[發明專利]氮化鎵柵極級聯單元及其集成的半導體結構

有效

• 申請號: 202010528527.7
• 申請日: 2020-06-11
• 公開（公告）號: CN111430347B
• 公開（公告）日: 2020-09-04
• 發明（設計）人: 蔣勝
• 申請（專利權）人: 嘉興景焱智能裝備技術有限公司
• 主分類號: H01L27/06
• 分類號: H01L27/06
• 代理公司: 上海霖睿專利代理事務所(普通合伙) 31391
• 代理人: 黃燕石;陳得宗

本發明涉及半導體技術領域，公開了一種氮化鎵柵極級聯單元，包括功率器件和耗盡型器件，所述功率器件的漏極作為功率器件單元的漏極，功率器件的源極與耗盡型器件的柵極連接，共同作為功率器件單元的源極，功率器件的柵極與耗盡型器件的源極連接，耗盡型器件的漏極作為功率器件單元的柵極，所述功率器件為氮化鎵功率器件。本發明還公開了集成氮化鎵柵極級聯單元的半導體結構。本發明通過將耗盡型器件級聯至氮化鎵功率器件的柵極的方法，實現對氮化鎵功率器件的柵極保護，實現對傳統硅器件的直接替代。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種氮化鎵柵極級聯單元及其集成的半導體結構。

背景技術

氮化鎵，作為一種寬禁帶半導體材料，其優越的材料特性以及在異質結構下能夠形成二維電子氣的能力，使其功率器件相較于傳統硅基功率器件展現出明顯的優勢。在相同的耐壓條件下，氮化鎵功率器件的尺寸更小，導通電阻和自身電容也更小，開關速度可以達到硅器件的10倍以上。

但是，由于實際應用中柵極環路存在寄生電感，快速的開關速度也容易導致柵極正向電壓過沖。而柵極抗擾性的不足又是現階商用氮化鎵增強型器件的主要問題之一。包括來自EPC, GaNSystems, Panasonic, Navitas 等企業的氮化鎵功率器件，都只能承受最大+7V左右的柵極電壓，遠低于同類硅器件。較低的柵極正向耐壓不僅給現階段氮化鎵器件帶來了安全性和可靠性的問題，也導致其無法與現有硅基柵極驅動器相互兼容。在實際應用中，需要特別設計針對氮化鎵器件的驅動電路以及柵極保護電路，因此增加了應用的難度和成本。

傳統的柵極保護方法采用在器件柵極并聯齊納二極管的方式來限制柵極的電壓。這種方法雖能夠保護器件不受高速開關頻率下的柵極正向瞬時電壓的影響，但保護電路中持續的漏電流會產生額外的損耗，影響器件的工作效率。也正因為這種依靠漏電流的保護機理，基于此種保護方法的氮化鎵器件仍無法實現由傳統硅基驅動器直接驅動，需要針對氮化鎵器件設計特殊的驅動電路，一定程度上增加了設計的難度和成本。

另外，在柵極上并聯二極管或相同功能的保護電路會一定程度上增加氮化鎵功率器件的等效柵極電容，從而影響開關頻率并增加驅動電路損耗。最后，采用這種保護方法通常需要外接硅基齊納二極管，這會對器件的封裝或是系統的布局提出更高的要求以盡可能的減小保護電路與器件柵極直接的寄生電感。

除此之外，由香港科技大學提出的在氮化鎵功率器件的柵極串聯集成一個耗盡型器件的專利，可以通過限制柵極漏電流的方式來保護器件。基于這種保護技術的氮化鎵器件可以由傳統硅基驅動電路直接驅動，并避免了使用齊納二極管帶來的系列問題。但是因為此方法要求耗盡型器件的飽和電流小于功率器件的柵極最大漏電流，大幅度限制了功率器件柵極充放電時的電流，所導致的驅動能力不足直接影響了功率器件的開關速度，很難適用于實際功率開關應用場景。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述問題，提供一種氮化鎵柵極級聯單元及其集成的半導體結構，通過將耗盡型器件級聯至氮化鎵功率器件的柵極的方法，完成對氮化鎵功率器件的柵極保護，并實現對傳統硅器件的直接替代。

本發明采取的技術方案是：一種氮化鎵柵極級聯單元，其特征是，包括功率器件和耗盡型器件，所述功率器件的漏極作為功率器件單元的漏極，功率器件的源極與耗盡型器件的柵極連接，共同作為功率器件單元的源極，功率器件的柵極與耗盡型器件的源極連接，耗盡型器件的漏極作為功率器件單元的柵極，所述功率器件為氮化鎵功率器件。

進一步，所述功率器件與耗盡型器件之間設匹配電路，所述匹配電路為并聯連接的電容和電阻，所述匹配電路連接在功率器件的柵極和源極之間。

進一步，所述匹配電路的電阻和電容為多組。

進一步，所述功率器件為氮化鎵增強型器件或氮化鎵耗盡型器件。

進一步，所述耗盡型器件的尺寸小于功率器件的尺寸。