所公開(kāi)的技術(shù)涉及被設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)提高的性能和可靠性的半導(dǎo)體器件和模塊。

背景技術(shù)：

1、目前，包括諸如晶體管、二極管、功率mosfet、雙向開(kāi)關(guān)和絕緣柵雙極晶體管（igbt）的器件的典型的功率半導(dǎo)體器件用硅（si）半導(dǎo)體材料制造。最近，寬帶隙材料（sic、iii-n、iii-o、金剛石）由于其優(yōu)異的屬性而已經(jīng)被考慮用于功率器件。iii族氮化物或iii-n半導(dǎo)體器件，諸如氮化鎵（gan）器件，現(xiàn)在作為有吸引力的候選者出現(xiàn)，以承載大電流、支持高電壓并且提供具有快速切換時(shí)間的非常低的導(dǎo)通電阻。

2、獲得關(guān)注的一種類型的半導(dǎo)體器件是可以阻斷正電壓和負(fù)電壓并且可以調(diào)制正電流和負(fù)電流的器件。該器件通常被稱作四象限開(kāi)關(guān)（即，fqs）。該器件對(duì)于用于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的極低損耗諧振模式拓?fù)?、雙向轉(zhuǎn)換器、太陽(yáng)能逆變器和微型逆變器、高性能適配器和led驅(qū)動(dòng)器、電池/超級(jí)電容器功率管理系統(tǒng)、電流源逆變器或矩陣逆變器中的高頻操作是受關(guān)注的。如果設(shè)計(jì)良好，這樣的器件可以表現(xiàn)出低損耗、低導(dǎo)通電阻、快速切換時(shí)間，并且通常能夠承受典型地為600-1200v的大電壓。

3、對(duì)于一些應(yīng)用，fqs器件是增強(qiáng)模式（即，e模式）器件，其是常關(guān)的并且具有正閾值電壓。e模式器件的使用可防止對(duì)器件或其他電路組件的損壞，且在電路故障的情況下可防止器件的任何意外導(dǎo)通。對(duì)于一些應(yīng)用，由于其可以允許大量（substantial）電流在兩個(gè)方向上流動(dòng)以及阻斷在兩個(gè)方向上的大量電壓（例如，類似于在兩個(gè)方向上的器件的最高額定值的電壓），因此fqs器件優(yōu)于傳統(tǒng)的iii-n?hemt晶體管。

4、圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的增強(qiáng)模式fqs開(kāi)關(guān)100的電路示意圖，其包括晶體管110。開(kāi)關(guān)包括第一電極123，其可以取決于電路的電壓極性在漏極電極或源極電極（例如，d/s電極）之間交替。開(kāi)關(guān)進(jìn)一步包括第二電極133，第二電極133可以在源極電極或漏極電極（例如，s/d電極）之間交替，無(wú)論第一電極不是哪個(gè)，這取決于電路的電壓極性。開(kāi)關(guān)100包括第一柵極電極122和第二柵極電極132。開(kāi)關(guān)100還包括可以表示晶體管110的襯底的節(jié)點(diǎn)111。向節(jié)點(diǎn)111施加電壓偏置將對(duì)晶體管110的子狀態(tài)的電壓進(jìn)行偏置。

5、當(dāng)用作圖1的增強(qiáng)模式fqs開(kāi)關(guān)100時(shí)顯示出有前景的益處的一種類型的器件是iii-n高電子遷移率晶體管（hemt）。然而，高電壓常關(guān)iii-n雙向開(kāi)關(guān)的可靠設(shè)計(jì)、制造和操作迄今為止被證明是非常困難的。主要挑戰(zhàn)是（1）每個(gè)fqs的兩側(cè)之間的背柵（back-gating）串?dāng)_以及（2）組裝復(fù)雜性。因此，需要替代配置來(lái)加速iii-n?fqs開(kāi)關(guān)的市場(chǎng)適應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本文描述了四象限iii-n開(kāi)關(guān)和對(duì)應(yīng)的模塊，其中的任何一個(gè)適于作為四象限開(kāi)關(guān)（即，fqs）操作。這些器件或模塊可并入以形成電子組件封裝。與模塊中使用的iii-n器件的設(shè)計(jì)耦合的模塊的設(shè)計(jì)可以導(dǎo)致降低的電感以及其他寄生效應(yīng)，從而允許更高的電路穩(wěn)定性和改進(jìn)的性能。電子模塊還可以具有降低的大小，并且可以比諸如硅igbt的傳統(tǒng)的fqs開(kāi)關(guān)更容易組裝，從而允許更低的生產(chǎn)成本和更高的可靠性。當(dāng)不需要區(qū)分晶體管或開(kāi)關(guān)或二極管時(shí)，術(shù)語(yǔ)“器件”將通常用于任何晶體管或開(kāi)關(guān)或二極管。

