一种氮化镓高压器件及氮化镓芯片

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种氮化镓高压器件及氮化镓芯片。

背景技术

与Si功率器件相比，氮化镓高电子迁移率晶体管在高功率和高频应用中具有更好的品质因数和更广阔的应用前景。氮化镓功率器件的横向器件结构使其具有极低的寄生电容，并且氮化镓功率器件无体二极管反向恢复电荷，非常适用于高频小型化功率系统。基于氮化镓功率器件优异的性能，相较于传统Si功率器件，氮化镓功率器件能够提升系统开关频率，在降低系统体积的同时提升系统功率密度并且降低系统功耗。

目前国内外氮化镓厂在650V电压等级已经有大量量产产品，而650V电压等级也对应着广泛的应用，比如手机适配器，大功率开关电源等；而在更高电压等级如900V、1200V也对应着庞大的应用市场，如光伏逆变器，车载OBC，伺服电机等，但是在更高电压等级领域，如900V、1200V的氮化镓功率器件量产的产品却极少，主要受限于氮化镓横向结构及成本的限制，如何基于目前的氮化镓横向结构平台实现更高电压等级，对于氮化镓功率器件的发展是非常有意义的。

发明内容

本发明为解决氮化镓功率器件耐高压的技术问题，提供一种氮化镓高压器件，包括：

增强型GaN HEMT器件、第一二极管，所述第一二极管的反向电阻小于所述增强型GaN HEMT器件的衬底与所述增强型GaN HEMT器件的源极之间的电阻；

所述第一二极管的阴极与所述增强型GaN HEMT器件的衬底相连接，所述第一二极管的阳极与所述增强型GaN HEMT器件的源极相连接；

其中，所述增强型GaN HEMT器件的栅极作为所述氮化镓高压器件的栅极；所述增强型GaN HEMT器件的漏极作为所述氮化镓高压器件的漏极；所述增强型GaN HEMT器件的源极作为所述氮化镓高压器件的源极；

当所述氮化镓高压器件的源极接地，所述增强型GaN HEMT器件的栅极电压大于所述增强型GaN HEMT器件的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件导通，所述增强型GaNHEMT器件的漏极电压由高压降低到导通电压，所述增强型GaN HEMT器件的衬底感应的负电荷通过所述第一二极管泄放，将所述增强型GaN HEMT器件的衬底拉到接地状态；

当所述氮化镓高压器件的源极接地，所述增强型GaN HEMT器件的栅极电压小于所述增强型GaN HEMT器件的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件关断，所述增强型GaNHEMT器件的衬底电压被钳位。

可选的，还包括第一Emode FET器件，所述第一二极管为所述第一Emode FET器件的源极与栅极短接后的第一等效二极管，其中，所述第一Emode FET器件的源极与栅极短接后作为所述第一等效二极管的阳极，所述第一Emode FET器件的漏极作为所述第一等效二极管的阴极，所述第一等效二极管的电阻通过所述第一Emode FET器件的器件宽度进行调节；

所述第一等效二极管的阴极与所述增强型GaN HEMT器件的衬底相连接，所述第一等效二极管的阳极与所述增强型GaN HEMT器件的源极相连接；所述第一等效二极管的衬底与所述增强型GaN HEMT器件的衬底相连接。

可选的，还包括：第二二极管，所述第二二极管的反向电阻小于所述增强型GaNHEMT器件的漏极与所述增强型GaN HEMT器件的衬底之间的电阻；

所述第二二极管的阴极与所述增强型GaN HEMT器件漏极相连接，所述第二二极管的阳极与所述增强型GaN HEMT器件的衬底相连接；

当所述氮化镓高压器件的源极接地，所述增强型GaN HEMT器件的栅极电压小于所述增强型GaN HEMT器件的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件关断，所述增强型GaNHEMT器件的衬底电压为所述第一二极管的分压。

可选的，还包括第一Emode FET器件、第二Emode FET器件，所述第一二极管为所述第一Emode FET器件的源极与栅极短接后的第一等效二极管、所述第二二极管为所述第二Emode FET器件的源极与栅极短接后的第二等效二极管，其中，所述第一Emode FET器件的源极与栅极短接后作为所述第一等效二极管的阳极、所述第一Emode FET器件的漏极作为所述第一等效二极管的阴极，所述第二Emode FET器件的源极与栅极短接后作为所述第二等效二极管的阳极、所述第二Emode FET器件的漏极作为所述第二等效二极管的阴极，所述第一等效二极管的电阻通过所述第一Emode FET器件的器件宽度进行调节，所述第二等效二极管的电阻通过所述第二Emode FET器件的器件宽度进行调节；

