本發(fā)明涉及碳化硅功率器件，特別是一種提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件。

背景技術(shù)：

1、碳化硅（sic）功率器件因其更低的導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)損耗，更優(yōu)的開(kāi)關(guān)頻率和熱管理能力等優(yōu)越性能，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、可再生能源、工業(yè)自動(dòng)化、電力電子、航空航天、便攜式電子設(shè)備、電力傳輸、醫(yī)療設(shè)備等場(chǎng)景中。

2、近年來(lái)，將肖特基二極管（sbd）集成到sic功率器件中，已成為提升器件性能的重要趨勢(shì)。sbd以其極低的正向壓降和快速的反向恢復(fù)特性，能夠顯著降低開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。這種集成設(shè)計(jì)不僅優(yōu)化了電力轉(zhuǎn)換效率，還提高了系統(tǒng)的熱管理能力，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

3、sic功率器件往往工作在大電壓、大電流的場(chǎng)景中，短路應(yīng)力是影響其可靠性的關(guān)鍵因素。發(fā)生短路時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如下短路危害，具體為：

4、1、器件會(huì)瞬時(shí)承受高達(dá)數(shù)倍于額定值的電流，這種激增的電流會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)部溫度迅速上升，可能超過(guò)其熱極限，造成熱失效。

5、2、超出額定電壓的短路條件會(huì)引發(fā)擊穿現(xiàn)象，損壞絕緣層。

6、3、過(guò)量的載流子注入可能導(dǎo)致器件導(dǎo)通特性的不穩(wěn)定，進(jìn)而影響整體性能。

7、4、熱膨脹不匹配可能產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致材料界面的裂紋或分層現(xiàn)象。

8、5、將加速器件的老化過(guò)程，縮短其使用壽命。

9、基于上述短路危害，sic功率器件在實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)在電路中引入熔斷器或壓敏電阻等過(guò)流過(guò)壓保護(hù)措施。然而盡管存在應(yīng)對(duì)短路的方法，但提升器件自身的耐短路能力仍然是確保系統(tǒng)可靠性、性能和安全性的核心要素。

10、傳統(tǒng)提升器件耐短路能力的方法是通過(guò)增加導(dǎo)通電阻，從而使器件的短路電流密度降低，避免電路發(fā)生損壞。因此器件耐短路能力的提升和導(dǎo)通電阻的降低存在相互矛盾的關(guān)系，為了同時(shí)對(duì)二者進(jìn)行優(yōu)化，本發(fā)明提出了一種提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件，該提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件通過(guò)在源極淺溝槽采用階梯式的sbd金屬和在柵極深溝槽填充高k材料來(lái)兼顧器件的功耗和耐短路能力。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件，包括金屬漏極、n型摻雜半導(dǎo)體襯底、n型摻雜半導(dǎo)體外延層、n型摻雜半導(dǎo)體jfet區(qū)、柵極深溝槽、金屬柵極、源極淺溝槽、sbd金屬、p型摻雜半導(dǎo)體屏蔽層和金屬源極。

4、金屬漏極、n型摻雜半導(dǎo)體襯底、n型摻雜半導(dǎo)體外延層、n型摻雜半導(dǎo)體jfet區(qū)和金屬源極從下至上依次布設(shè)。

5、柵極深溝槽和源極淺溝槽均縱向貫通式設(shè)置在n型摻雜半導(dǎo)體jfet區(qū)兩側(cè)，且底部均伸入正下方的n型摻雜半導(dǎo)體外延層中；其中，柵極深溝槽的深度大于源極淺溝槽的深度，且柵極深溝槽內(nèi)填充有高k電介質(zhì)，源極淺溝槽內(nèi)填充金屬源極。

6、金屬柵極嵌設(shè)在柵極深溝槽頂部。

7、sbd金屬為階梯式，嵌設(shè)在金屬源極中，包括一體設(shè)置的sbd橫部和sbd縱部；其中，sbd縱部與源極淺溝槽側(cè)壁相貼合的方式伸入源極淺溝槽，且與源極淺溝槽底面具有sbd間隙；sbd橫部位于金屬源極底部，且下表面緊貼n型摻雜半導(dǎo)體jfet區(qū)的上表面。

8、p型摻雜半導(dǎo)體屏蔽層為階梯式，包括縱屏蔽部和橫屏蔽部；其中，縱屏蔽部設(shè)置在sbd縱部下方且與源極淺溝槽側(cè)壁相重合的n型摻雜半導(dǎo)體jfet區(qū)；橫屏蔽部設(shè)置在與源極淺溝槽底部相重合的n型摻雜半導(dǎo)體外延層頂部。

9、金屬柵極與金屬源極之間設(shè)置有層間絕緣介質(zhì)。

10、還包括p型摻雜半導(dǎo)體阱；p型摻雜半導(dǎo)體阱設(shè)置在柵極深溝槽和源極淺溝槽之間的n型摻雜半導(dǎo)體jfet區(qū)中。

11、還包括n型摻雜半導(dǎo)體源極接觸區(qū)和p型摻雜半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)；n型摻雜半導(dǎo)體源極接觸區(qū)和p型摻雜半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)左右并列布設(shè)在p型摻雜半導(dǎo)體阱正上方的n型摻雜半導(dǎo)體jfet區(qū)頂部。

12、金屬柵極的縱向深度超過(guò)p型摻雜半導(dǎo)體阱的縱向深度。

13、sbd橫部的長(zhǎng)度不大于n型摻雜半導(dǎo)體外延層橫向?qū)挾鹊?5%，sbd縱部的長(zhǎng)度不大于p型摻雜半導(dǎo)體阱縱向深度的150%。

