一种具有嵌入温度监测单元的GaN器件的过温保护电路

本发明属于gan功率电子，具体涉及一种具有嵌入温度监测单元的gan器件的过温保护电路。

背景技术：

1、随着科技的进步和时代的发展，高效率、高功率密度、高可靠性、低成本和轻量小型化已经成为功率集成电路的主要发展趋势。随着半导体技术的日益发展，硅基功率器件的性能已逐渐接近材料限制边界，碳化硅(silicon carbide，sic)、氮化镓(galliumnitride，gan)等宽带隙(wide band-gap，wbg)半导体材料是近二十年兴起的第三代半导体材料，与传统半导体材料si相比，第三代半导体材料拥有更大的禁带宽度、更高的击穿场强、更高的电子饱和速度等优势，使用第三代半导体材料制造的电力电子器件，备受电力电子领域的广泛关注。经过多年发展，gan功率器件应用愈发广泛，大到汽车lidar系统，小到消费类电子产品充电器。

2、随着器件的尺寸越来越小，集成度越来越高，当器件工作在更大电压和更高频率以获得更大功率密度时，这将不可避免的带来更大功率耗散，使得热量在器件内部急剧累积，从而导致器件内部的温度明显升高，这种在器件内部产生的高温高场将给gan器件带来严重的可靠性问题，如动态导通电阻退化，阈值电压漂移，电流崩塌等，并加速器件的失效，更恶劣的情况甚至会烧毁整个器件。

技术实现思路

1、本发明提出了一种具有嵌入温度监测单元的gan器件的过温保护电路，用于精确探测器件内部的温度以及不同位置的热分布，降低电路设计复杂度和实施工艺难度。通过全增强型gan门电路的设计，电路采用基于全gan单片集成比较器和反相器电路，并将输出的votp信号反馈给前级驱动电路，同时通过控制vref来调节触发保护电路的温度阈值。在gan功率驱动系统中引入本发明提出的硅基gan过温保护电路，可以使gan功率器件在高压、高温下智能工作而不出现严重的可靠性问题。

2、本发明的技术方案为：

3、一种具有嵌入温度监测单元的gan器件的过温保护电路，其特征在于，包括嵌入温度监测单元的gan功率器件(如图2)、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一晶体管、比较器、第一反相器inv1、第二反相器inv2、第三反相器inv3和与门电路；

4、第一电阻r1的一端接工作电压，第一电阻r1的另一端同时与gan功率器件内部嵌入的温度监测单元的一个金属电极和比较器路的正向输入端连接，温度监测单元的另一个金属电极接地；

5、第二电阻r2的一端与高电平vdd连接，第二电阻r2的另一端同时与第三电阻r3的一端和比较器的反向输入端连接，第三电阻r3的另一端同时与第四电阻r4的一端和第一晶体管的漏极连接，第四电阻r4的另一端和第一晶体管的源极接地；

6、比较器的输出端与第一反相器inv1的输入端连接，第一反相器inv1的输出端与第二反相器inv2的输入端连接，第二反相器inv2的输出端为过温保护电路的输出端；第三反相器inv3的输入端和第一晶体管e1的栅极接过温保护电路的输出端；第三反相器inv3的输出端和与门电路的其中一个输入端连接，与门电路的另一个输入端接外部驱动信号，与门电路的输出端与gan功率器件的栅极连接，gan功率器件的漏极接外部电路，gan功率器件的源极接地。

7、进一步的，所述比较器包括第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管；第一反相器inv1包括第八电阻r8和第六晶体管；第二反相器inv2包括第九电阻r9和第七晶体管；

8、第五电阻r5的一端、第六电阻r6的一端、第七电阻r7的一端、第八电阻r8的一端、第九电阻r9的一端均接高电平vdd，第五电阻r5的另一端同时与第二晶体管的栅极和漏极、第三晶体管的栅极连接；第六电阻r6的另一端与第四晶体管的漏极连接，第四晶体管的源极同时与第三晶体管的漏极、第五晶体管的源极连接；第七电阻r7的另一端同时与第五晶体管的漏极和第六晶体管的栅极连接；第八电阻r8的另一端同时与第六晶体管的漏极和第七晶体管的栅极连接；第九电阻r9的另一端与第七晶体管的漏极连接，同时为过温保护电路的输出端；第二晶体管的源极、第三晶体管的源极、第六晶体管的源极、第七晶体管的源极均接地；第四晶体管的栅极为比较器的正向输入端，第五晶体管的栅极为比较器的反向输入端。