所述第一等效二极管的阴极与所述增强型GaN HEMT器件的衬底相连接，所述第一等效二极管的阳极与所述增强型GaN HEMT器件的源极相连接，所述第一等效二极管的衬底与所述增强型GaN HEMT器件的衬底相连接，所述第二等效二极管的阴极与所述增强型GaNHEMT器件漏极相连接，所述第二等效二极管的阳极与所述增强型GaN HEMT器件的衬底相连接，所述第二等效二极管的衬底与所述增强型GaN HEMT器件的衬底相连接。

可选的，所述第一二极管、第二二极管为PN结二极管、肖特基二极管、Emode FET器件的源极与栅极短接后的等效二极管其中的一种。

可选的，所述增强型GaN HEMT器件与所述第一二极管、第二二极管封装在一起或者单独封装。

可选的，所述第一二极管、所述第二极管与所述增强型GaN HEMT器件于同一氮化镓工艺平台集成制造。

可选的，所述增强型GaN HEMT器件与所述第一二极管封装在一起或者单独封装。

可选的，所述第一二极管与所述增强型GaN HEMT器件于同一氮化镓工艺平台集成制造。

本发明还提供一种氮化镓功率芯片，包括上述的氮化镓功率器件。

综上所述，本发明的优点及有益效果为：

本发明提供一种氮化镓高压器件，当所述氮化镓高压器件的源极接地，增强型GaNHEMT器件的栅极电压大于所述增强型GaN HEMT器件的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件导通，第一二极管被开启，所述增强型GaN HEMT器件的漏极电压由高压降低到导通电压的同时，所述增强型GaN HEMT器件的衬底感应的负电荷通过所述第一二极管泄放，直接将所述增强型GaN HEMT器件的衬底拉到接地状态，及时将所述增强型GaN HEMT器件的衬底中的电荷排除，从而所述增强型GaN HEMT器件在导通状态下，使得所述氮化镓高压器件的动态特性良好；当所述氮化镓高压器件的源极接地，所述增强型GaN HEMT器件的栅极电压小于所述增强型GaN HEMT器件的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件关断，所述增强型GaNHEMT器件的衬底电压被钳位，有效地提升所述氮化镓高压器件在关断状态下的击穿电压。

同时，所述氮化镓氮化镓高压器件还包括第二二极管，当所述增强型GaN HEMT器件关断时，所述第一二极管与所述第二二极管等效为电阻，所述增强型GaN HEMT器件的衬底电压通过所述第一二极管和所述第二二极管的电阻进行调节，使得所述增强型GaN HEMT器件的漏极到所述增强型GaN HEMT器件的衬底与所述增强型GaN HEMT器件的衬底到所述增强型GaN HEMT器件的源极的电阻稳定，实现所述增强型GaN HEMT器件衬底的分压稳定，并将所述增强型GaN HEMT器件的衬底电压钳位在所述第一二极管的分压，从而实现精确控制的目的，使得所述增强型GaN HEMT器件的衬底电压容易调节并且稳定，并且所述氮化镓功率器件的制造工艺和目前增强型GaN HEMT器件的工艺平台兼容，方便制造。

附图说明

图1为一种氮化镓功率器件的示意图；

图2为另一种氮化镓功率器件的示意图；

图3为本发明实施例1中的一种氮化镓高压器件的示意图；

图4为本发明实施例2中的一种氮化镓高压器件的示意图；

图5为本发明实施例3中的一种氮化镓高压器件的示意图；

图6为本发明实施例4中的一种氮化镓高压器件的示意图。

具体实施方式

目前主流的氮化镓功率器件为横向器件结构，氮化镓功率器件的衬底浮空，在关断状态下，导致氮化镓功率器件的表面电场会升高，因此，氮化镓横向器件在应用中通常将衬底和源极接地，以降低氮化镓功率器件的表面电场，同时优化氮化镓功率器件动态电阻特性。

为了提高氮化镓功率器件耐高压的问题，发明人提供了一种氮化镓功率器件，使得氮化镓功率器件在关断耐压状态下，将衬底电位钳位在高电压，能够有效提升器件击穿电压。当氮化镓功率器件从关断状态转换到导通状态时，氮化镓功率器件的衬底电位被拉到接地状态，能够将氮化镓功率器件衬底中的电荷及时排除，使得氮化镓功率器件在导通状态下器件的动态特性良好。