2、在第一方面，描述了一種電子組件。該組件包括四象限開(kāi)關(guān)（fqs）、第一增強(qiáng)模式晶體管和第二增強(qiáng)模式晶體管。fqs是包括第一功率電極（power?electrode）、第二功率電極和第二柵極的耗盡模式iii-n器件。fqs進(jìn)一步包括iii-n材料結(jié)構(gòu)，其中iii-n材料結(jié)構(gòu)中的組分（compositional）差異在其中形成2deg溝道，以及由2deg溝道的第一部分形成的第一內(nèi)部電阻器，以及由2deg溝道的第二部分形成的第二內(nèi)部電阻器。第一增強(qiáng)模式晶體管的第一漏極電連接并且物理安裝到第一功率電極，并且第二增強(qiáng)模式晶體管的第二漏極電連接并且物理安裝到第二功率電極，其中第一內(nèi)部電阻器的第一端子連接到iii-n器件的第一柵極，并且第一內(nèi)部電阻器的第二端子電連接到增強(qiáng)模式晶體管的第一漏極，并且第二內(nèi)部電阻器的第一端子連接到iii-n器件的第二柵極，并且第二內(nèi)部電阻器的第二端子電連接到第二增強(qiáng)模式晶體管的第二漏極。

3、在第二方面，描述了一種電子組件。電子組件包括封裝、第一端子、第二端子、第三端子、第四端子、結(jié)構(gòu)封裝基底、絕緣墊片和混合增強(qiáng)模式四象限開(kāi)關(guān)。四象限開(kāi)關(guān)包括iii-n耗盡模式器件、第一增強(qiáng)模式晶體管和第二增強(qiáng)模式晶體管。耗盡模式iii-n器件包括襯底、第一功率電極、第二功率電極、第一柵極、第二柵極和iii-n材料結(jié)構(gòu)，其中iii-n材料結(jié)構(gòu)中的組分差異在其中形成2deg溝道。第一增強(qiáng)模式晶體管包括第一漏極、第一源極和第三柵極。第二增強(qiáng)模式晶體管包括第二漏極、第二源極和第四柵極。第一增強(qiáng)模式晶體管的第一漏極電連接并且物理安裝到第一功率電極，并且第二增強(qiáng)模式晶體管的第二漏極電連接并且物理安裝到第二功率電極。絕緣墊片包括絕緣層、第一金屬層和位于絕緣層的與第一金屬層相對(duì)的一側(cè)上的第二金屬層，并且第二金屬層物理安裝到結(jié)構(gòu)封裝基底。第一金屬層包括至少五個(gè)部分，每個(gè)部分通過(guò)穿過(guò)第一金屬層形成的溝槽彼此電隔離。iii-n耗盡模式器件的襯底附接到第一金屬層的第一部分，并且第一增強(qiáng)模式晶體管的第三柵極電連接到第一金屬層的第二部分，第一金屬層的第三部分電連接到電子封裝的第一端子，并且第一鐵氧體磁珠（ferrite?bead）連接在第一金屬層的第二部分和第三部分之間，并且第二增強(qiáng)模式晶體管的第四柵極電連接到第一金屬層的第四部分，第一金屬層的第五部分電連接到第二端子，并且第二鐵氧體磁珠連接在第一金屬層的第四部分和第五部分之間。

