[0069]圖6是示例性AC開關(guān)61的分層剖視圖。在圖6的示例中，AC開關(guān)61是形成在半導(dǎo)體裸片111內(nèi)的常通GaN晶體管。半導(dǎo)體裸片111包括GaN層112、共同襯底114、二維電子氣(2DEG)區(qū)域116、AlGaN層118、和GaN封蓋120、以及鈍化層122。
[0070]半導(dǎo)體裸片111進(jìn)一步包括AC開關(guān)6H的源極區(qū)域124A和124B、柵極區(qū)域126A和126B、以及歐姆接觸128A和128B。歐姆接觸128A和源極124A —起形成了 AC開關(guān)6H的第一負(fù)載端子130A，而歐姆接觸128B和源極124B —起形成了 AC開關(guān)6H的另一負(fù)載端子130B。盡管圖6示出了肖特基柵極結(jié)構(gòu)，應(yīng)該理解的是，該器件概念可以與諸如p型摻雜AlGaN柵極結(jié)構(gòu)的不同類型柵極結(jié)構(gòu)組合，以形成柵極注入晶體管。
[0071]作為一個(gè)示例，參照?qǐng)D1的系統(tǒng)1A，AC開關(guān)6H可以經(jīng)由鏈路9B和柵極端子126A和126B耦合至控制器單元5的柵極驅(qū)動(dòng)器。AC開關(guān)6H可以例如通過將鏈路8連接至負(fù)載端子130A并且將鏈路10連接至負(fù)載端子130B，而耦合至AC電源2和AC負(fù)載4。
[0072]2DEG區(qū)域116是其中電子氣體在兩個(gè)維度中自由移動(dòng)、但是牢固地約束在第三維中的二維電子氣的導(dǎo)電溝道。在一些示例中，2DEG區(qū)域116可以由在兩個(gè)半導(dǎo)材料之間的異質(zhì)結(jié)形成以將電子約束至三角形量子阱。在其他示例中，與M0SFET相比，約束至HEMT的2DEG區(qū)域116的電子展現(xiàn)更高的迀移率，因?yàn)镠EMT采用了故意不摻雜的溝道，由此減輕了離子化雜質(zhì)散射的有害效應(yīng)。
[0073]GaN封蓋120是可選的并且代表了層疊在AlGaN層118頂部上的GaN層。在一些示例中，當(dāng)肖特基勢(shì)皇用作柵極時(shí)GaN封蓋120可以用于減小半導(dǎo)體裸片111的泄露電流。在其他示例中，GaN封蓋120可以提供對(duì)電子的附加阻擋層。鈍化層122在一些示例中由氮化硅(SiN)制成。鈍化層122可以通過減小SiN/GaN/AlGaN界面層陷阱密度而幫助降低電流崩塌。鈍化層122主要目的在于鈍化半導(dǎo)體裸片211的表面并且減少表面陷阱對(duì)器件性能的影響。此外，另一或相同鈍化層也可以用作柵極介電質(zhì)以減少總的柵極泄露電流。
[0074]圖7A和圖7B是示出了根據(jù)本公開一個(gè)或多個(gè)方面用于動(dòng)態(tài)地配置AC開關(guān)210的示例性功率電路200A和200B的電路圖。AC開關(guān)210包括負(fù)載端子130A和130B并且代表了圖5A-圖5C中所示基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)6F-6H(例如雙向阻斷和導(dǎo)通開關(guān))中的任意AC開關(guān)。盡管描述作為分離的示例性功率電路，功率電路200A和200B的部分可以組合為單個(gè)功率電路。例如，功率電路200A的耦合電路221A可以用于與功率電路200B的耦合電路221B組合，并且這兩個(gè)不同類型的耦合電路可以執(zhí)行在此所述的技術(shù)，以防止在II1-V半導(dǎo)體層中電流崩塌。
[0075]在圖7A和圖7B的每個(gè)示例中，AC開關(guān)210至少部分地形成在形成于單個(gè)半導(dǎo)體裸片211的單個(gè)共同襯底214頂部上的II1-V半導(dǎo)體層212內(nèi)。AC開關(guān)210是橫向器件，意味著構(gòu)成AC開關(guān)210的所有HEMT器件單片的集成至一個(gè)或多個(gè)II1-V半導(dǎo)體層212上并且在相同半導(dǎo)體裸片211的相同共同襯底214上。換言之，半導(dǎo)體裸片211包括共同襯底214(例如由S1、SiC、藍(lán)寶石等制成)以及形成于共同襯底214頂部上的II1-V半導(dǎo)體層212。在一些示例中，II1-V半導(dǎo)體層212是II1-V半導(dǎo)體材料的兩個(gè)或更多個(gè)不同層。也SP，AC開關(guān)210的器件僅需要形成在相同共同襯底214上，然而可以至少部分地集成在不同的II1-V半導(dǎo)體層212內(nèi)。例如，ΙΙΙ-ν半導(dǎo)體層212可以代表相互不接觸的兩個(gè)II1-V半導(dǎo)體層或“島”，其通過刻蝕去除兩個(gè)II1-V半導(dǎo)體島之間的區(qū)域而形成。
