CN114256822A

CN114256822A - 一种新型的GaN基ESD保护电路

Info

Publication number: CN114256822A
Application number: CN202111574406.7A
Authority: CN
Inventors: 周春华; 邓超; 周琦; 熊琦; 王凯弟; 王守一; 党其亮; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2041-12-21
Also published as: CN114256822B

Abstract

本发明属于半导体器件及集成电路技术领域，公开了一种GaN基静电放电(ESD)保护电路解决方案。所述ESD保护电路包含增强型p‑GaN HEMT器件和限流电阻。本发明由触发电路和静电流泄放电路组成，利用增强型p‑GaN HEMT器件的栅漏二极管连接方式控制触发电压，并利用限流电阻控制漏电流和泄放电路，同时利用栅极与源极同电位时，能够反向导通的能力，从而实现二极管组防护电路所不具备的双向防护功能。在相同的防护等级下，该发明与二极管组防护电路相比能显著降低漏电流，从而降低由漏电流引起的功耗。

Description

一种新型的GaN基ESD保护电路

技术领域

本发明属于半导体器件及集成电路技术领域，具体涉及一种新型的GaN基静电放电(ESD)保护电路。

背景技术

氮化镓(GaN)作为一种典型的第三代半导体材料，凭借其带隙大、电子饱和速率高、耐高温、耐高压等优点，被广泛应用于高频率和高功率的射频功率放大器件。且GaN基HEMT器件具有较低的导通电阻、转换效率高、较小寄生电容、开关频率高、较高的击穿电压等优势，逐渐取代硅基电子器件在高温、高压与高频等领域的应用。

常规的AlGaN/GaN HEMT是天然的耗尽型也就是常开型器件，而GaN HEMT器件作为功率开关器件的应用，出于电路安全、简化电路以及降低成本的目的，我们更希望获得増强型器或者常关型器件。Cascode结构、凹槽栅结构、F离子注入方案以及p型栅结构是当下实现增强型GaN HEMT的四个主流方案，其中p-GaN增强型器件已经实现商业化。p-GaN增强型器件结构，是利用在AlGaN/GaN异质结上外延一层p型GaN层，与栅极下方的2DEG形成pn结，实现导带的提升作用，最终耗尽2DEG，从而使得器件具有常关型特性。

由于p-GaN HEMTs器件特有的Metal/p-GaN/AlGaN栅极结构限制了栅极工作电压范围，当前常见的商业化的p-GaN HEMTs器件栅极的工作电压范围约为-4～6V。同时，在实际应用中，为了降低器件工作时的导通电阻，栅极工作电压一般在5V左右，这就导致p-GaNHEMT器件在工作时的安全电压范围很低。另外，由于p-GaN HEMT器件栅极Metal/p-GaN结部分为肖特基接触，当栅极施加正压时Metal/p-GaN结部分反偏，所以在p-GaN HEMTs栅极施加高压时，栅极极易击穿导致器件失效。

根据前期研究结果表明，p-GaN HEMTs栅极与源极之间在基于HBM模型的ESD可靠性测试中，失效电压仅200～400V，远低于2000V的工业标准。因此急需一种栅极防护器件，为p-GaN型器件栅极提供防护，来提高p-GaN HEMTs器件的栅极防护能力。

发明内容

本发明在提供了一种具有双向保护的能力，正向防护电压在6～10V之间，反向防护电压在-2V，防护电压等级更高，且触发电压可控，漏电流更小更稳定，省去了传统的触发二极管组，使芯片面积相对更小的新型的GaN基ESD保护电路。

本发明的技术方案为：一种新型的GaN基ESD保护电路，如图1中的110所示，其特征在于，包括为功率器件的第一增强型p-GaN HEMT器件Q1组成的电路通路作为静电泄放电路；由第二增强型p-GaN HEMT器件Q2和第一限流电阻R1组成的电路作为次级触发电路，由第三增强型p-GaN HEMT器件Q3、第一限流电阻R1和第二限流电阻R2组成的电路作为主触发电路；由第四增强型p-GaN HEMT器件Q4组成的被保护器件或电路。所述的第一增强型p-GaNHEMT器件Q1的漏端与第一限流电阻R1一端和第二增强型p-GaN HEMT器件Q2的漏端连接在一起共同组成该电路的第一输入端，第一输入端为正向输入端，该输入端作为阳极连接到被保护器件高侧电压的输入端或被电路高侧电压的输入端；所述的第一增强型p-GaN HEMT器件Q1的源端与第二限流电阻R2的一端连接到一起组成该电路的第二输入端，第一输入端为负向输入端，该输入端作为阴极连接到被保护器件低侧电压的输入端或被电路低侧电压的输入端；所述的第一增强型p-GaN HEMT器件Q1的栅端与第二限流电阻R2的另一端和第三p-GaN HEMT器件Q3源端连接；所述的第二p-GaN HEMT器件Q3的漏端与第一限流电阻R1另一端和第三p-GaN HEMT器件Q2的栅端连接；所述的第二p-GaN HEMT器件Q2的源端与第三p-GaN HEMT器件Q3的栅端连接。

