[发明专利]一种新型的GaN基ESD防护电路

说明书

本发明属于半导体器件及集成电路技术领域，具体的说是涉及一种GaN基ESD防护电路。与常规的由二极管组组成的ESD防护电路不同的是，本发明基于增强型p‑GaN HEMT器件，GaN基触发二极管组，限流电阻组成ESD防护电路。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。同时，在相同的防护等级下，该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，由于该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。该发明适用于增强型p‑GaNHEMTs栅极防护，GaN射频功率放大器的输入输出端口等电路。

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ESD防护电路。

背景技术

氮化镓(GaN)是第三代宽禁带半导体材料代表，受到各国研究人员的广泛关注。GaN 材料具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小及良好的化学稳定性等特点，因此， GaN基HEMT器件与Si基器件相比，具有较低的导通电阻、较小寄生电容、较高的击穿电压等优良性能，可以满足下一代系统对半导体器件更大功率、更小体积、更高频率的应用需求。

然而，传统的基于AlGaN/GaN异质结器件由于存在自发极化和压电极化效应形成天然的二维电子气导电沟道，为耗尽型器件。但是由于耗尽型器件会增大应用时驱动电路设计的复杂性和可靠性，因此需要增强型的GaN器件来满足应用需求。目前几种常用的增强型技术中， p-GaN增强型器件已经实现商业化。p-GaN HEMT器件的实现方法为在栅极区域外延一层p 型GaN层，p-GaN与AlGaN/GaN异质结形成类PiN结构，类二极管结构中内建电场能够抵消AlGaN/GaN异质结中自发极化和压电极化产生的电场作用，从而能够耗尽栅极下方的二维电子气，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-GaN HEMT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。

Zhixin Wang等人在2013年报道了一种ESD保护方案，如图1所示。该方案是基于传统的GaN耗尽型HEMT器件，另外包括触发二极管组，夹断二极管组和限流电阻组成。夹断二极管组用于在被保护电路正常工作时，使ESD保护电路处于关断状态，同时起到降低漏电流的作用。触发二极管组用于在ESD发生时触发保护。该型ESD保护方案相比于单一的二极管组能够提供更大的保护电压等级，同时大幅度的降低了漏电流。但是由于，夹断二极管组的存在，该型保护方案仅能提供单向的防护，无法提供双向保护。而且由于夹断二极管组的存在，增大了ESD保护芯片的面积。

发明内容

本发明在于克服前述ESD防护技术的不足，提供一种具备双向防护能力，防护电压在 4～6V，防护电压等级更高，芯片面积相对于耗尽型GaN基HEMT器件更小，且漏电流更小的GaN基ESD防护电路方案。

本发明的技术方案为：