一种带有片内栅极回跳保护的常关型HMET器件

摘要

本发明公开了一种带有片内栅极回跳保护的常关型HMET器件，包括作为主器件的第一增强型P‑GaNHEMT器件、作为回跳管的第二增强型P‑GaNHEMT器件；所述第二增强型P‑GaNHEMT器件的栅极连接的控制端；所述第二增强型P‑GaNHEMT器件的漏极与第一增强型P‑GaNHEMT器件的栅极连接；所述第二增强型P‑GaNHEMT器件的源极与第一增强型P‑GaNHEMT器件的源极连接；本发明使p‑GaNHEMT器件达到ESD可靠性标准，且满足片内过载保护：面积小、对寄生参数的影响小、或者可控操作、使之反向作为一种调节机制的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及晶体管技术领域，更具体的是涉及一种带有片内栅极回跳保护的常关型HMET器件。

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。

因此急需一种设计，来提升p-GaNHEMT器件栅极源极间ESD可靠性，使p-GaNHEMT器件达到ESD可靠性标准，且满足片内过载保护：面积小、对寄生参数的影响小、或者可控操作、使之反向作为一种调节机制。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种带有片内栅极回跳保护的常关型HMET器件。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种带有片内栅极回跳保护的常关型HMET器件，包括作为主器件的第一增强型P-GaNHEMT器件、作为回跳管的第二增强型P-GaNHEMT器件；

所述第二增强型P-GaNHEMT器件的栅极连接的控制端；

所述第二增强型P-GaNHEMT器件的漏极与第一增强型P-GaNHEMT器件的栅极连接；

所述第二增强型P-GaNHEMT器件的源极与第一增强型P-GaNHEMT器件的源极连接。

进一步地，所述控制端包括三种控制方式，且第二增强型P-GaNHEMT器件的栅极始终连接二极管串联组件的负极。

进一步地，当第二增强型P-GaNHEMT器件的栅极采用欧姆接触控制时第二增强型P-GaNHEMT器件的栅源间距与第一增强型P-GaN HEMT器件的栅源间距相同，通过阈值工程设计可使阈值电压趋近于0V，且二极管串联组件正极连接外部触发信号。

进一步地，当内部监控点触发控制时，二极管串联组件正极连接第一增强型P-GaNHEMT器件的漏极。

进一步地，当第一增强型P-GaNHEMT器件栅极过压触发控制时，二极管串联组件正极连接第一增强型P-GaNHEMT器件的栅极。

进一步地，所述第一增强型P-GaNHEMT器件与第二增强型P-GaNHEMT器件同时制备。

进一步地，制备工艺包括光刻和蚀刻工艺。

本发明的有益效果如下：

1.第一增强型P-GaNHEMT器件与第二增强型P-GaNHEMT器件结构基本相同，且同时制备，以同样的工艺过程一起做出；作为回跳管的第二增强型P-GaNHEMT器件耐压很低，栅漏间距很小，另外作为压控期间，也不需要提供很大的电流和电量。

2.本设计占用的面积比较小，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。

3.申请号为CN202110265205.2的申请文件，公开了一种新型的GAN基ESD防护电路中，使用二极管串联组件和限流电阻得到回跳管的栅极控制触发电压，而本发明是直接是二极管串联组件的导通引入回跳管的栅极控制触发电压。已公开发明的缺点在于，如果电阻的形成使用晶圆本身的2D电子气，电阻很小，而且工艺上非常难以控制其电阻的阻值。如果使用外加电阻，则引入了额外的工艺步骤，而且外加的这个二极管串联组件-电阻电路在主器件正常工作时也会带来额外的泄漏电流和损耗。本发明则没有上述缺点。

4. 申请号为CN202110716823.4的申请文件，公开了一种具有ESD栅极防护的P-GANHEMT器件，使用两个限流电阻分压得到回跳管的栅极控制触发电压，而本发明是直接是二极管串联组件的导通引入回跳管的栅极控制触发电压。已公开发明的缺点在于，使用晶圆本身的2D电子气，电阻很小，而且工艺上非常难以控制其电阻的阻值。如果使用外加电阻，则引入了额外的工艺步骤，而且外加的这一分压电路在主器件正常工作时也会带来额外的泄漏电流和损耗。本发明则没有上述缺点。