进一步的，所述的增强型p-GaN HEMT器件Q1、Q2、Q3、Q4的栅极金属与p-GaN层接触为欧姆接触或者肖特基接触。

进一步的，所述的被保护电路为基于GaN材料的集成电路。

进一步的，所述的触发电路中中的限流电阻R1和R2可以采用增强型p-GaN HEMT器件相同的工艺流程形成的二维电子气(2-DEG)电阻，也可以是由金属形成的。

本发明的有益效果：本发明利用增强型p-GaN HEMT器件的栅极与源极同电位时，能够反向导通的能力，从而实现二极管组防护电路所不具备的双向防护功能。其次，第一限流电阻与第二限流电阻的总和能决定漏电流的大小；在总和确定的情况下，第一限流电阻与第二限流电阻的比值大小能够触发电压。同时，在相同的防护等级下，本发明与二极管组防护电路相比能够降低漏电流，从而降低由漏电流引起的功耗。另外，由于本发明制备过程与增强型p-GaN HEMTs工艺兼容，能够大幅降低与被防护器件集成时的制备工艺难度。本发明适用于增强型p-GaN HEMTs栅极防护，GaN射频功率放大器和GaN单片集成电路的输入输出端口等电路。

附图说明

图1为本发明提出的新型GaN基ESD防护电路。

图2为本发明提出的新型GaN基ESD防护电路保护器件正向ESD电流泄放路径。

图3为本发明提出的新型GaN基ESD防护电路保护器件正向ESD电流泄放路径。

图4为本发明提出的新型GaN基ESD防护电路保护电路IC。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明由增强型P-GaN HEMT器件，限流电阻组成，其中p-GaN增强型器件栅极为欧姆接触型或肖特基接触型，限流电阻R1和R2可以采用增强型p-GaN HEMT器件相同的工艺流程形成的二维电子气(2-DEG)电阻，也可以是由金属形成的。由上述元件组成的防护电路与被防护器件连接时，第一增强型p-GaN HEMT器件Q1的漏极端作为防护器件的阳极接在被防护器件工作时的高电压侧，p-GaNHEMT器件源极作为防护器件的阴极接在被防护器件工作时的低电压侧。例如，该GaN基防护电路作为增强型p-GaN HEMTs功率器件Q4栅极源极两端的防护器件时，Anode端增强型p-GaN HEMTs功率器件Q4栅极，Cathode端接增强型p-GaNHEMTs功率器件Q4源极，如图2所示，其中120为图一的110。由上述元件组成的防护电路与被防护电路连接时，该GaN基防护电路作为电路输入端的防护，Anode端接电路的一个高侧输入端，Cathode端接电路的一个低侧输入端，其等效图如图3所示，其中130为图一的110。

本发明所述的GaN基ESD防护电路的工作原理为:

当被保护器件处于正常工作状态时，工作电压低于防护器件的开启电压，防护器件处于关断状态。例如当该型防护器件用作p-GaN HEMT功率器件的栅极源极防护器件时,设防护器件的栅极工作电压为Vope，增强型p-GaN HEMT的阈值电压为Vt。此时主泄放电流的增强型p-GaN HEMT的栅极电压低于阈值电压Vt，如公式所示，此时防护电路未开启。

V_t>[(V_ope-2V_t)/(R₁+R₂)]*R₂ (1)

本发明利用增强型p-GaN HEMT的栅极与源极同电位时,能够反向导通的能力,从而实现二极管组防护电路所不具备的双向防护功能。当ESD情况发生时,如图2所示情况一,此时Cathode端口为低压侧，Anode端口为高压侧。当被防护器件两端电压满足关系V_t<[(V_ope-2V_t)/(R₁+R₂)]*R₂时ESD防护电路触发。此时，增强型p-GaN HEMT器件Q1栅极电压超过阈值电压，栅极下方2DEG沟道开启，形成增强型p-GaN HEMT器件Q1漏极到源极的导电沟道。因为ESD导电沟道导通电阻较低，所以当ESD防护电路触发开启之后，泄放电流主要流经p-GaNHEMT器件导电沟道path1。另外由于触发电路也是一条电流导通通路，也可形成导电路径path2。此额外的电流泄放路径能进--步增加电流泄放能力,提升该型防护器件的防护电压水平。