[0076]AC開關(guān)210 (例如雙向開關(guān)器件)至少部分地形成在II1-V半導(dǎo)體層212內(nèi)，并且至少具有負(fù)載端子130A和130B。盡管在一些示例中，AC開關(guān)210可以具有更多負(fù)載端子。
[0077]AC開關(guān)210的負(fù)載端子130A和130B對(duì)應(yīng)于任何AC開關(guān)6的相同負(fù)載端子。也SP，AC開關(guān)210的負(fù)載端子130A耦合至鏈路8，并且AC開關(guān)210的負(fù)載端子130B耦合至鏈路10。開關(guān)210的一個(gè)或多個(gè)柵極經(jīng)由鏈路9B耦合至控制器單元5的一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)器。在一些示例中，例如，當(dāng)AC開關(guān)是類似于AC開關(guān)6F的共同源極型雙向開關(guān)時(shí)，鏈路9B可以是將控制器單元5的單個(gè)驅(qū)動(dòng)器耦合至AC開關(guān)210的單個(gè)鏈路9B。在一些示例中，例如，當(dāng)AC開關(guān)是類似于AC開關(guān)6G和6H的共同漏極或單個(gè)II1-V半導(dǎo)體HEMT器件型雙向開關(guān)時(shí)，鏈路9B可以包括鏈路9B的將控制器單元5的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器耦合至AC開關(guān)210的兩個(gè)鏈路(例如鏈路19A和19B)。
[0078]功率電路200A和200B也分別包括耦合結(jié)構(gòu)221A和221B。耦合結(jié)構(gòu)221A和221B配置用于幫助防止在AC開關(guān)210中的電流崩塌。耦合結(jié)構(gòu)可以設(shè)置在裸片211外部或者在一些示例中至少部分地設(shè)置在裸片211內(nèi)。耦合結(jié)構(gòu)221A和221B可以將半導(dǎo)體裸片211的共同襯底214動(dòng)態(tài)地耦合和去耦合至負(fù)載端子130A電位和負(fù)載端子130B電位之中的最低電位。換言之，為了避免由于II1-V半導(dǎo)體層212引起的任何動(dòng)態(tài)的RDS(]N效應(yīng)或任何不利的電流崩塌現(xiàn)象，耦合結(jié)構(gòu)221A和221B可以確保共同襯底214與AC開關(guān)210的負(fù)載端子130A或130B處的最低電位耦合并且相同或者至少接近(例如減去各自耦合結(jié)構(gòu)221A和221B的電壓降)。如此方式，耦合結(jié)構(gòu)221A和221B可以配置共同襯底214以似乎總是處于或者至少接近最低電位負(fù)載端子處，以將行進(jìn)通過AC開關(guān)210的導(dǎo)電溝道的電流載流子排斥遠(yuǎn)離II1-V半導(dǎo)體層212的陷阱。耦合結(jié)構(gòu)221A和221B可以確保襯底214的電位不會(huì)增大至比負(fù)載端子130A和130B的任一個(gè)的電位更大的電位。然而襯底214的電位可以在負(fù)載端子130A和130B的電位的最低電位處或附近(例如，由于跨耦合結(jié)構(gòu)221A和221B的電壓降，而在高于幾伏的范圍內(nèi))。通過依賴于耦合結(jié)構(gòu)221A和221B，功率電路200A和200B兩者可以用于動(dòng)態(tài)地重新配置AC開關(guān)210以沿兩個(gè)方向阻斷和導(dǎo)通電流，不論跨負(fù)載端子130A和130B的電壓是大于還是小于電壓閾值(例如零伏)。換言之，隨著AC電源2和AC負(fù)載4之間AC電壓的極性周期性地改變，耦合結(jié)構(gòu)221A和221B可以確保AC開關(guān)210的襯底214總是保持在分別施加至負(fù)載端子130A和130B的兩個(gè)電位的較低電位處或附近。
[0079]圖7的功率電路200A的耦合結(jié)構(gòu)221A包括設(shè)置在共同襯底214和負(fù)載端子130A之間的元件230A (例如二極管)。功率電路200A的耦合結(jié)構(gòu)221B包括設(shè)置在共同襯底214和負(fù)載端子130B之間的元件230B。
