬能隙半導體功率單元與該準位調整單元的搭配，並藉由該準位調整單元對該寬能隙半導體功率單元的該驅動電壓準位進行調整，而可做為增強型高電子遷移率電晶體(Enhancement mode high electron mobility transistor，簡稱E-mode HEMT)使用，並非習知需空乏型高電子遷移率電晶體(Depletion mode high electron mobility transistor，簡稱D-mode HEMT)與低壓增強型半導體單元組合而成，故本案的該寬能隙半導體元件相較於習知的增強型電晶體，不僅具有較低的成本，也可具有較高的切換速度。
有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：
請搭配參閱『圖1』及『圖2』所示，分別為本發明一實施例的寬能隙半導體元件示意圖以及本發明一實施例的寬能隙半導體元件封裝結構示意圖，本發明為一種可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，包含有一基板10、一寬能隙半導體功率單元20以及一準位調整單元30，該基板10的材料為銅、鋁、金或其組合。另外，該基板10的材料亦可為陶瓷或樹脂，並於其表面覆予導電路徑區域。於本實施例中，該寬能隙半導體功率單元20及該準位調整單元30較佳地以一封裝結構形成於該基板10上，並整合於一單一封裝結構40內；然於其他實施例中，亦可將該基板10與該寬能隙半導體功率單元20以及該基板10與該準位調整單元30各別封裝。於本實施例中，該單一封裝結構40包括一閘極引腳41、一汲極引腳42、一源極引腳43、一驅動電源引腳44以及一控制源引腳45，其中該些引腳彼此相互平行排列並延伸凸設於該單一封裝結構40外。
該寬能隙半導體功率單元20設置於該基板10上，其中該寬能隙半導體功率單元20可為金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，簡稱MOSFET)，例如空乏型(Depletion mode)場效電晶體或增強型(Enhancement mode)場效電晶體、接面場效應電晶體(Junction Field Effect Transistor，簡稱JFET)、高電子遷移率電晶體(High electron mobility transistor，簡稱HEMT)、絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT)或上述組合。於本發明中，該寬能隙半導體功率單元20具有一源極端21、一汲極端22以及一閘極端23。其中該閘極引腳41、該汲極引腳42及該源極引腳43分別與該寬能隙半導體功率單元20的該閘極端23、該汲極端22以及該源極端21電性連接。
該準位調整單元30設置於該基板10上並與該源極端21及該源極引腳43電性連接，該準位調整單元30提供一位移電壓並透過該源極端21以對該寬能隙半導體功率單元20的一驅動電壓準位進行調整，使該寬能隙半導體元件具有高壓增強型電晶體元件的功效。於本實施例中，以一空乏型高電子遷移率電晶體單元為例，該驅動電壓準位可為該空乏型高電子遷移率電晶體單元的一閘源電壓。
於本發明中，如『圖3A』至『圖7B』所示，該寬能隙半導體功率元件20為該空乏型高電子遷移率電晶體單元，該準位調整單元30由一第一電阻31、一第二電阻32或一穩壓二極體33所組成，其中該穩壓二極體33可為齊納二極體(Zener diode)。
於第一實施例中，如『圖3A』所示，該準位調整單元30由該第一電阻31及該穩壓二極體33組成，該第一電阻31的兩端分別與該驅動電源引腳44以及該源極端21和該源極引腳43電性連接，該穩壓二極體33的一陽極端與該控制源引腳45電性連接，該穩壓二極體33的一陰極端與該源極端21和該源極引腳43電性連接。請續參『圖3B』所示，各元件係藉由複數導電引線50電性連接，進一步來說，該閘極端23透過該導電引線50與該閘極引腳41電性連接，該汲極端22透過該導電引線50與該汲極引腳42電性連接，該源極端21透過該導電引線50與該源極引腳43電性連接，該穩壓二極體33的該陽極端透過該導電引線50與該控制源引腳45電性連接，該第一電阻31的兩端分別透過該導電引線50與該驅動電源引腳44以及該源極引腳43電性連接，需進一步說明的是，該穩壓二極體33的該陰極端係直接與該源極引腳43接觸而電性連接。
於第二實施例中，如『圖4A』所示，本實施例與第一實施例的差異為該準位調整單元30僅有該穩壓二極體33，故該穩壓二極體33的該陰極端同時與該源極端21、該源極引腳43及該驅動電源引腳44電性連接，而該穩壓二極體33的該陽極端與該控制源引腳45電性連接。請續參『圖4B』所示，由於該準位調整單元30僅有該穩壓二極體33，故該驅動電源引腳44直接透過該導電引線50與該源極引腳43電性連接，其餘連接方式與第一實施例相同，故不再另行贅述。