但是，请参考图1，FET3的衬底电压难以进行准确控制，FET3和FET4的开启时间也难以完全同步。FET3关断时，FET3的衬底分压由FET3的漏极到FET3的衬底的等效电阻和FET3的衬底到FET3的源极的等效电阻的分压决定，但是在实际实施中，不同的氮化镓外延片的正反向漏电是存在差异，使得FET3衬底的分压在实际应用中难以准确控制；而且，FET3开启时，FET3的开启信号在传递过程中存在延时，导致FET3和FET4不能完全同步开启，如果FET4的开启早于FET3，那么FET3的衬底等效为一直接地的状态，将导致FET3的击穿电压受到衬底的限制；如果FET4的开启滞后于FET3，那么FET3的衬底等效为浮空状态，又将导致FET3的动态电阻特性差。

请参考图2，图2所示的一种氮化镓功率器件是由FET3和FET5组成，FET3为增强型器件，FET5为耗尽型器件，氮化镓功率器件开启时衬底电荷通过FET5泄放，氮化镓功率器件关断时，FET3的衬底电压被钳位在FET5的阈值电压，但是目前大阈值电压(上百伏)耗尽型器件制造难度较大，并且与目前主流工艺不兼容，因此在实施上还需要进行额外工艺开发。

本发明为解决上述的应用难点和工艺难点，进一步的改进和优化，不仅提升氮化镓功率器件关断状态下的击穿电压，还能准确控制衬底高压、工艺兼容的问题，因此，本发明提供一种氮化镓高压器件。

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

请参考图3，包括：增强型GaN HEMT器件FET3、第一二极管D1，所述第一二极管D1的反向电阻小于所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底与所述增强型GaN HEMT器件FET3的源极之间的电阻；

所述第一二极管D1的阴极与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底相连接，所述第一二极管D1的阳极与所述增强型GaN HEMT器件FET3的源极相连接。

当所述氮化镓高压器件的源极接地，所述增强型GaN HEMT器件FET3的栅极电压大于所述增强型GaN HEMT器件FET3的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件FET3开启，所述增强型GaN HEMT器件FET3的开启瞬间，所述增强型GaN HEMT器件FET3的漏极电压由高压降到导通电压，所述增强型GaN HEMT器件FET3衬底感应的负电荷通过所述第一二极管D1泄放，将所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底电压拉到接地状态；

当所述氮化镓高压器件的源极接地，所述增强型GaN HEMT器件FET3的栅极电压小于所述增强型GaN HEMT器件FET3的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件FET3关断，所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底电压被钳位，其中，所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底电压由所述增强型GaN HEMT器件FET3的漏极到所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底到所述增强型GaN HEMT器件FET3的源极的分压比例决定。

所述增强型GaN HEMT器件FET3开启时，所述第一二极管D1同时导通，使得所述增强型GaN HEMT器件FET3开启的衬底电压为接地状态的及时响应。

实施例2：

请参考图4，包括：增强型GaN HEMT器件FET3、第一Emode FET器件的源极与栅极短接后的第一等效二极管FET1，所述第一等效二极管FET1的电阻通过所述第一Emode FET器件的器件宽度Wg进行调节；

所述第一等效二极管FET1的阴极与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底相连接，所述第一等效二极管FET1的阳极与所述增强型GaN HEMT器件FET3的源极相连接；所述第一等效二极管FET1的衬底与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底相连接。

当所述氮化镓高压器件的源极接地，所述增强型GaN HEMT器件FET3的栅极电压大于所述增强型GaN HEMT器件FET3的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件FET3导通，所述增强型GaN HEMT器件FET3的漏极电压由高压降低到导通电压，所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底感应的负电荷通过所述第一等效二极管FET1泄放，将所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底拉到接地状态；

当所述氮化镓高压器件的源极接地，所述增强型GaN HEMT器件FET3的栅极电压小于所述增强型GaN HEMT器件FET3的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件FET3关断状态下所述增强型GaN HEMT器件FET3的漏极耐压，所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底电压被钳位，其中，所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底电压由所述增强型GaN HEMT器件FET3的漏极到所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底到所述增强型GaN HEMT器件FET3的源极的分压比例决定。

在本发明实施例中，所述第一等效二极管FET1、所述增强型GaN HEMT器件FET3共用衬底，有利于所述第一等效二极管FET1、所述增强型GaN HEMT器件FET3的集成制造。

实施例3：

请参考图5，包括：增强型GaN HEMT器件FET3、第一二极管D1和第二二极管D2，所述第一二极管D1的反向电阻小于所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底与所述增强型GaNHEMT器件FET3的源极之间的电阻，所述第二二极管D2的反向电阻小于所述增强型GaN HEMT器件FET3的漏极与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底之间的电阻；

所述第一二极管D1的阴极与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底相连接，所述第一二极管D1的阳极与所述增强型GaN HEMT器件FET3的源极相连接，所述第二二极管D2的阴极与所述增强型GaN HEMT器件FET3漏极相连接，所述第二二极管D2的阳极与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底相连接。

