[实用新型]一种p-GaN器件的片内过压保护电路

说明书

本实用新型公开了一种p‑GaN器件的片内过压保护电路，涉及晶体管技术领域，包括作为主器件的增强型P‑GaNHEMT器件、作为小回跳管的触发二极管组；所述增强型P‑GaNHEMT器件的栅极连接的触发二极管组的一端；所述增强型P‑GaNHEMT器件的源极连接的触发二极管组的另一端；触发二极管组由多个二极管串联或并联构成；其中，触发二极管组在电压超过一定限度值的时候开启，提供一条低阻的电流泄放通道，从而起到电压钳位作用，保护栅极不致因为过压而损坏，整体电路占用的面积比较小，不需要考虑导通电阻的影响，单纯以阈值工程为出发点设计本结构优点。

技术领域

本实用新型涉及晶体管技术领域，更具体的是涉及一种p-GaN器件的片内过压保护电路。

背景技术

随着高压开关和高速射频电路的发展，氮化镓高电子迁移率晶体管(GaNHEMT)成为该领域研究的重点，常规的GaNHEMT器件均为耗尽型（常开型），阈值电压＜0V，需要使用负的开启电压。在射频及微波芯片设计时，其负栅压的电源设计增加了设计成本；增强型（常关型）HEMT的阈值电压为正值，实际应用中只需要一个正的偏压即可使其工作或夹断。这样可以消除负偏压的电路设计，使电路简单化，减少电路设计的复杂性和制备的成本。对大规模微波射频电路应用来说，其意义十分重大。对于功率开关电路，增强型HEMT器件保证在驱动电路失效时，HEMT器件处于关断状态，从而对功率开关系统提供了失效保护。

需要在无偏压情况下，把肖特基栅下沟道层（通常为GaN或者AlGaN材料）顶部的2维电子气耗尽。目前，通常采用以下几种方法:

方法1：凹槽栅，也就是把势垒层（通常为AlGaN)在栅极处减薄，形成一个凹坑，再做成肖特基栅（MESFET）或者介质栅（MISFET）结构，使得零偏压时的耗尽区延展到2维电子气区域；

方法2：氟离子注入，在栅下进行局部氟离子注入，增加零偏压下的耗尽区域，使其延展到2维电子气区域；

方法3：在势垒层上再外延生长一层p型掺杂的GaN材料。和势垒（基本上相对P层为本征层）形成一个PN结，利用这个PN结的更深耗尽层耗尽栅下沟道层顶部的2维电子气。然后再把栅区域之外的P层去掉，使得栅区域之外的2维电子气得到恢复。之后再在P层顶部形成肖特基或者欧姆接触。

第一、二种方法都对栅区势垒材料做了不可逆的改变（去除或者改性），其程度的工艺控制很难。会造成阈值电压的离散，局部导通电阻不可逆的变大以及其他可靠性问题。

第三种方法的特点是用外延额外生长形成的PN结来达到向下延展耗尽层的目的，工艺可控性好，外加P层结构被通称为P-GaN结构。

与常开器件相比，常关器件有自己特有的结构性能和应用设计，也就有了自己特有的可靠性问题以及其解决方案。在应用过程中，各种原因引起的源漏过流和栅压超范围，都是常见的现象，会引起器件失效或者退化，必须立即发现干预，特别是p-GaN器件的阈值电压低，栅压范围窄，情况更为突出。

无论是在微波射频领域还是电力电子领域，器件都面临着过电压保护的问题。器件成型后，在后续加工运输安装中可能面临静电击穿（ESD)的危险。另外在使用中，驱动电压信号可能因为各种原因（比如电磁干扰等）产生毛刺，瞬态峰值超过额定驱动电压信号范围。另外源漏电压也可能收到电路的影响而过压过流。

片内（on-chip)保护是一类有效的现场实时保护。它是在芯片器件中附加保护设计，其特点是触发信号来自现场而不是外部，无误触发和时延的缺点，执行迅速有效。缺点是会占用一些有效面积，并且触发取样会影响器件的一节寄生参数，比如一般采取的电压取样会增加寄生电容。片内（On-chip）保护机制是一种强调现场快速执行的电路设计，如果取样也是在片内现场，它还有反应速度快的优势，对于目前可靠性相对较差的GaN器件尤为重要。其缺点是会占用一些有效面积，并且触发取样会影响器件的一些寄生参数，比如一般采取的电压取样会增加寄生电容。