磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件及其制备方法与流程

本发明涉及半导体功率器件，具体是涉及一种磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件及其制备方法。

背景技术：

1、当前电力电子领域主流功率器件主要为mosfet、igbt及传统肖特基整流二极管，此类器件均依赖pn结或栅极沟道调控载流子输运，受固有物理机制限制，存在诸多无法规避的技术缺陷，严重制约高频、高效、高可靠功率变换系统的发展。

2、传统mosfet、igbt器件存在少数载流子存储效应，关断过程产生严重电流拖尾，大幅降低开关速度，无法适配纳秒级高频工作场景；大电流工况下载流子数量激增，关断难度与开关损耗显著提升。同时，mosfet固有米勒电容会产生米勒平台，不仅提升驱动电路设计复杂度、增加开关损耗，还易引发器件误开通，降低系统稳定性。此外，mosfet内置体二极管反向恢复特性差，反向恢复电荷大、拖尾时间长，高压高频工况下应用受限。

3、传统肖特基二极管虽无少子存储效应，但仍存在一定反向恢复损耗，高温工况漏电流激增、耐压裕量不足，且功能单一，仅可实现单向整流，无法兼顾可控开关功能。

4、现有新型无pn结磁控功率器件，虽优化了开关响应与导通损耗，但产业化缺陷突出：制备依赖高能离子注入设备，工艺复杂度高、量产良率低、成本高昂；多采用工字电感磁路结构，器件体积庞大、集成难度高，且在1khz以下低频工况性能衰减严重，工况适配性极差，无法实现全频段、多电压等级规模化应用。

5、综上，现有功率器件普遍存在开关损耗大、反向恢复特性差、米勒效应显著、高低频工况适配性弱、工艺量产性差、功能单一等问题，亟需一种物理机制革新、工艺兼容量产、兼具双重功能、全工况高性能的半导体功率器件。

技术实现思路

1、本发明旨在克服传统功率器件及现有磁控器件的固有技术瓶颈，提供一种磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件及其制备方法。本发明摒弃传统pn结、栅极沟道调控机制，解决现有器件米勒效应、少子存储、反向恢复损耗大、高低频工况适配性差的问题；同时解决现有磁控器件工艺复杂、量产成本高、集成难度大、低频性能短板的缺陷，实现单芯片整流、功率开关双重功能，兼具高速开关、低导通电阻、高关断电阻、极低静态功耗的特性，且全程兼容标准cmos平面工艺，适配多场景产业化应用。

2、为解决上述技术问题，本发明通过以下方案来实现：本发明的一种磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件如图1，沿器件厚度方向自下而上依次叠置n+低阻衬底区4、n-过渡区3、n-高阻区2、肖特基结金属层1；

3、所述n+低阻衬底区沿器件长度方向两侧引出主功率电极；

4、所述n-高阻区中心设置圆形肖特基金属接触，所述肖特基金属接触与n-高阻区形成肖特基结；

5、器件宽度方向两侧配置永磁体，所述永磁体用于产生与长度方向主电流正交的恒定磁场；

6、n+低阻衬底区与n-高阻区的掺杂浓度差、肖特基结与正交磁场共同构成环形载流子回路(如图8所示)。

7、进一步地，所述器件上下两侧对称设置聚酰亚胺绝缘层，所述绝缘层外侧分别对应配置上、下金属控制极板，上下绝缘层与金属控制极板共同构成垂直电场驱动结构。

8、进一步地，所述n+低阻衬底区为n型重掺杂单晶硅衬底，所述n-过渡区全域外延生长于n+低阻衬底区上表面，所述n-高阻区选择性外延生长于n-过渡区上表面。

9、进一步地，所述永磁体外侧套装u型电工纯铁磁极靴，所述磁极靴与永磁体紧密贴合。

10、更进一步地，所述金属控制极板为铝制极板，所述聚酰亚胺绝缘层具备高压耐压特性，且对称包覆于器件上下表面。

11、本发明的一种磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件的制备方法，该制备方法用于制备所述的半导体功率器件，其包括以下步骤：