附图说明

图1是现有技术，典型的p-GaN器件结构示意图；

图2是本发明结构示意图;

图3是本发明回跳管设计示意图；

图4是本发明实施例一中的结构示意图；

图5是本发明实施例二中的结构示意图；

图6是本发明实施例三中的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1到6所示，结合以下实施例作出进一步的说明，附图中二极管组件由多个二极管串联而成，示意图为了简洁，仅仅以单个二极管呈现。

实施例1

一种带有片内栅极回跳保护的常关型HMET器件，包括作为主器件的第一增强型P-GaNHEMT器件、作为回跳管的第二增强型P-GaNHEMT器件；所述第二增强型P-GaNHEMT器件的栅极连接的控制端；所述第二增强型P-GaNHEMT器件的漏极与第一增强型P-GaNHEMT器件的栅极连接；所述第二增强型P-GaNHEMT器件的源极与第一增强型P-GaNHEMT器件的源极连接。

具体工作原理：在主器件上增加一个回跳管，可以读取的主器件内部的过载信号，或者外部的过载信号，迅速触发主器件栅极电压回零，从而关断主器件，切断断流，同时保护主器件的栅极不受持续过压破坏。

更具体的思路是在第一增强型P-GaNHEMT器件的栅源之间增加一个低耐压的回跳管，即第二增强型P-GaNHEMT器件，第二增强型P-GaNHEMT器件的源极漏极分别和第一增强型P-GaNHEMT器件的源极和栅极连接。第二增强型P-GaNHEMT器件的栅极可根据设计，由连接不同的控制端。

具体地：回跳管的结构和主器件类似，以同样的工艺过程一起做出，区别是回跳管耐压很低，回跳管栅漏间距很小，另外作为压控器件，也不需要提供很大的电流和电量，所以占用的面积比较小，不需要考虑导通电阻的影响，可以单纯以阈值工程为出发点设计结构，可以但不限于下列方式：1）调节源栅间距，2）栅极金属和P层的相对关系；3）多栅结构；4）栅源桥，5）输入PN管串联，等等，为了电压设计的方便，回跳管的栅极接触可以做成欧姆接触而不是主器件常用的肖特基接触。

实施例2

所述控制端的第一种控制方式为，第二增强型P-GaNHEMT器件的栅极连接二极管串联组件的负极。当第二增强型P-GaNHEMT器件的栅极采用欧姆接触控制时，第二增强型P-GaNHEMT器件的栅源间距与第一增强型P-GaN HEMT器件的栅源间距相同，通过阈值工程设计可使阈值电压趋近于0V，且二极管串联组件正极连接外部触发信号。

具体工作原理：回跳管栅极单独引出一根线；如果回跳管的栅极接触是欧姆接触，栅源间距与主器件栅源间距大致相当，则阈值电压趋近于0V，可以认为一个正的外部触发信号就可以导通回跳管，使得主器件栅压跌落而关断。

实施例3

所述控制端的第二种控制方式为，第二增强型P-GaNHEMT器件的栅极连接二极管串联组件的负极。当内部监控点触发控制时，二极管串联组件正极连接第一增强型P-GaNHEMT器件的漏极。

具体工作原理：回跳管栅极连接到片内某个电压监控点（例如主器件的漏级），回跳管的阈值电压可以通过阈值电压工程选择为等于该点电压正常值，如果因为过流或者过热等过载状况，造成电压超过正常值，则回跳管导通，使得主器件栅压跌落而关断。

实施例4

所述控制端的第三种控制方式为，第二增强型P-GaNHEMT器件的栅极连接二极管串联组件的负极。当第一增强型P-GaNHEMT器件栅极过压触发控制时，二极管串联组件正极连接第一增强型P-GaNHEMT器件的栅极。

具体工作原理：回跳管栅极连接到主器件的栅极，回跳管的阈值电压可以通过阈值电压工程选择为等于主器件栅极电压上限，如果因为信号毛刺造成主器件栅极电压超过限定值，则回跳管导通，使得主器件栅压跌落。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。