一种具有双栅结构的耗尽型GaNHEMT器件及其应用

本发明涉及氮化镓高电子迁移率晶体管，具体涉及一种耗尽型氮化镓高电子迁移率晶体管及其提高功率器件过电流保护能力的应用，属于半导体器件。

背景技术：

1、氮化镓(gan)材料禁带宽度大，临界击穿场强高，因此氮化镓器件具有很高的耐压能力。基于氮化镓材料体系产生的高浓度、高迁移率的二维电子气(2deg)导电沟道，氮化镓高电子迁移率晶体管(gan hemt)具有导通损耗低、开关频率高的优异特性。因此氮化镓器件通常应用于高压高频领域，与硅(si)功率转换系统相比，氮化镓功率转换系统具有更高的功率转换效率，同时减少了单元的重量和体积，从而形成了高功率密度系统。

2、过流故障是电源系统中较为常见的故障事件，产生该故障的原因包括控制器故障、机械和环境应力、负载瞬间变化及磁性元件饱和等。此时功率器件通常工作在高电压大电流的情况下，过程中产生的高热量可能使器件彻底损坏。

3、为了保护功率器件免受过电流的影响，目前的解决方案一般是在电源转换系统中增加过电流保护电路。通过快速地检测到功率器件中流过的过电流，并且使流过功率器件的电流停止，从而对功率器件进行过电流保护。俄亥俄州立大学设计了一种短路保护电路，提出了三步短路保护方案(x.lyu,et al.,“areliable ultrafast short-circuitprotection method for e-mode gan hemt,”in ieee transactions on powerelectronics,vol.35,no.9,pp.8926-8933,sept.2020,doi:10.1109/tpel.2020.2968865.)。该方案可以快速检测过电流故障，降低gan hemt的栅极电压，关闭gan hemt。实验结果表明，该方案可以将gan hemt的过流故障检测时间从2μs缩短到几十纳秒。但是，短路保护电路会造成整个系统的设计更为复杂。

4、通过器件结构的设计，直接降低能流过功率器件的过电流是一种更为直接有效的方法。transphorm公司提出了在器件宽度方向上，部分地移除栅极下方的二维电子气(2deg)导电沟道的方法(d.bisi,et al.,“short-circuit capability demonstrated forgan power switches,”apec,phoenix,az,usa,jun.2021,pp.370–375,doi:10.1109/apec42165.2021.9486987.)，最终将gan hemt的过流故障耐受时间延长到了3μs。但是通过离子注入等方法来移除栅极下方2deg导电沟道会带来栅极可靠性问题，并且该技术需要以增加器件的导通电阻(高达35％)为代价。

5、目前亟需一种能降低功率器件过电流的技术方案，以实现提高功率器件过电流保护能力的目的。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具有双栅结构的耗尽型gan hemt器件，该双栅结构的耗尽型gan hemt器件能够降低其本身及其所在电路中能流过的过电流大小，从而可以用来解决功率电子电路中功率器件容易因为过电流故障而发生性能退化甚至彻底损坏的问题。

2、为实现上述技术目的，在本发明的第一方面，提供了一种具有双栅结构的耗尽型gan hemt器件，该器件具有第一栅极和第二栅极，其中，所述第一栅极为该耗尽型gan hemt的主要栅极，用于开启或者关闭器件；所述第二栅极位于源极与第一栅极之间；所述第一栅极和第二栅极对应的阈值电压都是负值，即都为耗尽型器件的栅极，且所述第二栅极对应的阈值电压的绝对值小于第一栅极对应的阈值电压的绝对值。

3、在本发明的一些具体实施方式中，所述具有双栅结构的耗尽型gan hemt器件包括衬底，以及依次叠加在衬底上的缓冲层、沟道层和势垒层，源极和漏极位于势垒层上有源区的两侧，第一栅极和第二栅极位于源极和漏极之间，其中，第二栅极位于源极与第一栅极之间。

