GaN增強型功率器件的雙向ESD保護方法、電路及雙柵器件技術

一種GaN增強型功率器件的雙向ESD保護方法、電路及雙柵器件。方法以雙控開關構成ESD能量泄放，器件正常正壓工作狀態時雙控開關關斷，發生ESD時雙控開關導通，泄放能量；器件正常負壓工作狀態時雙控開關關斷，當發生ESD時，雙控開關導通，泄放能量。電路包括第一端口和第二端口，兩端并接雙柵開關器件、正反向開啟控制組件，其第一、二源極連于第一、二端口；正向組件包括串聯連接的第一二極管串和第一電阻，串接端連雙柵器件一柵極；反向組件包括串聯連接的第二二極管串和第二電阻，串接端連雙柵器件另一柵極。雙柵器件包括勢壘層，在勢壘層上分別設第一二源極、第一二p型蓋帽層上有第一第二柵極，兩柵極邏輯狀態為與門。

【技術實現步驟摘要】

本申請涉及esd保護，具體而言是涉及一種gan增強型功率器件的雙向esd保護方法、電路及雙柵器件。

技術介紹

1、靜電釋放（electro-static?discharge，簡稱esd）是指兩個具有不同電勢的物體間的靜電電荷傳輸。據調查，導致集成電路功能失效的諸多原因中，esd已成為最常見原因之一，全球每年因esd對電子產品所造成的損失高達百億美金之多。因此，半導體器件的esd防護設計不可忽視，這對gan增強型功率器件尤其如此。

2、一方面，由于gan增強型功率器件的柵極采用肖特基金屬接觸，其柵極最大耐受電壓極低，即長時間直流電壓小于7v?,瞬態電壓小于12v?,導致其器件自身對靜電放電事件即esd事件的抵御能力較差。對gan增強型功率器件的現有esd測試表明，其柵極極易受esd的危害。隨著gan增強型功率器件正在被大量研發和應用，其柵極的esd防護設計越發重要。因此，在使用gan增強型功率器件時，一般需要增加esd保護電路；另一方面，由于gan增強型功率器件的閾值電壓通常較低，有時柵極加0v電壓無法徹底關斷器件，此時需要采用負壓關斷。

3、為了提升gan增強型功率器件的esd能力，現有技術提供了多個解決方案：cn113161345a公開了一種新型的gan基esd防護電路，即圖1示出的一種傳統gan增強型功率器件的esd保護電路，該esd保護電路主要包含第一鉗位二極管串11、第一電阻12和泄放管31，其工作原理如下：當所述gan增強型功率器件40正向正常工作時，第一鉗位二極管串11形成壓降，泄放管31不開啟；當所述gan增強型功率器件40出現正向esd事件時，第一鉗位二極管串11開啟，第一電阻12形成壓降，泄放管31開啟；當所述gan增強型功率器件40反向關斷工作時，第一鉗位二極管串11形成壓降，泄放管21開啟，造成器件負壓柵極漏電極大、無法負壓關斷應用。

4、為了實現gan增強型功率器件負壓關斷，解決上述問題，現有的esd保護電路一般會設置兩條獨立的泄放電流路徑，并通過兩個相同尺寸的二極管來限制泄放電流方向。cn109193601a公開了一種esd保護電路，如圖2所示，其工作原理如下：當所述gan增強型功率器件40正向正常工作時，第一鉗位二極管串11形成壓降，正向泄放管31不開啟，第二限向二極管34反向關斷，反向泄放管32不開啟；當所述gan增強型功率器件40出現正向esd事件時，第一鉗位二極管串11開啟，第一電阻12形成壓降且第一限向二極管33正向開啟，正向泄放管31開啟，第二限向二極管34反向關斷，反向泄放管32不開啟；當所述gan增強型功率器件40反向關斷時，第二鉗位二極管串21形成壓降，反向泄放管32不開啟，第一限向二極管33反向關斷，正向泄放管31不開啟；當所述gan增強型功率器件40出現反向esd事件時，第二鉗位二極管串21開啟，第二電阻22形成壓降且第二限向二極管34正向開啟，反向泄放管32開啟，第一限向二極管33反向關斷，正向泄放管31不開啟。該電路使得總的esd保護電路面積至少為四倍單個泄放管面積，對電路集成產生不利影響。此外，也有通過將兩條泄放電流路徑合并為一條泄放電流路徑，cn115459234a公開了一種esd保護電路以及esd保護電路結構，如圖3所示，但總的esd保護電路至少為兩倍單個泄放管面積。由于泄放管尺寸決定其防護esd能力，泄放管尺寸通常非常大，導致esd保護電路占用的芯片面積較大。

