[发明专利]基于栅极保护的级联电路及级联器件

说明书

本发明揭示了一种基于栅极保护的级联电路及级联器件，所述级联电路包括高压耗尽型器件、低压增强型器件及低压耗尽型器件，所述高压耗尽型器件包括第一栅极、第一源极及第一漏极，低压增强型器件包括第二栅极、第二源极及第二漏极，低压耗尽型器件包括第三栅极、第三源极及第三漏极，所述第一源极与第二漏极电性连接，第一栅极与第二源极电性连接，第二栅极与第三源极和第三栅极电性连接，第一漏极作为级联电路的漏极，第二源极作为级联电路的源极，第三漏极作为级联电路的栅极。本发明能够大幅降低传统增强型器件的等效米勒电容，即使在栅极驱动电流因栅极保护单元而严重受限的情况下，仍然能够使器件满足实际应用中对器件开关速度的需求。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于栅极保护的级联电路及级联器件。

背景技术

氮化镓作为一种第三代宽禁带半导体材料，相比于传统材料有着优异的特性。首先，氮化镓具有3.4eV的宽能隙以及超过3MV/cm的高击穿电场。相比于硅和砷化镓，3倍以上的能隙以及10倍以上的击穿电场使基于氮化镓的电子器件的耐压更高，也更适用于大功率应用。同时，与砷化镓类似，氮化镓也具备通过异质结构形成二维电子气的能力。不同的是，在铝镓氮/氮化镓异质结构中，二维电子气可以由极化效应自然形成，不需要额外掺杂来引入载流子。这大幅减小了载流子的散射效应，使基于铝镓氮/氮化镓的电子器件能够同时实现高载流子浓度和高载流子迁移率，从而减小了器件的导通电阻并提升其开关速度。因此，基于氮化镓器件的功率产品通常体积更小，转换效率也更高。随着氮化镓材料及器件技术的不断提升和成本的不断下降，氮化镓器件将在功率应用中受到越来越广泛的青睐。

现阶段氮化镓增强型器件主要问题之一在于其栅极正向耐压的不足。由于目前商用氮化镓增强型器件均采用p型栅极技术来实现，而当p型栅极正向电压过高时，就会产生栅极正向电流导致器件损坏。包括来自EPC，GaNsystems等最早一批的国际氮化镓企业的器件在内，都只能承受不超过+7V的正向栅极电压，远远小于同类硅器件+20V以上的栅极耐压。这使得大部分现有的硅驱动器都无法直接驱动氮化镓器件，大幅增加了氮化镓在应用上的难度和成本。更重要的是，即使采用针对氮化镓器件特殊设计的驱动芯片，栅极回路中因寄生电感产生的电压扰动也可以轻易的导致栅极电压超出器件可承受的范围，从而给器件在应用中带来可靠性问题。因此，有效的栅极保护技术成为了使氮化镓器件成功应用不可缺少的一环。

传统的栅极保护技术通常采用在栅极并联齐纳二极管的方式。这种方法在应用于氮化镓功率器件时存在弊端。第一，氮化镓因缺乏实现齐纳二极管的能力，需要外接硅基齐纳二极管来实现栅极保护。这就对封装以及栅极回路中寄生电感的控制带来了挑战。另外，这种方法仍然需要配合针对氮化镓器件特殊设计的控制芯片一起来使用，增加了器件的使用难度和成本。最后，齐纳二极管的使用还会造成氮化镓器件等效栅极电容的增加，从而影响器件的动态性能。

针对传统保护技术的不足，香港科技大学提出了一种单片集成的栅极保护单元。通过在传统氮化镓增强型功率器件的栅极串联一个氮化镓耗尽型器件，限制了能够流入增强型器件栅极的最大电流。当耗尽型器件的饱和电流小于增强型器件可承受的最大栅极正向电流时，这种保护单元就可以有效的防止增强型器件因栅极电流过大而损坏。更重要的是，采用此种保护方法避免了硅基齐纳二极管的使用，并可以与传统硅基驱动电路完全兼容。然而，因其特殊的保护机理，要求功率器件的驱动电流必须小于其可承受的最大栅极正向电流，从而导致驱动能力不足，使功率器件无法应用于实际开关应用中。因此，能够减小驱动电流的不足对功率器件开关频率的影响，成为了赋予这种保护方法实用价值的关键。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于栅极保护的级联电路及级联器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于栅极保护的级联电路及级联器件，以在具备栅极保护功能的同时，降低驱动电流对器件开关速度的影响。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：