如图3所示情况二时，此时Cathode端口为高压侧，Anode端口为低压侧。由于触发电路中的p-GaN HEMT器件Q2、Q3的栅极电压均小于Vt，故该支路处于断开状态，进而Cathode端口为高压的高压降落在p-GaN HEMT器件Q3的栅极。因此当Cathode侧电压低于p-GaN HEMT器件反向导通阈值电压时Vtr(Vtr≈Vt)时，p-GaN HEMT器件Q3处于关断状态，该防护器件未被触发。当Cathode侧电压高于p-GaN HEMT器件Q3的Vtr时，此时栅极下方2DEG沟道开启，从而在源漏两端形成电流泄放通路。由于p-GaN HEMT器件Q2、Q3关断，电流主要通过p-GaN HEMT器件Q1的2DEG导电沟道进行泄放电流。本发明与二极管组防护电路相比能够降低漏电流，从而降低由漏电流引起的功耗。由于本发明制备过程与增强型工艺兼容，能够大幅降低与被防护器件集时的制备工艺难度。

此外,本发明的GaN基ESD防护电路用作增强型p-GaNHEMT功率器件栅极源极防护时,不仅可以为GaNHEMT器件的ESD电压防护,也可为增强型功率器件在开启关断时由于寄生参数引起的栅极电压过冲提供防护，从而进一步提高增强型p-GaNHEMT功率器件在实际应用时的可靠性。另外，本发明的GaN基ESD防护电路，RF功率放大器的输入输出端的防护，全集成GaN电路的输入输出端的防护。

Claims

1.一种新型的GaN基ESD保护电路，其特征在于，包括第一增强型p-GaN HEMT器件Q1、第二增强型p-GaN HEMT器件Q2、第三增强型p-GaN HEMT器件Q3、第一限流电阻R1和第二限流电阻R2；所述第一增强型p-GaN HEMT器件Q1的漏端、第一限流电阻R1的一端和第二增强型p-GaN HEMT器件Q2的漏端连接在一起共同组成电路的第一输入端，第一增强型p-GaN HEMT器件Q1的源端与第二限流电阻R2的一端连接到一起组成电路的第二输入端，其中第一输入端为正向输入端，第二输入端为负向输入端；所述第一增强型p-GaN HEMT器件Q1的栅端、第二限流电阻R2的另一端和第三p-GaN HEMT器件Q3的源端连接；所述第二p-GaN HEMT器件Q2的栅端、第一限流电阻R1另一端和第三p-GaN HEMT器件Q3的漏端连接；所述第二p-GaNHEMT器件Q2的源端与第三p-GaN HEMT器件Q3的栅端连接；

第一增强型p-GaN HEMT器件Q1作为静电泄放电路；第二增强型p-GaN HEMT器件Q2和第一限流电阻R1组成次级触发电路，第三增强型p-GaN HEMT器件Q3、第一限流电阻R1和第二限流电阻R2组成主触发电路。

2.根据权利要求1所述的一种新型的GaN基ESD保护电路，其特征在于，三个增强型p-GaN HEMT器件的栅极金属与p-GaN层的接触均为欧姆接触或者肖特基接触。

3.根据权利要求1所述的一种新型的GaN基ESD保护电路，其特征在于，所述主触发电路配置成当施加到第三增强型p-GaN HEMT器件Q3的栅极电压等于或大于阈值电压的情况下，从所述第三增强型p-GaN HEMT器件Q3的源极排出电流。

4.根据权利要求1所述的一种新型的GaN基ESD保护电路，其特征在于，所述主触发电路配置成当施加到第二限流电阻上的电压大于或等于第一增强型p-GaN HEMT器件Q1的阈值电压的情况下，从第一增强型p-GaN HEMT器件Q1的漏极排出泄放电流。

5.根据权利要求1所述的一种新型的GaN基ESD保护电路，其特征在于，所述第一限流电阻与第二限流电阻的总阻值确定的情况下，第一限流电阻与第二限流电阻的比值大小决定第一增强型p-GaN HEMT器件的栅极电压。

6.根据权利要求1所述的一种新型的GaN基ESD保护电路，其特征在于，所述第一增强型p-GaN HEMT器件Q1在接反向电压的情况下，将以二极管模式工作形成反向电流。

7.根据权利要求1所述的一种新型的GaN基ESD保护电路，其特征在于，所述第一增强型p-GaN HEMT器件Q1为功率器件。