[發明專利]基于柵極保護的級聯電路及級聯器件

有效

• 申請號: 202011265289.1
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112382631B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 蔣勝;柳永勝;胡峰;白強;唐瑜;陳輝;于潔;鄭夢婕
• 申請（專利權）人: 蘇州英嘉通半導體有限公司
• 主分類號: H01L27/088
• 分類號: H01L27/088
• 代理公司: 蘇州三英知識產權代理有限公司 32412
• 代理人: 周仁青

本發明揭示了一種基于柵極保護的級聯電路及級聯器件，所述級聯電路包括高壓耗盡型器件、低壓增強型器件及低壓耗盡型器件，所述高壓耗盡型器件包括第一柵極、第一源極及第一漏極，低壓增強型器件包括第二柵極、第二源極及第二漏極，低壓耗盡型器件包括第三柵極、第三源極及第三漏極，所述第一源極與第二漏極電性連接，第一柵極與第二源極電性連接，第二柵極與第三源極和第三柵極電性連接，第一漏極作為級聯電路的漏極，第二源極作為級聯電路的源極，第三漏極作為級聯電路的柵極。本發明能夠大幅降低傳統增強型器件的等效米勒電容，即使在柵極驅動電流因柵極保護單元而嚴重受限的情況下，仍然能夠使器件滿足實際應用中對器件開關速度的需求。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，具體涉及一種基于柵極保護的級聯電路及級聯器件。

背景技術

氮化鎵作為一種第三代寬禁帶半導體材料，相比于傳統材料有著優異的特性。首先，氮化鎵具有3.4eV的寬能隙以及超過3MV/cm的高擊穿電場。相比于硅和砷化鎵，3倍以上的能隙以及10倍以上的擊穿電場使基于氮化鎵的電子器件的耐壓更高，也更適用于大功率應用。同時，與砷化鎵類似，氮化鎵也具備通過異質結構形成二維電子氣的能力。不同的是，在鋁鎵氮/氮化鎵異質結構中，二維電子氣可以由極化效應自然形成，不需要額外摻雜來引入載流子。這大幅減小了載流子的散射效應，使基于鋁鎵氮/氮化鎵的電子器件能夠同時實現高載流子濃度和高載流子遷移率，從而減小了器件的導通電阻并提升其開關速度。因此，基于氮化鎵器件的功率產品通常體積更小，轉換效率也更高。隨著氮化鎵材料及器件技術的不斷提升和成本的不斷下降，氮化鎵器件將在功率應用中受到越來越廣泛的青睞。

現階段氮化鎵增強型器件主要問題之一在于其柵極正向耐壓的不足。由于目前商用氮化鎵增強型器件均采用p型柵極技術來實現，而當p型柵極正向電壓過高時，就會產生柵極正向電流導致器件損壞。包括來自EPC，GaNsystems等最早一批的國際氮化鎵企業的器件在內，都只能承受不超過+7V的正向柵極電壓，遠遠小于同類硅器件+20V以上的柵極耐壓。這使得大部分現有的硅驅動器都無法直接驅動氮化鎵器件，大幅增加了氮化鎵在應用上的難度和成本。更重要的是，即使采用針對氮化鎵器件特殊設計的驅動芯片，柵極回路中因寄生電感產生的電壓擾動也可以輕易的導致柵極電壓超出器件可承受的范圍，從而給器件在應用中帶來可靠性問題。因此，有效的柵極保護技術成為了使氮化鎵器件成功應用不可缺少的一環。

傳統的柵極保護技術通常采用在柵極并聯齊納二極管的方式。這種方法在應用于氮化鎵功率器件時存在弊端。第一，氮化鎵因缺乏實現齊納二極管的能力，需要外接硅基齊納二極管來實現柵極保護。這就對封裝以及柵極回路中寄生電感的控制帶來了挑戰。另外，這種方法仍然需要配合針對氮化鎵器件特殊設計的控制芯片一起來使用，增加了器件的使用難度和成本。最后，齊納二極管的使用還會造成氮化鎵器件等效柵極電容的增加，從而影響器件的動態性能。

針對傳統保護技術的不足，香港科技大學提出了一種單片集成的柵極保護單元。通過在傳統氮化鎵增強型功率器件的柵極串聯一個氮化鎵耗盡型器件，限制了能夠流入增強型器件柵極的最大電流。當耗盡型器件的飽和電流小于增強型器件可承受的最大柵極正向電流時，這種保護單元就可以有效的防止增強型器件因柵極電流過大而損壞。更重要的是，采用此種保護方法避免了硅基齊納二極管的使用，并可以與傳統硅基驅動電路完全兼容。然而，因其特殊的保護機理，要求功率器件的驅動電流必須小于其可承受的最大柵極正向電流，從而導致驅動能力不足，使功率器件無法應用于實際開關應用中。因此，能夠減小驅動電流的不足對功率器件開關頻率的影響，成為了賦予這種保護方法實用價值的關鍵。

因此，針對上述技術問題，有必要提供一種基于柵極保護的級聯電路及級聯器件。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于柵極保護的級聯電路及級聯器件，以在具備柵極保護功能的同時，降低驅動電流對器件開關速度的影響。

為了實現上述目的，本發明一實施例提供的技術方案如下：