[0080]元件230B配置用于響應(yīng)于跨負(fù)載端子130A和130B的電壓大于閾值(例如零伏)、或者響應(yīng)于負(fù)載端子130B的電位小于負(fù)載端子130A的電位，而將共同襯底214電耦合至負(fù)載端子130B的電位。換言之，當(dāng)負(fù)載端子130B處電位小于負(fù)載端子130A處電位時(shí)，耦合結(jié)構(gòu)221B的元件230B配置用于動(dòng)態(tài)地將共同襯底214的電位耦合至負(fù)載端子130B的電位，以使得負(fù)載端子130B和共同襯底214近似處于相同電位(例如，在幾伏內(nèi)，但是偏離了等于跨耦合結(jié)構(gòu)221B的電壓降的量)。
[0081]元件230A配置用于響應(yīng)于跨負(fù)載端子130A和130B的電壓小于閾值(例如零伏)、或響應(yīng)于負(fù)載端子130A電位小于負(fù)載端子130B電位，而將共同襯底214電耦合至負(fù)載端子130A。換言之，當(dāng)負(fù)載端子130A處電位小于負(fù)載端子130B處電位時(shí)，耦合結(jié)構(gòu)221A的元件230A配置用于將共同襯底214動(dòng)態(tài)地耦合至負(fù)載端子130A，以使得負(fù)載端子130A和共同襯底214近似處于相同電位(例如，在幾伏內(nèi)，但是以跨耦合結(jié)構(gòu)221A的電壓降的量而偏離)。
[0082]元件230A和230B是“無(wú)源”元件而非“有源”元件。換言之，元件230A和230B不具有各自的控制端子，并且因此不可經(jīng)由專用控制信號(hào)輸入而單獨(dú)可控。例如，元件230A和230B的每個(gè)可以是如圖7A所示的單獨(dú)二極管。在一些示例中，元件230A和230B的每個(gè)可以是單獨(dú)的肖特基二極管。當(dāng)功率電路200A用于線性頻率應(yīng)用時(shí)，元件230A和230B可以僅需以50至60Hz的頻率范圍而切換。元件230A和230B可以僅承載了襯底214的電容性位移電流，這種電容性位移電流可以是很低電平的電流(例如，可能僅幾百mA)。作為二極管，元件230A和230B兩者可以每個(gè)具有不同的正向電壓降。如前所述，功率電路200A和200B的部分可以組合，以使得元件230A可以通過耦合結(jié)構(gòu)221A使用，而元件230B可以通過耦合結(jié)構(gòu)221B使用。在一些示例中，每個(gè)元件230A和230B可以是低壓二極管和橫向HEMT的相應(yīng)共射共基型設(shè)置，該低壓二極管和橫向HEMT —起配置作為圖7B中所示的相應(yīng)二極管。這種共射共基型設(shè)置參照附加的附圖而描述。
[0083]圖7B的功率電路200B的耦合結(jié)構(gòu)221A包括設(shè)置在共同襯底214和負(fù)載端子130A之間的元件240A(例如基于晶體管的(transistor based)開關(guān))，以及圖7B的功率電路200B的耦合結(jié)構(gòu)221B包括設(shè)置在共同襯底214和負(fù)載端子130B之間的元件240B。元件240A和240B經(jīng)由柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)而被控制，該柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)由控制器單元5經(jīng)由鏈路9B的鏈路19C和19D來(lái)提供。
[0084]例如，在確定了跨負(fù)載端子130A和130B的電壓大于閾值(例如零伏)、或在確定了負(fù)載端子130B處電位小于負(fù)載端子130A處電位之后，控制器單元5可以在鏈路19D之上產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以激活元件240B并且使得元件240B以將共同襯底214動(dòng)態(tài)地電耦合至負(fù)載端子130B。換言之，當(dāng)控制器單元5確定了負(fù)載端子130B處電位小于負(fù)載端子130A處電位時(shí)，控制器單元5可以配置耦合結(jié)構(gòu)221B的元件240B，以將共同襯底214動(dòng)態(tài)地耦合至負(fù)載端子130B，以使得負(fù)載端子130B和共同襯底214處于近似相同電位(例如，在幾伏內(nèi)，但是以跨各自耦合結(jié)構(gòu)221A或221B的電壓降而偏離)。