4、在第三方面，描述了電子電路。電子電路包括高電壓節(jié)點(diǎn)、接地節(jié)點(diǎn)、第一電阻器、第二電阻器、四象限開(kāi)關(guān)（fqs）、第一增強(qiáng)模式晶體管和第二增強(qiáng)模式晶體管。fqs是耗盡模式iii-n器件，包括第一功率電極、第二功率電極、第一柵極和第二柵極。第一增強(qiáng)模式晶體管包括第一漏極、第一源極和第三柵極。第二增強(qiáng)模式晶體管包括第二漏極、第二源極和第四柵極。第一增強(qiáng)模式晶體管的第一漏極電連接到第一功率電極，并且第二增強(qiáng)模式晶體管的第二漏極電連接到第二功率電極。耗盡模式iii-n器件的第一柵極和第一增強(qiáng)模式晶體管的第一源極電連接到高電壓節(jié)點(diǎn)。耗盡模式iii-n器件的第二柵極和第二增強(qiáng)模式晶體管的第二源極電連接到接地節(jié)點(diǎn)，其中第一電阻器的第一端子連接到iii-n器件的第一柵極，并且第一內(nèi)部電阻器的第二端子電連接到第一增強(qiáng)模式晶體管的第一漏極，并且第二電阻器的第一端子連接到iii-n器件的第二柵極，并且第二電阻器的第二端子電連接到第二增強(qiáng)模式晶體管的第二漏極。

5、本文描述的電子模塊和/或晶體管中的每一個(gè)可以包括以下特征中的一個(gè)或多個(gè)特征。第一內(nèi)部電阻器和第二內(nèi)部電阻器可以具有1mohm-100mohm之間的電阻。第一內(nèi)部電阻器和第二內(nèi)部電阻器的電阻可以使用2deg溝道電荷的部分來(lái)形成。電子封裝可以是to型封裝。第一鐵氧體磁珠可以連接在第一增強(qiáng)模式晶體管的第一柵極和第一端子之間，并且第二鐵氧體磁珠可以連接在第二增強(qiáng)模式晶體管的第二柵極和第四端子之間。第一鐵氧體磁珠和第二鐵氧體磁珠可以形成低通濾波器，該低通濾波器被配置為減少具有高于100mhz的頻率的振蕩。耗盡模式iii-n器件的第一柵極和第一增強(qiáng)模式器件的第一源極可以電連接到電子封裝的第三端子。耗盡模式iii-n器件的第二柵極和第二增強(qiáng)模式器件的第二源極可以電連接到電子封裝的第四端子。耗盡模式器件的襯底和第一金屬層的第一部分可以與電子封裝的第一端子、第二端子、第三端子和第四端子電隔離。耗盡模式器件的襯底可以保持在浮動(dòng)電勢(shì)。高電壓節(jié)點(diǎn)能夠大于600v。當(dāng)?shù)谝粬艠O被偏置為低于第一閾值電壓并且第二柵極被偏置為高于第二閾值電壓時(shí)，大量電流可以在第一方向上流過(guò)耗盡模式iii-n器件的溝道。當(dāng)?shù)谝粬艠O被偏置為高于第一閾值電壓并且第二柵極被偏置為低于第二閾值電壓時(shí)，大量電流可以在第二方向上流過(guò)耗盡模式iii-n器件的溝道。當(dāng)?shù)谝粬艠O被偏置為低于第一閾值電壓并且第二柵極被偏置為低于第二閾值電壓時(shí)，大量電流可以在第一方向和第二方向兩者上被阻斷通過(guò)耗盡模式iii-n器件的溝道。耗盡模式iii-n器件可以是algan/gan?hemt。

6、如本文所使用的，“混合增強(qiáng)模式電子器件或組件”或簡(jiǎn)稱為“混合器件或組件”是由耗盡模式晶體管和增強(qiáng)模式晶體管形成的電子器件或組件，其中耗盡模式晶體管能夠具有與增強(qiáng)模式晶體管相比更高的操作和/或擊穿電壓，并且混合器件或組件被配置為與具有與耗盡模式晶體管一樣高的擊穿和/或操作電壓的單個(gè)增強(qiáng)模式晶體管來(lái)類似地操作。也就是說(shuō)，混合增強(qiáng)模式器件或組件包括具有以下屬性的至少3個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)?shù)谝还?jié)點(diǎn)（源極節(jié)點(diǎn)）和第二節(jié)點(diǎn)（柵極節(jié)點(diǎn)）保持在相同電壓時(shí)，混合增強(qiáng)模式器件或組件可以阻斷相對(duì)于源極節(jié)點(diǎn)施加到第三節(jié)點(diǎn)（漏極節(jié)點(diǎn)）的正高電壓（即，大于增強(qiáng)模式晶體管能夠阻斷的最大電壓的電壓）。當(dāng)柵極節(jié)點(diǎn)相對(duì)于源極節(jié)點(diǎn)保持在足夠正的電壓（即，大于增強(qiáng)模式晶體管的閾值電壓）時(shí)，電流從源極節(jié)點(diǎn)傳遞到漏極節(jié)點(diǎn)，或者當(dāng)將足夠正的電壓相對(duì)于源極節(jié)點(diǎn)施加到漏極節(jié)點(diǎn)時(shí)，電流從漏極節(jié)點(diǎn)傳遞到源極節(jié)點(diǎn)。當(dāng)增強(qiáng)模式晶體管是低電壓器件并且耗盡模式晶體管是高電壓器件時(shí)，混合組件可以與單個(gè)高電壓增強(qiáng)模式晶體管類似地操作。耗盡模式晶體管可以具有是增強(qiáng)模式晶體管的擊穿和/或最大操作電壓的至少兩倍、至少三倍、至少五倍、至少十倍或至少二十倍的擊穿和/或最大操作電壓。