於第三實施例中，如『圖5A』所示，本實施例與第一實施例的差異為該準位調整單元30的該穩壓二極體33更換為該第二電阻32，故該第二電阻32的一端與該控制源引腳45電性連接，該第二電阻32的另一端與該源極端21和該源極引腳43電性連接。請續參『圖5B』所示，該第二電阻32的兩端分別透過該導電引線50與該源極引腳43以及該控制源引腳45電性連接，其餘連接方式與第一實施例相同，故不再另行贅述。
於第四實施例中，如『圖6A』所示，本實施例與第二實施例的差異為該準位調整單元30僅有該第二電阻32，故該第二電阻32的一端同時與該源極端21、該源極引腳43及該驅動電源引腳44電性連接，而該第二電阻32的另一端與該控制源引腳45電性連接。請續參『圖6B』所示，由於該準位調整單元30僅有該第二電阻32，故該第二電阻32的一端透過該導電引線50與該源極引腳43電性連接，該第二電阻32的另一端透過該導電引線50與該控制源引腳45電性連接，其餘連接方式與第二實施例相同，故不再另行贅述。
於第五實施例中，如『圖7A』及『圖7B』所示，本實施例與第二實施例的差異僅為該源極引腳43和該驅動電源引腳44的改變，主要係將第二實施例中的T字型的該源極引腳43替換成一長方形的源極引腳43A，且將該驅動電源引腳44移除，以增加該閘極引腳41、該汲極引腳42以及該控制源引腳45彼此間的距離。
於實際操作時，以本案第一實施例為舉例，請再參閱『圖3A』及『圖3B』所示，當電源由該驅動電源引腳44通過該第一電阻31並使該穩壓二極體33產生崩潰效應，使該源極端21(該穩壓二極體33的該陰極端)與該控制源引腳45(該穩壓二極體33的該陽極端)之間的電壓準位維持在該位移電壓，而對於該閘極引腳41來說，該位移電壓具有電壓準位調整的功效。上述僅舉該第一電阻31搭配該穩壓二極體33為例，只要能提供該位移電壓的準位調整器即可，並不以本案之舉例為限。
綜上所述，本發明利用將該寬能隙半導體功率單元與該準位調整單元設置於該基板上而組成該寬能隙半導體元件，藉由該準位調整單元對該寬能隙半導體功率單元的該驅動電壓準位進行調整，而可做為高壓增強型電晶體使用，並非習知係同時需高壓空乏型半導體單元與低壓增強型半導體單元的組合而成，故本案的該寬能隙半導體元件相較於習知的增強型電晶體元件，不僅具有較低的封裝成本和較高的切換速度外，更具有較便利的驅動手段以及較低的導通電阻。另外，相較於原生增強型電晶體元件，更具有於閘極絕緣層的結構維持相當程度穩定度的前提下達到較高崩潰電壓。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。
10：基板 20：寬能隙半導體功率單元 21：源極端 22：汲極端 23：閘極端 30：準位調整單元 31：第一電阻 32：第二電阻 33：穩壓二極體 40：單一封裝結構 41：閘極引腳 42：汲極引腳 43、43A：源極引腳 44：驅動電源引腳 45：控制源引腳 50：導電引線
『圖1』，為本發明一實施例的寬能隙半導體元件示意圖。 『圖2』，為本發明一實施例的寬能隙半導體元件封裝結構示意圖。 『圖3A』，為本發明第一實施例，以第一電阻及穩壓二極體為準位調整單元的寬能隙半導體電路示意圖。 『圖3B』，為本發明第一實施例，以第一電阻及穩壓二極體為準位調整單元的寬能隙半導體電路封裝結構示意圖。 『圖4A』，為本發明第二實施例，以穩壓二極體為準位調整單元的寬能隙半導體電路示意圖。 『圖4B』，為本發明第二實施例，以穩壓二極體為準位調整單元的寬能隙半導體電路封裝結構示意圖。 『圖5A』，為本發明第三實施例，以第一電阻及第二電阻為準位調整單元的寬能隙半導體電路示意圖。 『圖5B』，為本發明第三實施例，以第一電阻及第二電阻為準位調整單元的寬能隙半導體電路封裝結構示意圖。 『圖6A』，為本發明第四實施例，以第二電阻為準位調整單元的寬能隙半導體電路示意圖。 『圖6B』，為本發明第四實施例，以第二電阻為準位調整單元的寬能隙半導體電路封裝結構示意圖。 『圖7A』，為本發明第五實施例，以穩壓二極體為準位調整單元的寬能隙半導體電路示意圖。 『圖7B』，為本發明第五實施例，以穩壓二極體為準位調整單元的寬能隙半導體電路封裝結構示意圖。
20：寬能隙半導體功率單元 21：源極端 22：汲極端 23：閘極端 30：準位調整單元 40：單一封裝結構 41：閘極引腳 42：汲極引腳 43：源極引腳 44：驅動電源引腳 45：控制源引腳
Claims (15)
- 一種可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，包含有：一具有一源極端的寬能隙半導體功率單元；以及一與該源極端電性連接的準位調整單元，該準位調整單元透過該源極端提供一位移電壓而調整該寬能隙半導體功率單元的一驅動電壓準位；其中，該寬能隙半導體功率單元以及該準位調整單元形成於一單一封裝結構內，且該單一封裝結構包括一閘極引腳、一汲極引腳、一源極引腳、一驅動電源引腳以及一控制源引腳，該閘極引腳、該汲極引腳及該源極引腳分別與該寬能隙半導體功率單元的一閘極端、一汲極端以及該源極端電性連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，其中該寬能隙半導體功率單元擇自於金屬氧化物半導體場效應電晶體、接面場效應電晶體、高電子遷移率電晶體及絕緣閘雙極電晶體所組成之群組。