[发明专利]双跨导半导体开关器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种双跨导半导体开关器件及其制造方法。

背景技术

瞬态阻断单元（TBU）由Fultec公司发明，能为串联负载提供保护，主要应用在网络与通讯设备接入的浪涌过载保护。TBU是具有两个或多个晶体管的装置，这两个或多个晶体管相连接，通常情况下具有较低的电阻和电容以避免TBU影响原有线路的导通和带宽，但是在响应过电压或过电流情况时TBU能够迅速并自动地切换至高阻态以保护串联负载。

现有技术中，美国专利US2009/231773表述了典型的TBU。图1示出TBU的一个典型示例，包括耗尽型器件Q1、耗尽型器件Q2、耗尽型器件Q3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、二极管D1和二极管D2，若Q1和Q3是n型耗尽型器件，则Q2是p型耗尽型器件（若Q1和Q3是p型耗尽型器件，则Q2是n型耗尽型器件）。Q1和Q3的栅源电压差受到通过Q2的电流控制，当通过TBU的电流超过额定值（阈值电流）时则Q1（或Q3，取决于电流方向）自动关断，随后Q2也关断，TBU转变成高阻状态，保护设备不受过压或过流的损坏。

很多场合要求TBU具有高电压处理能力。用上述的低电压TBU作为core加上高电压开关器件来实现高压TBU是比较实用的一种方法，高压TBU的阈值电流由TBU core决定而不依赖于高电压开关器件。根据美国专利US2006/0098363，图2示出了高压TBU的一个典型示例，TBU core（虚线方框内的部分）包括耗尽型器件Q1、Q2和Q3，二极管D1和D2，TBU core连接着两个高电压耗尽型器件Q4和Q5，TBU core决定了器件的阈值电流，Q4和Q5决定了TBU的耐压特性。当遇到雷击或闪电等，线上电流（在大约10ns左右的时间内）剧升，当电流和电压升起到TBU core的触发电流时（一般为几百mA），TBU core开始限制电流，在几μs内驱动Q4、Q5断开，隔离负载和浪涌源。TBU在触发关闭后，通常线路静态电流需要保持在1～2mA左右，以使其维持工作状态，能够在浪涌过后一段时间内自动恢复到导通状态。

基于上述高压TBU的工作原理，对Q4和Q5的要求包括以下几点：

1、  耗尽型器件;

2、  导通电阻小；

3、  耐高压；

4、  关闭速度快。

美国专利US2006/0098363指出氮化镓（GaN）高电子迁移率场效应器件（HEMT）完全满足以上几点，特别符合Q4和Q5的要求，适用于高压TBU。第三代半导体材料GaN具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、导热性能好等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。而AlGaN/GaN半导体异质结具有极高的二维电子气（2DEG）密度、高电子迁移率和高击穿电场，因而基于AlGaN/GaN的耗尽型HEMT开关器件具有如下独特的优势：

首先，易于制成耗尽型器件。高浓度的2DEG使得GaN HEMT在零栅压下就能有很大的导通电流（很小的导通电阻），并且需要一定的负栅压才能将器件关断，也就是通常所说的常开型器件或者耗尽型器件。

其次，基于GaN材料的宽禁带特性，其临界击穿电场是硅材料的10倍，因而在相同材料或器件尺寸时GaN器件的耐压高。

第三，相比硅基器件，在满足相同的耐压和导通电阻的条件下其器件尺寸小，相应的栅电容也小（C_g小），因而开关速度快，能够满足TBU过压过流保护时迅速关断电路的要求，同时可以有效减小封装后TBU的体积。

但是目前常规的GaN HEMT开关器件在TBU应用中，存在一种不稳定状态，容易造成GaN开关器件失效。