14、源極淺溝槽的寬度不小于n型摻雜半導(dǎo)體外延層橫向?qū)挾鹊?%，不大于n型摻雜外延層橫向?qū)挾鹊?0%；源極淺溝槽的深度不小于p型摻雜半導(dǎo)體阱縱向深度的30%，不大于p型摻雜半導(dǎo)體阱縱向深度的225%。

15、sbd間隙不小于p型摻雜半導(dǎo)體阱縱向深度的25%，不大于p型摻雜半導(dǎo)體阱縱向深度的75%。

16、柵極深溝槽的寬度不小于n型摻雜半導(dǎo)體外延層橫向?qū)挾鹊?0%，不大于n型摻雜外延層橫向?qū)挾鹊?0%；柵極深溝槽的深度不小于n型摻雜半導(dǎo)體外延層縱向深度的30%，不大于n型摻雜外延層縱向深度的80%。

17、p型摻雜半導(dǎo)體屏蔽層的摻雜濃度介于0.6×1017?~2×1017cm-3之間。

18、本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明中階梯式的sbd金屬、源極淺溝槽和p型摻雜半導(dǎo)體屏蔽層的設(shè)置，能減少器件短路時(shí)的電流密度，降低器件在短路過(guò)程中的溫度，避免器件發(fā)生熱擊穿、以提高sic功率器件的耐短路能力。另外，本發(fā)明中填充有高k電介質(zhì)的柵極深溝槽，能調(diào)制漂移區(qū)的電勢(shì)分布，以保證低導(dǎo)通電阻和高反向擊穿電壓，從而兼顧sic功率器件的導(dǎo)通電阻和耐短路能力的改善，有效調(diào)和二者的矛盾關(guān)系。

技術(shù)特征：

1.一種提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件，其特征在于：包括金屬漏極、n型摻雜半導(dǎo)體襯底、n型摻雜半導(dǎo)體外延層、n型摻雜半導(dǎo)體jfet區(qū)、柵極深溝槽、金屬柵極、源極淺溝槽、sbd金屬、p型摻雜半導(dǎo)體屏蔽層和金屬源極；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件，其特征在于：金屬柵極與金屬源極之間設(shè)置有層間絕緣介質(zhì)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件，其特征在于：還包括p型摻雜半導(dǎo)體阱；p型摻雜半導(dǎo)體阱設(shè)置在柵極深溝槽和源極淺溝槽之間的n型摻雜半導(dǎo)體jfet區(qū)中。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件，其特征在于：還包括n型摻雜半導(dǎo)體源極接觸區(qū)和p型摻雜半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)；n型摻雜半導(dǎo)體源極接觸區(qū)和p型摻雜半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)左右并列布設(shè)在p型摻雜半導(dǎo)體阱正上方的n型摻雜半導(dǎo)體jfet區(qū)頂部。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件，其特征在于：金屬柵極的縱向深度超過(guò)p型摻雜半導(dǎo)體阱的縱向深度。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件，其特征在于：sbd橫部的長(zhǎng)度不大于n型摻雜半導(dǎo)體外延層橫向?qū)挾鹊?5%，sbd縱部的長(zhǎng)度不大于p型摻雜半導(dǎo)體阱縱向深度的150%。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件，其特征在于：源極淺溝槽的寬度不小于n型摻雜半導(dǎo)體外延層橫向?qū)挾鹊?%，不大于n型摻雜外延層橫向?qū)挾鹊?0%；源極淺溝槽的深度不小于p型摻雜半導(dǎo)體阱縱向深度的30%，不大于p型摻雜半導(dǎo)體阱縱向深度的225%。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件，其特征在于：sbd間隙不小于p型摻雜半導(dǎo)體阱縱向深度的25%，不大于p型摻雜半導(dǎo)體阱縱向深度的75%。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件，其特征在于：柵極深溝槽的寬度不小于n型摻雜半導(dǎo)體外延層橫向?qū)挾鹊?0%，不大于n型摻雜外延層橫向?qū)挾鹊?0%；柵極深溝槽的深度不小于n型摻雜半導(dǎo)體外延層縱向深度的30%，不大于n型摻雜外延層縱向深度的80%。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升耐短路能力的內(nèi)嵌sbd的sic功率器件，其特征在于：p型摻雜半導(dǎo)體屏蔽層的摻雜濃度介于0.6×1017?~2×1017cm-3之間。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種提升耐短路能力的內(nèi)嵌SBD的SiC功率器件，包括金屬漏極、N型摻雜半導(dǎo)體襯底、N型摻雜半導(dǎo)體外延層、N型摻雜半導(dǎo)體JFET區(qū)、柵極深溝槽、金屬柵極、源極淺溝槽、SBD金屬、P型摻雜半導(dǎo)體屏蔽層和金屬源極。金屬柵極嵌設(shè)在柵極深溝槽頂部。本發(fā)明中的SBD金屬、源極淺溝槽和P型摻雜半導(dǎo)體屏蔽層，能減少器件短路時(shí)的電流密度，降低器件在短路時(shí)的溫度，避免器件發(fā)生熱擊穿、以提高器件的耐短路能力。另外，本發(fā)明中填充有高K電介質(zhì)的柵極深溝槽，能調(diào)制漂移區(qū)的電勢(shì)分布，以保證低導(dǎo)通電阻和高反向擊穿電壓，從而兼顧器件的導(dǎo)通電阻和耐短路能力的改善，有效調(diào)和二者的矛盾關(guān)系。

技術(shù)研發(fā)人員：姚佳飛,楊凡,胡子偉,陳靜,郭宇鋒,蔡志匡,李曼,楊可萌,張茂林,張珺
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京郵電大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2