7、如本文所用，術(shù)語(yǔ)iii族氮化物或iii-n材料、層、器件等是指由根據(jù)化學(xué)計(jì)量式的化合物半導(dǎo)體材料組成的材料或器件，其中w+x+y+z約為1，其中0≤w≤1，0≤x≤1，0≤y≤1并且0≤z≤1。iii-n材料、層或器件可以通過(guò)直接生長(zhǎng)在合適的襯底上（例如，通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積）或生長(zhǎng)在合適的襯底上、與原始襯底分開(kāi)并且接合到其他襯底來(lái)形成或制備。

8、如本文所使用的，如果兩個(gè)或更多個(gè)觸點(diǎn)或諸如導(dǎo)電溝道或組件的其他項(xiàng)通過(guò)足夠?qū)щ姷牟牧线B接，則它們被稱為“電連接”，以確保觸點(diǎn)中的每個(gè)觸點(diǎn)或其他項(xiàng)處的電位旨在在任何偏置條件下始終相同，例如大約相同。

9、如本文中所使用，“阻斷電壓”是指晶體管、器件或組件在跨晶體管、器件或組件施加電壓時(shí)防止諸如在常規(guī)傳導(dǎo)期間大于操作電流的0.001倍的電流的顯著電流流過(guò)晶體管、器件或組件的能力。換句話說(shuō)，當(dāng)晶體管、器件或組件阻斷跨其上施加的電壓時(shí)，穿過(guò)晶體管、器件或組件的總電流將不大于常規(guī)傳導(dǎo)期間的操作電流的0.001倍。具有大于該值的關(guān)斷狀態(tài)電流的器件表現(xiàn)出高損耗和低效率，并且通常不適合于許多應(yīng)用，尤其是功率切換應(yīng)用。

10、如本文中所使用，“高電壓器件”，例如高電壓切換晶體管、hemt、雙向開(kāi)關(guān)或四象限開(kāi)關(guān)（fqs），是針對(duì)高電壓應(yīng)用優(yōu)化的電子器件。也就是說(shuō)，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，它能夠阻斷高電壓，諸如約300v或更高、約600v或更高、或約1200v或更高，并且當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，它對(duì)于使用它的應(yīng)用具有足夠低的導(dǎo)通電阻（ron），例如，當(dāng)大量電流穿過(guò)器件時(shí)，它經(jīng)歷足夠低的傳導(dǎo)損耗。高電壓器件可以至少能夠阻斷等于高電壓供應(yīng)的電壓或使用它的電路中的最大電壓。高電壓器件可以能夠阻斷300v、600v、1200v、1700v、2500v或由應(yīng)用所需的其他合適的阻斷電壓。換句話說(shuō)，高電壓器件可以阻斷0v和至少vmax之間的所有電壓，其中vmax是可以由電路或功率供應(yīng)的最大電壓，并且vmax可以例如是300v、600v、1200v、1700v、2500v或由應(yīng)用所需的其他合適的阻斷電壓。對(duì)于雙向或四象限開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷（，諸如或、等）時(shí)，阻斷電壓可以具有小于某一最大值的任何極性，并且當(dāng)開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通時(shí)，電流可在任一方向上。