4、上述具有双栅结构的耗尽型gan hemt器件中，实现所述第二栅极对应的阈值电压的绝对值小于第一栅极对应的阈值电压的绝对值的方式可以是以下方式之一：

5、(1)在第一栅极下方增加介质层，减弱对2deg的耗尽作用；

6、(2)对第二栅极下方的势垒层进行部分刻蚀，形成刻蚀凹槽，帮助耗尽2deg；

7、(3)第二栅极采用较第一栅极功函数更大的金属，帮助耗尽2deg；

8、(4)第二栅极下方采用比第一栅极下方介质层介电常数大的介质层，帮助耗尽2deg；

9、(5)第二栅极下方采用比第一栅极下方介质层更薄的的介质层，帮助耗尽2deg；

10、(6)对第二栅极下方的势垒层进行离子注入，如f、n离子等，帮助耗尽2deg。

11、其工作原理如下：当上述具有双栅结构的耗尽型gan hemt的第一栅极和第二栅极都处于开启的状态，此时随着器件漏极电压的增大，由于第一栅极和第二栅极对应的阈值电压都是负值且第二栅极对应的阈值电压的绝对值小于第一栅极对应的阈值电压的绝对值，电流夹断点会先在第二栅极处形成，标志着该耗尽型gan hemt进入电流饱和区。与传统栅极结构的耗尽型gan hemt相比，本发明提出的具有双栅结构的耗尽型gan hemt会更快达到电流饱和，饱和电压和饱和电流都更低，过电流故障时流过gan hent的过电流也更低。该耗尽型gan hent的设计有利于提高该器件本身以及该器件所在功率电路中其他功率器件的过电流保护能力。

12、值得注意的是，本发明的重点在于提出了一种具有双耗尽型栅极的gan hemt器件，并且第二栅极对应的阈值电压的绝对值小于第一栅极对应的阈值电压的绝对值。可以理解，在不脱离本发明的范围，可以有其他结构和其他变化的实例。再者，不同的实例、结构和工艺可以相互组合来实现相同的目的。

13、本发明提供的一种具有双栅结构的耗尽型gan hemt的器件结构如图1所示，包含：

14、衬底1，可以采用si衬底、sic衬底、蓝宝石(sapphire)衬底和gan衬底；

15、能降低器件漏电流、提高击穿电压的缓冲层2，可以为gan、aln、ingan、algan、inalgan等材料中一种或多种的组合；

16、提供电子导电沟道的沟道层3，可以为gan、ingan、algan、inalgan材料等；

17、通过极化效应产生二维电子气的势垒层4，可以为gan、aln、algan、ingan、inalgan等材料中一种或多种的组合；

18、gan hemt源极5；

19、gan hemt漏极6；

20、gan hemt第一栅极介质层7；

21、gan hemt第一栅极8；

22、gan hemt第二栅极9。

23、注意：这里提供了具有双栅结构的耗尽型gan hemt的其中一种器件结构设计，本发明的重点是要求第二耗尽型栅极对应的阈值电压的绝对值小于第一耗尽型栅极对应的阈值电压的绝对值，满足此要求的其他器件结构设计展示在具体的各个实施例中。

24、在本发明的第二方面，提供了上述具有双栅结构的耗尽型gan hemt的电路应用方法，在功率电子电路中加入具有双栅结构的耗尽型gan hemt与功率器件相串联的电路结构，该具有双栅结构的耗尽型gan hemt会限制流过该电路结构的过电流大小，从而提高该功率器件的过电流保护能力。

25、在具体的电路连接方式设计中，只需满足vg,1-vg,2>vth,1-vth,2的条件，所述具有双栅结构的耗尽型gan hemt的第二栅极处的导电沟道就会先于第一栅极处发生夹断，其中，vg,1和vg,2分别代表施加在第一栅极和第二栅极的电压，vth,1和vth,2分别代表第一栅极和第二栅极对应的阈值电压。vg,1和vg,2可以各自接固定电压vfix,1和vfix,2，或者接到电路中的内置电压点，例如所述具有双栅结构的耗尽型gan hemt的源极或者所述功率器件例如增强型晶体管的源极。

26、以具有上述具有双栅结构的耗尽型gan hemt与增强型晶体管结合使用为例，展示本发明提供的所述双栅结构的耗尽型gan hemt器件的电路应用。如图8所示，具有双栅结构的耗尽型gan器件与一个增强型晶体管相串联，所述耗尽型gan hemt器件的第一栅极和第二栅极分别接固定电压vfix,1和vfix,2。选取的vfix,1和vfix,2电压，使得所述耗尽型gan hemt器件的第二栅极处的电子沟道最先发生夹断，控制硬开关等高电压大电流情况下的器件最大开态电流，达到过电流保护的目的。

27、注意：这里提供了一种具有双栅结构的耗尽型gan hemt器件的其中一种电路应用，重点是具有双栅结构的耗尽型gan hemt器件的第二栅极处的电子沟道最先发生夹断，其饱和电流会钳制住整个电路的电流，满足此要求的其他器件结构设计展示在具体的各个实施例中。

28、本发明的有益效果：本发明提供了一种具有双栅结构的耗尽型gan hemt器件及其电路应用方法，该双栅结构的耗尽型gan hemt能够降低其本身及其所在电路中能流过的过电流大小，从而可以提高功率电子电路中功率器件的过电流保护能力。