当所述氮化镓高压器件的源极接地，所述增强型GaN HEMT器件FET3的栅极电压大于所述增强型GaN HEMT器件FET3的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件FET3导通，所述增强型GaN HEMT器件FET3的漏极电压由高压降低到导通电压，所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底感应的负电荷通过所述二极管D1泄放，将所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底拉到接地状态；

当所述氮化镓高压器件的源极接地，所述增强型GaN HEMT器件FET3的栅极电压小于所述增强型GaN HEMT器件FET3的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件FET3关断，所述第一二极管D1与所述第二二极管D2等效为电阻，所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底电压为所述第一二极管D1的分压。

当所述增强型GaN HEMT器件关断时，所述增强型GaN HEMT器件FET3衬底的分压比例通过所述第一二极管D1和所述第二二极管D2的反向电阻进行调节，使得所述增强型GaNHEMT器件FET3的漏极到所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底到所述增强型GaN HEMT器件FET3的源极的电阻稳定，从而实现所述增强型GaNHEMT器件FET3的衬底分压稳定，并将所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底电压钳位在所述第一二极管D1的分压，从而实现精确控制所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底分压的目的。

实施例4：

请参考图6，包括：增强型GaN HEMT器件FET3、第一Emode FET器件的源极与栅极短接后的第一等效二极管FET1、第二Emode FET器件的源极与栅极短接后的第二等效二极管FET2，其中，所述第一Emode FET器件的源极与栅极短接后作为所述第一等效二极管FET1的阳极、所述第一Emode FET器件的漏极作为所述第一等效二极管FET1的阴极，所述第二Emode FET器件的源极与栅极短接后作为所述第二等效二极管FET2的阳极、所述第二EmodeFET器件的漏极作为所述第二等效二极管FET2的阴极，所述第一等效二极管FET1的电阻通过所述第一Emode FET器件的器件宽度进行调节，所述第二等效二极管FET2的电阻通过所述第二Emode FET器件的器件宽度进行调节；

所述第一等效二极管FET1的阴极与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底相连接，所述第一等效二极管FET1的阳极与所述增强型GaN HEMT器件FET3的源极相连接，所述第一等效二极管FET1的衬底与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底相连接，所述第二等效二极管FET2的阴极与所述增强型GaN HEMT器件FET3漏极相连接，所述第二等效二极管FET2的阳极与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底相连接，所述第二等效二极管FET2的衬底与所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底相连接。

当所述氮化镓高压器件的源极接地，所述增强型GaN HEMT器件FET3的栅极电压大于所述增强型GaN HEMT器件FET3的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件FET3导通，所述增强型GaN HEMT器件FET3的漏极电压由高压降低到导通电压，所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底感应的负电荷通过所述第一等效二极管FET1泄放，将所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底拉到接地状态；

当所述氮化镓高压器件的源极接地，所述增强型GaN HEMT器件FET3的栅极电压小于所述增强型GaN HEMT器件FET3的阈值电压时，所述增强型GaN HEMT器件FET3关断状态下所述增强型GaN HEMT器件FET3的漏极为高电压，所述第一等效二极管FET1、所述第二等效二极管FET2等效为电阻，所述增强型GaN HEMT器件FET3的衬底电压为所述第一等效二极管FET1的分压。

在本发明实施例中，所述第一等效二极管FET1、所述第二等效二极管FET2、所述增强型GaN HEMT器件FET3共用衬底，有利于所述第一等效二极管FET1、所述第二等效二极管FET2、所述增强型GaN HEMT器件FET3的集成制造。

在本发明实施例中，所述第一二极管D1、第二二极管D2为PN结二极管、肖特基二极管、Emode FET器件的源极与栅极短接后的等效二极管中的一种，其中，所述Emode FET器件的源极与栅极短接后作为所述等效二极管的阳极，所述Emode FET器件的漏极作为所述等效二极管的阴极。

在本发明实施例中，所述增强型GaN HEMT器件FET3与所述第一二极管D1、第二二极管D2封装在一起或者单独封装。

在其他实施例中，所述增强型GaN HEMT器件FET3与所述第一二极管D1封装在一起或者单独封装。

在本发明实施例中，所述第一二极管D1、所述第二二极管D2与所述增强型GaNHEMT器件于同一氮化镓工艺平台集成制造。

在其他实施例中，所述第一二极管D1与所述增强型GaN HEMT器件FET3于同一氮化镓平台集成制造。

本发明实施例还提供一种氮化镓功率芯片，包括上述的氮化镓功率器件。

最后说明，任何依靠本发明装置结构以及所述实施例的技术方案，进行的部分或者全部技术特征的修改或者等同替换，所得到的本质不脱离本发明的相应技术方案，都属于本发明装置结构以及所述实施方案的专利范围。