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，其中該準位調整單元由一第一電阻和一穩壓二極體組成，該第一電阻的兩端分別與該驅動電源引腳以及該源極端電性連接，該穩壓二極體的一陽極端和一陰極端分別與該控制源引腳以及該源極端電性連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，其中該準位調整單元由一第一電阻和一第二電阻組成，該第一電阻的兩端分別與該驅動電源引腳以及該源極端電性連接，該第二電阻的兩端分別與該控制源引腳以及該源極端電性連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，其中該準位調整單元為一穩壓二極體，該穩壓二極體的一陽極端與該控制源引腳電性連接，該穩壓二極體的一陰極端與該源極端和該驅動電源引腳電性連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，其中該準位調整單元為一第二電阻，該第二電阻的一端與該控制源引腳電性連接，該第二電阻的另一端與該源極端和該驅動電源引腳電性連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，其中更包括一基板，該寬能隙半導體功率單元以及該準位調整單元設置於該基板上。
- 一種可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，包含有：一具有一源極端的空乏型高電子遷移率電晶體單元；以及一與該源極端電性連接的準位調整單元，該準位調整單元透過該源極端提供一位移電壓以調整該空乏型高電子遷移率電晶體單元的一閘源電壓；其中，該空乏型高電子遷移率電晶體單元以及該準位調整單元形成於一單一封裝結構內，且該單一封裝結構包括一閘極引腳、一汲極引腳、一源極引腳、一驅動電源引腳以及一控制源引腳，該閘極引腳、該汲極引腳及該源極引腳分別與該空乏型高電子遷移率電晶體單元的一閘極端、一汲極端以及該源極端電性連接。
- 如申請專利範圍第8項所述之可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，其中更包括一基板，該空乏型高電子遷移率電晶體單元以及該準位調整單元設置於該基板上。
- 一種可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，包含有：一具有一源極端的空乏型場效電晶體單元；以及一與該源極端電性連接的準位調整單元，該準位調整單元透過該源極端提供一位移電壓以調整該空乏型場效電晶體單元的一閘源電壓；其中，該空乏型場效電晶體單元以及該準位調整單元形成於一單一封裝結構內，且該單一封裝結構包括一閘極引腳、一汲極引腳、一源極引腳、一驅動電源引腳以及一控制源引腳，該閘極引腳、該汲極引腳及該源極引腳分別與該空乏型場效電晶體單元的一閘極端、一汲極端以及該源極端電性連接。
- 如申請專利範圍第10項所述之可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，其中更包括一基板，該空乏型場效電晶體單元以及該準位調整單元設置於該基板上。
- 如申請專利範圍第8項或第10項所述之可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，其中該準位調整單元由一第一電阻和一穩壓二極體組成，該第一電阻的兩端分別與該驅動電源引腳以及該源極端電性連接，該穩壓二極體的一陽極端和一陰極端分別與該控制源引腳以及該源極端電性連接。
- 如申請專利範圍第8項或第10項所述之可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，其中該準位調整單元由一第一電阻和一第二電阻組成，該第一電阻的兩端分別與該驅動電源引腳以及該源極端電性連接，該第二電阻的兩端分別與該控制源引腳以及該源極端電性連接。
- 如申請專利範圍第8項或第10項所述之可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，其中該準位調整單元為一穩壓二極體，該穩壓二極體的 一陽極端與該控制源引腳電性連接，該穩壓二極體的一陰極端與該源極端和該驅動電源引腳電性連接。
- 如申請專利範圍第8項或第10項所述之可調式電壓準位的寬能隙半導體元件，其中該準位調整單元為一第二電阻，該第二電阻的一端與該控制源引腳電性連接，該第二電阻的另一端與該源極端和該驅動電源引腳電性連接。
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- 2016-04-28 TW TW105113223A patent/TWI607298B/zh active
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