11、如本文所使用的，“iii-n器件”是具有在iii-n材料中形成的導(dǎo)電溝道的器件。iii-n器件可以被設(shè)計(jì)為作為晶體管或開(kāi)關(guān)操作，其中器件的狀態(tài)由柵極端子控制，或者作為在沒(méi)有柵極端子的情況下阻止在一個(gè)方向上電流流動(dòng)并且在另一個(gè)方向上傳導(dǎo)的兩端子器件來(lái)操作。iii-n器件可以是適用于高電壓應(yīng)用的高電壓器件。在這樣的高電壓器件中，當(dāng)器件被偏置關(guān)斷（例如，柵極上相對(duì)于源極的電壓小于器件閾值電壓）時(shí)，它至少能夠支持小于或等于在其中使用該器件的應(yīng)用中的高電壓的所有源極-漏極電壓，其例如可以是100v、300v、600v、1200v、1700v、2500v或更高。當(dāng)高電壓器件被偏置導(dǎo)通（例如，柵極上相對(duì)于源極或相關(guān)聯(lián)的功率端子的電壓大于器件閾值電壓）時(shí)，它能夠以低導(dǎo)通電壓（即，源極端子和漏極端子之間或相對(duì)的功率端子之間的低電壓）傳導(dǎo)大量電流。最大允許導(dǎo)通電壓是在使用該器件的應(yīng)用中可以維持的最大導(dǎo)通狀態(tài)電壓。

12、如本文所用，術(shù)語(yǔ)“在…上方”、“在…下方”、“在…之間”和“在…上”是指一個(gè)層相對(duì)于其他層的相對(duì)位置。因此，例如，設(shè)置在另一層上方或下方的一層可以與另一層直接接觸，或者可以具有一個(gè)或多個(gè)中間層。此外，設(shè)置在兩個(gè)層之間的一個(gè)層可以與兩個(gè)層直接接觸，或者可以具有一個(gè)或多個(gè)中間層。相對(duì)比，第二層“上”的第一層與該第二層接觸。另外，假設(shè)相對(duì)于襯底執(zhí)行操作而不考慮襯底的絕對(duì)定向，提供一個(gè)層相對(duì)于其他層的相對(duì)位置。

13、在使用高電壓切換晶體管的典型功率切換應(yīng)用中，晶體管在大部分時(shí)間期間處于兩種狀態(tài)中的一種。在通常被稱為“導(dǎo)通狀態(tài)”的第一狀態(tài)中，柵極電極處相對(duì)于源極電極的電壓高于晶體管閾值電壓，并且大量電流流過(guò)晶體管。在該狀態(tài)下，源極和漏極之間的電壓差典型地是低的，通常不多于幾伏，諸如約0.1-5伏。在通常被稱為“關(guān)斷狀態(tài)”的第二狀態(tài)中，柵極電極處相對(duì)于源極電極處的電壓低于晶體管閾值電壓，并且除了關(guān)斷狀態(tài)泄漏電流之外沒(méi)有大量電流流過(guò)晶體管。在此第二狀態(tài)中，源極與漏極之間的電壓可在從約0v到電路高電壓供應(yīng)的值——其在一些情況下能夠高達(dá)100v、300v、600v、1200v、1700v或更高——的任何范圍內(nèi)，但可小于晶體管的擊穿電壓。在一些應(yīng)用中，電路中的電感元件使得源極和漏極之間的電壓甚至高于電路高電壓供應(yīng)。另外，在柵極已經(jīng)被導(dǎo)通或關(guān)斷之后立即存在短時(shí)間，在所述短時(shí)間期間晶體管處于上述兩個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變模式。當(dāng)晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，它被稱為“阻斷”源極和漏極之間的“電壓”。

14、如本文所用，“電極”是指器件或晶體管內(nèi)的金屬層，其連接到器件的半導(dǎo)體材料的源極、柵極或漏極區(qū)。“焊盤（pad）”，諸如“源極焊盤、漏極焊盤或柵極焊盤”，是指電極的最上面的未鈍化部分，其用于例如利用焊料、環(huán)氧樹(shù)脂、導(dǎo)線接合（wire-bond）和/或金屬夾將器件或晶體管電連接到封裝。

15、在附圖和下面的描述中闡述了本說(shuō)明書(shū)中描述的主題的一個(gè)或多個(gè)公開(kāi)的實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。附加特征和變型也可以包括在實(shí)施方式中。根據(jù)說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求，其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。