5、此外，cn217282208u公開了一種esd保護電路與電子設備，該專利（cn217282208u）目的是為了僅用單個泄放管實現雙向esd防護，但是忽略了正向和反向誤開啟的問題，導致受保護的功率管的正壓開啟和負壓關斷都受到了影響。參見該專利的說明書附圖至圖3、圖4和圖5，當gan增強型功率管正常工作時，其柵極的驅動方式是正壓開啟，負壓關斷，正壓開啟的電壓一般在5v左右。此時，反向分壓模塊中的二極管q2和二極管串m2都處于反偏狀態，反偏二極管等效電阻很大，因此反偏的二極管串m2（第二下橋臂單元）分到了大部分的壓降，該節點也就是泄放管110的柵極節點，導致受保護的gan增強型功率管的正向柵壓加不上，無法開啟，違反了esd防護設計中的透明性原則。同樣，為了實現負壓關斷，需要給柵極相對于源極的負壓，由于正向分壓模塊中反偏的二極管串m1的等效電阻大于電阻r1加上反偏的二極管q1,?因此反偏的二極管串m1（第一上橋臂單元）分到了大部分的壓降，會導致泄放管110誤開啟，影響器件正常工作。該專利在正向esd事件下，反向分壓模塊會先于正常分壓模塊使得泄放管110開啟；在負向esd事件下，正向分壓模塊會先于反向分壓模塊使得泄放管110開啟，無法通過增減第一上橋臂單元的二極管串m1和第二下橋臂單元的二極管串m2的二極管數量來調控esd觸發電壓。

6、綜上，現有技術中采用雙向esd保護電路雖然解決了不能負壓關斷的問題，但存在著雙向esd保護電路占用芯片面積大的問題，不利于電路集成小型化，或者，雖然解決了雙向esd保護電路占用芯片面積大的問題，但受保護的功率管的正壓開啟和負壓關斷又出現了問題。

技術實現思路

1、本專利技術的目的在于，針對現有技術采用雙向esd保護電路器件負壓關斷但導致雙向esd保護電路占用芯片面積大的問題，提供了一種gan增強型功率器件的雙向esd保護方法、電路及雙柵器件，其在保證器件正向正常開啟和反向正常關斷前提下減小保護電路占用芯片面積。

2、本專利技術采用的技術方案如下：

3、為了實現上述目的，本專利技術分別提供一種gan增強型功率器件的雙向esd保護方法、gan增強型功率器件的雙向esd保護電路及雙柵開關器件。

4、本專利技術所述的一種gan增強型功率器件的雙向esd保護方法，包括設置用于連接受保護的gan增強型功率器件漏極的第一端口和用于連接所述gan增強型功率器件源極的第二端口的步驟，在第一端口與第二端口之間連接一雙控開關以構成esd能量泄放通路，

5、當所述gan增強型功率器件處于正常正壓工作狀態時，雙控開關的一個控制端控制所述雙控開關進入并維持關斷狀態；當所述gan增強型功率器件處于正壓工作狀態且正向esd事件發生時，雙控開關的兩個控制端共同控制所述雙控開關導通，泄放esd能量；

6、當所述gan增強型功率器件處于正常負壓工作狀態時，雙控開關的另一個控制端控制所述雙控開關進入并維持關斷狀態；當所述gan增強型功率器件處于負壓工作狀態且正向esd事件發生時，雙控開關的兩個控制端共同控制所述雙控開關導通，泄放esd能量。

7、本專利技術所述的一種gan增強型功率器件的雙向esd保護電路，包括：用于連接受保護的gan增強型功率器件柵極的第一端口和用于連接所述gan增強型功率器件漏極的第二端口，在第一端口與第二端口之間連接一雙控開關以構成esd能量泄放通路，所述雙控開關采用雙柵開關器件，雙柵開關器件的第一源極和第二源極分別與所述第一端口及第二端口連接；在所述第一端口與第二端口上并本文檔來自技高網...

【技術保護點】

1.一種GaN增強型功率器件的雙向ESD保護方法，包括設置用于連接受保護的GaN增強型功率器件（40）漏極的第一端口和用于連接所述GaN增強型功率器件（40）源極的第二端口的步驟，其特征在于，在第一端口與第二端口之間連接一雙控開關以構成ESD能量泄放通路，

