[发明专利]一种硅衬底GaN半导体共源共栅器件的设计方法

说明书

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种硅衬底GaN半导体共源共栅器件的设计方法，将高压硅衬底GaN半导体器件漏极作为共源共栅器件的漏极，栅极与低压器件源极连接作为共源共栅器件的源极且接地电，源极与低压器件漏极连接，将低压器件栅极作为共源共栅器件的栅极；将高压硅衬底GaN半导体器件的硅基板接地电；将低压器件的阈值电压设计为3V～10V；在硅衬底GaN半导体共源共栅器件上并联高压硅二极管；通过公式计算低压器件漏极与源极之间的电容的值或者在低压器件上并联硅电容或者稳压二极管。基于本发明设计的硅衬底GaN半导体共源共栅器件，解决了现有硅衬底GaN半导体共源共栅器件因其本身设计导致容易失效的问题。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种硅衬底GaN半导体共源共栅器件的设计方法。

背景技术

宽禁带半导体材料(Eg大于或等于2.3eV)被称为第三代半导体材料，主要包括金刚石、SiC、GaN等。以SiC和GaN为代表的第三代半导体材料，因具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能，是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，具有非常好的应用前景和市场潜在价值。

现有的硅衬底GaN半导体共源共栅器件是以高压硅衬底GaN半导体器件作为抗高压的整体共源共栅器件的漏极，配以低压硅器件(一般采用N型MOS管)并将其栅极作为整体共源共栅器件的栅极，而高压硅衬底GaN半导体器件的栅极则与低压硅器件的源极连接作为整体共源共栅器件的源极，硅衬底GaN半导体器件的源极则与低压硅器件的漏极连接，从而形成整体共源共栅器件，其结构如图1所示。虽然现有的硅衬底GaN半导体共源共栅器件具有GaN器件的诸多优良性能，但其仍然存在一些问题，导致不能被广泛应用于众多电子产品中，具体问题如下：

1.硅衬底GaN半导体共源共栅器件所使用的低压硅器件，其通常的阈值电压在2V以下，不能抗击由硅衬底GaN半导体器件高的dv/dt或di/dt造成的栅极感应冲击电压上升，从而导致栅极在关闭过程中打开，进而烧毁器件。

2.高压硅衬底GaN半导体器件本身的电流崩塌问题易造成器件失效。

3.由于硅衬底GaN半导体共源共栅器件是GaN生长在异质材料-硅基板上的，器件本身不具备抗雪崩的能力，当在短路或大电流/大电压冲击下时，例如无箝位感应开关条件下，易烧毁器件。

4.低压硅器件本身的电性参数需要设计，不能随便配置，例如电容参数，同时也需要保护，在高压硅衬底GaN半导体器件的源极与低压硅器件的漏极连接处的电压Vm,必须要高于高压硅衬底GaN半导体器件的夹断电压Vp的绝对值，但又不能高于低压硅器件的击穿电压Vbd,否则会造成其损坏。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种硅衬底GaN半导体共源共栅器件的设计方法。

为实现以上技术目的，本发明的第一种技术方案是：

一种硅衬底GaN半导体共源共栅器件的设计方法，利用高压硅衬底GaN半导体器件和低压器件构成硅衬底GaN半导体共源共栅器件的基本结构，将高压硅衬底GaN半导体器件的漏极作为硅衬底GaN半导体共源共栅器件的漏极，栅极与低压器件的源极连接作为硅衬底GaN半导体共源共栅器件的源极且接地电，源极与低压器件的漏极连接，将低压器件的栅极作为硅衬底GaN半导体共源共栅器件的栅极；将高压硅衬底GaN半导体器件的硅基板接地电；将低压器件的阈值电压设计为3V～10V；在硅衬底GaN半导体共源共栅器件上并联高压二极管，将高压二极管的负极和正极分别与硅衬底GaN半导体共源共栅器件的漏极和源极连接；设计低压器件漏极与源极之间的电容的值，由于高压硅衬底GaN半导体器件的源极与低压器件的漏极连接处的电压Vm的值应满足：Vm的值高于高压硅衬底GaN半导体器件的夹断电压Vp的绝对值且不高于低压硅器件的击穿电压Vbd的值，并且Vm的值可用下式表示：

Vm≈Vds·Cds_GaN/(Cds_GaN+Cds)式(1)