9、进一步的，第三反相器inv3包括第十电阻r10和第八晶体管；第十电阻r10的一端接高电平vdd，第十电阻r10的另一端与第八晶体管的漏极连接，同时连接点为第三反相器inv3的输出端；第八晶体管的栅极为第三反相器inv3的输入端，第八晶体管的源极接地。

10、进一步的，所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管和第八晶体管均为增强型gan晶体管。

11、进一步的，如图3所示，所述gan功率器件的元胞结构包括衬底01、位于衬底01上表面的缓冲层02、位于缓冲层02上表面的gan沟道层03、位于gan沟道层03上表面的algan势垒层04、源极欧姆金属08和漏极欧姆金属09；所述gan沟道层03与algan势垒层04构成异质结；在algan势垒层04上表面覆盖有钝化层07；algan势垒层04和钝化层07位于源极欧姆金属08和漏极欧姆金属09之间，源极欧姆金属08和漏极欧姆金属09分别位于gan沟道层03上表面两端；在源极欧姆金属08上表面具有源极场板10，将源极场板10位于源极场板10上方的部分定义为第一垂直场板；第一垂直场板的顶端沿器件横向方向向靠近漏极欧姆金属09一侧延伸至器件中部，定义该延伸部分为第一横向场板；第一横向场板的末端沿器件垂直方向向靠近钝化层07的一侧延伸，定义该延伸部分为第二垂直场板；第二垂直场板的末端沿器件横向方向向靠近漏极欧姆金属09一侧延伸，定义该延伸部分为第二横向场板；第一横向场板、第二垂直场板和第二横向场板形成z字形结构；在第一横向场板的下方具有p-gan帽层05，p-gan帽层05沿垂直方向贯穿钝化层07与algan势垒层04直接接触；在p-gan帽层05上表面具有栅极金属06；在p-gan帽层05与漏极欧姆金属09之间的钝化层07上表面具有温度监测单元11，并且第二横向场板位于p-gan帽层05与温度监测单元11之间的钝化层07上方；在p-gan帽层05和栅极金属06与第一垂直场板、第一横向场板、第二垂直场板和第二横向场板之间填充有隔离层12，隔离层12还覆盖漏极欧姆金属09、温度监测单元11和钝化层07的上表面，并且隔离层12的高度与第一横向场板齐平至完全包裹第二垂直场板和第二横向场板。

12、进一步的，所述温度监测单元11的材料是ni/au、ti/au、pd/au和ni/au/ni中的任意一种。

13、进一步的，所述温度监测单元11的横向长度为1～5um。

14、进一步的，所述p-gan帽层05的厚度为50～80nm。

15、进一步的，所述p-gan帽层05的掺杂浓度1x1017 cm-3～5x1020cm-3。

16、本发明的有益效果是：

17、首先，由于该电路是基于内部嵌入分布式温度监测单元的gan功率器件作过温保护设计，所以从结构上区别于其他电路，无需专门围绕gan功率器件设计结温监测支路，在设计结构上更简便。其次，由于内部的温度监测单元直接集成在gan器件热源热点(漂移区栅极漏侧)附近，因而温度监测单元直接体现热点的温度信息，相对比在gan器件外部设计温度监测与保护电路，该设计电路温度监测准确度更高。同时，单片集成电路能够减小电路中互联引起的寄生效应，发挥gan器件高频高速性能。所以，基于内部嵌入分布式温度监测单元的p-gan栅gan功率器件实现的过温保护(otp)电路，能在高温高场的恶劣条件下智能工作，从而解决器件在高温高场工作时带来的可靠性问题，为基于p-gan栅gan hemt商用器件提高应用潜力，以及进一步提升市场占有率做基础。