2.根據權利要求1所述的GaN增強型功率器件的雙向ESD保護方法，其特征在于，所述雙控開關采用雙柵開關器件（30）。

3.一種GaN增強型功率器件的雙向ESD保護電路，包括：用于連接受保護的GaN增強型功率器件（40）柵極的第一端口和用于連接所述GaN增強型功率器件（40）漏極的第二端口，其特征在于，在第一端口與第二端口之間連接一雙控開關以構成ESD能量泄放通路，所述雙控開關采用雙柵開關器件（30），雙柵開關器件（30）的第一源極和第二源極分別與所述第一端口及第二端口連接；在所述第一端口與第二端口上并接有正向開啟控制組件（10）和反向開啟控制組件（20），所述正向開啟控制組件（10）包括串聯連接的第一二極管串（11）和第一電阻（12），第一二極管串（11）采用1個二極管或串聯連接的1個以上的二極管，第一二極管串（11）的陰極與第一電阻（12）的一端連接并連接于雙柵開關器件（30）的一個柵極（G1），第一二極管串（11）的陽極連接于所述第一端口，第一電阻（12）的另一端連接于所述第二端口；所述反向開啟控制組件（20）包括串聯連接的第二二極管串（23）和第二電阻（22），第二二極管串（23）采用1個二極管或串聯連接的1個以上的二極管，第二二極管串（23）的陰極與第二電阻（22）的一端連接并連接于雙柵開關器件（30）的另一個柵極（G2），所述反向開啟控制組件（20）中的第二二極管串（23）陽極連接于所述第二端口，第二電阻（22）的另一端連接于所述第一端口；

4.根據權利要求3所述的GaN增強型功率器件的雙向ESD保護電路，其特征在于，所述二極管由柵極、源極短接的GaN器件替代。

5.根據權利要求3或4所述的GaN增強型功率器件的雙向ESD保護電路，其特征在于，在第一二極管串（11）的任意一端串接電容（14）。

6.根據權利要求3或4所述的GaN增強型功率器件的雙向ESD保護電路，其特征在于，在第二二極管串（21）的任意一端串接電容。

7.一種雙柵開關器件（30），包括襯底（301），在襯底（301）上自下而上層疊設有緩沖層（302）、溝道層（303）、勢壘層（304），其特征在于，在勢壘層（304）上分別設有的第一源極（309S1）、第一p型蓋帽層（305）、第二p型蓋帽層（306）和第二源極（309S2），在第一p型蓋帽層（305）和第二p型蓋帽層（306）上分別設有的第一柵極（307）和第二柵極（308），并且，勢壘層（304）與所述溝道層（303）接觸形成異質結溝道（303a）并分別受第一柵極（307）和第二柵極（308）控制，所述第一柵極（307）和第二柵極（308）的邏輯狀態為“與門”。

8.根據權利要求7所述的雙柵開關器件，其特征在于，第一p型蓋帽層（305）至少為pGaN、pAlGaN、pSnO、pOxide中的一種。

9.根據權利要求7所述的雙柵開關器件，其特征在于，第二p型蓋帽層（306）至少為pGaN、pAlGaN、pSnO、pOxide中的一種。

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【技術特征摘要】

1.一種gan增強型功率器件的雙向esd保護方法，包括設置用于連接受保護的gan增強型功率器件（40）漏極的第一端口和用于連接所述gan增強型功率器件（40）源極的第二端口的步驟，其特征在于，在第一端口與第二端口之間連接一雙控開關以構成esd能量泄放通路，

2.根據權利要求1所述的gan增強型功率器件的雙向esd保護方法，其特征在于，所述雙控開關采用雙柵開關器件（30）。

3.一種gan增強型功率器件的雙向esd保護電路，包括：用于連接受保護的gan增強型功率器件（40）柵極的第一端口和用于連接所述gan增強型功率器件（40）漏極的第二端口，其特征在于，在第一端口與第二端口之間連接一雙控開關以構成esd能量泄放通路，所述雙控開關采用雙柵開關器件（30），雙柵開關器件（30）的第一源極和第二源極分別與所述第一端口及第二端口連接；在所述第一端口與第二端口上并接有正向開啟控制組件（10）和反向開啟控制組件（20），所述正向開啟控制組件（10）包括串聯連接的第一二極管串（11）和第一電阻（12），第一二極管串（11）采用1個二極管或串聯連接的1個以上的二極管，第一二極管串（11）的陰極與第一電阻（12）的一端連接并連接于雙柵開關器件（30）的一個柵極（g1），第一二極管串（11）的陽極連接于所述第一端口，第一電阻（12）的另一端連接于所述第二端口；所述反向開啟控制組件（20）包括串聯連接的第二二極管串（23）和第二電阻（22），第二二極管串（23）采用1個二極管或串聯連接的1個以上的二極管，第二二極管串（23）的陰極與第二電阻（22）的一端連接并連接于雙柵開關器件（30）的另一個柵極（g2）...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫偉鋒，馬巖鋒，李勝，陸偉豪，劉斯揚，時龍興，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：