[0085]在確定了跨負(fù)載端子130A和130B的電壓小于閾值(例如零伏)之后、或者在確定了負(fù)載端子130A處電位小于負(fù)載端子130B處電位之后，控制器單元5可以在鏈路19C之上產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以激活元件240A并配置元件240A以將共同襯底214動(dòng)態(tài)地電耦合至負(fù)載端子130A。換言之，當(dāng)控制器單元5確定了負(fù)載端子130A處電位小于負(fù)載端子130B處電位時(shí)，控制器單元5可以配置耦合結(jié)構(gòu)221B的元件240A，以將共同襯底214動(dòng)態(tài)地耦合至負(fù)載端子130A，以使得負(fù)載端子130A和共同襯底214處于近似相同電位(例如，在幾伏內(nèi)，但是以跨各自耦合結(jié)構(gòu)221A或221B的電壓降而偏離)。
[0086]元件240A和240B是“有源”元件而非“無(wú)源”元件。換言之，元件240A和240B具有各自的控制端子(例如參見鏈路19C和19D)并且因此是經(jīng)由專用控制信號(hào)輸入(例如經(jīng)由鏈路19C和19D而由控制單元5提供)而可單獨(dú)控制的。例如，元件240A和240B的每個(gè)可以是如圖7B中所示的單獨(dú)基于晶體管的開關(guān)器件。有源元件240A和240B可以具有如圖7B中所示的反并聯(lián)本體二極管。開關(guān)可以基于經(jīng)由鏈路9和控制器單元5接收到的控制信號(hào)而被激活。例如，控制器單元5可以確定跨負(fù)載端子130A和130B的電壓是大于還是小于電壓閾值。基于對(duì)跨負(fù)載端子130A和130B的電壓極性的檢測(cè)，控制器單元5可以在鏈路9B的鏈路19C和19D之上產(chǎn)生使得元件240A和240B導(dǎo)通或關(guān)斷的控制信號(hào)。
[0087]在一些示例中，耦合結(jié)構(gòu)221A和221B可以單片的集成至裸片211上，并且至少部分地形成在裸片211上的II1-V半導(dǎo)體層212內(nèi)。在一些示例中，耦合結(jié)構(gòu)221A和221B至少部分地集成在裸片211內(nèi)的各處以及在裸片211外部。
[0088]在一些示例中，控制器單元5可以配置用于控制耦合結(jié)構(gòu)221B，以將半導(dǎo)體裸片211的共同襯底214動(dòng)態(tài)地耦合至AC開關(guān)210的負(fù)載端子130A電位與負(fù)載端子130B電位之中的最低電位。例如，作為一個(gè)示例，控制器單元5可以接收關(guān)于在AC電源2和AC負(fù)載4之間電壓的信息(例如，來(lái)自AC電源2和/或AC負(fù)載4，經(jīng)由鏈路9A和/或鏈路9C)。例如，控制器單元5可以測(cè)量跨負(fù)載端子130A和130B的電壓。一旦電壓改變極性(例如從正值變?yōu)樨?fù)值或者從負(fù)值變?yōu)檎?，控制器單元5可以確定此時(shí)應(yīng)當(dāng)交替地安排:哪個(gè)耦合結(jié)構(gòu)221A和221B是激活的。在一些示例中，控制器單元5可以從AC開關(guān)210和鏈路9B直接接收指示了跨負(fù)載端子130A和130B的電壓的信息。在任何情況下，基于關(guān)于跨AC開關(guān)210的電壓的信息，控制器單元5可以確定負(fù)載端子130A處電位或負(fù)載端子130B處電位是否是AC開關(guān)210的最低電位。
[0089]圖8A是示出了圖7A中所示功率電路200A的電壓特性的定時(shí)圖。例如，圖8A包括電壓曲線500-506，每個(gè)示出了在AC開關(guān)210工作期間在時(shí)刻tl和t3之間在功率電路200A的一部分處的電壓電平。曲線500和501示出了在鏈路19A和19B之上用于控制AC開關(guān)210的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。曲線502示出了在時(shí)刻tl和t3之間跨元件230B的電壓，其處于與曲線503所示時(shí)刻tl和t3之間跨元件230A的電壓的相反極性下。曲線504示出了時(shí)刻tl和t3之間負(fù)載端子130B處電壓，其在與曲線505所示時(shí)刻tl和t3之間負(fù)載端子130A處電壓的相反極性下。如曲線506所示，因?yàn)轳詈辖Y(jié)構(gòu)將共同襯底214動(dòng)態(tài)地耦合至最低負(fù)載端子電位，所以共同襯底214的電位跟隨曲線504和505的負(fù)載端子130A或負(fù)載端子130B的較低電位。<