12、1）衬底预处理：选取n+重掺硅衬底，对衬底进行清洗、双面抛光处理；

13、2）过渡区外延：在预处理后的衬底表面全域外延生长n-过渡层；

14、3）高阻区外延：在n-过渡层表面选择性外延生长n-高阻区；

15、4）肖特基结制备：在n-高阻区中心蒸镀金属膜，制备圆形金属接触窗口，形成稳定肖特基结；

16、5）主功率电极引出：根据器件应用场景，采用对应工艺引出主功率电极；

17、6）回路闭合：短接器件对应焊盘，闭合环形载流子回路；

18、7）封装装配：整流器件装配永磁体与磁极靴后灌封固化；功率开关器件在器件上下侧对称加装绝缘层与金属控制极板后完成封装。

19、进一步地，步骤2）、步骤3）均采用标准cmos平面外延工艺。

20、进一步地，步骤5）中，低压工况器件采用导电胶从衬底底部两侧引出电极，高压工况器件采用侧壁磁溅射金属化工艺引出电极。

21、进一步地，步骤4）中，通过界面预处理工艺调控肖特基结势垒高度，匹配环形载流子回路整体阻值。

22、进一步地，步骤7）中，功率开关器件的绝缘层采用聚酰亚胺薄膜，金属控制极板采用高纯铝材质，通过蒸镀工艺成型于绝缘层外侧。

23、相对于现有技术，本发明的有益效果是：

24、1、本发明功率器件物理机制革新，损耗降低：本发明摒弃传统pn结、栅极沟道调控机制，依托磁电协同环形载流子回路自主构建可控“高阻墙”，从根源上消除少子存储效应、米勒效应、反向恢复损耗，无开关拖尾、无驱动寄生损耗。

25、2、本发明电学性能优异，适配多种工况：器件导通电阻低，能够稳定承载大电流；其性能优于传统肖特基二极管与商用sicmosfet；能够稳定适配高低频、高低压、大小电流工况，解决现有磁控器件低频性能短板。

26、3、本发明的功率开关管依托洛伦兹力与栅控电场的动态制衡结构，具备天然的无源短路限流特性。发生负载短路时，激增的载流子漂移电流产生更强洛伦兹力，抽取底部导电薄层电子，器件导通阻抗自动抬升到欧姆级至数十欧姆区间，形成稳定限流平衡点，抑制短路尖峰电流，大幅延长器件短路耐受时间，配合原有栅极控制系统完成故障关断，相较于传统功率mosfet具备更强的抗短路冲击能力。

27、4、本发明半导体功率器件功能一体化，简化系统架构：单芯片自适应实现整流、可控功率开关双重功能，无需外接续流二极管、复杂驱动电路，能简化电力电子系统外围电路，降低设备体积、重量与硬件成本。

28、5、本发明半导体功率器件的制备方法兼容性强，量产成本低：全程采用标准cmos平面外延工艺，无需高能离子注入设备，加工工艺简单、量产良率高、流片成本低；磁路结构紧凑，能够集成封装，适配规模化产业化生产。

1.磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件，其特征在于，沿器件厚度方向自下而上依次叠置n+低阻衬底区、n-过渡区、n-高阻区；

2.根据权利要求1所述的磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件，其特征在于，所述器件上下两侧对称设置聚酰亚胺绝缘层，所述绝缘层外侧分别对应配置上、下金属控制极板，上下绝缘层与金属控制极板共同构成垂直电场驱动结构。

3.根据权利要求1所述的磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件，其特征在于，所述n+低阻衬底区为n型重掺杂单晶硅衬底，所述n-过渡区全域外延生长于n+低阻衬底区上表面，所述n-高阻区选择性外延生长于n-过渡区上表面。

4.根据权利要求1所述的磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件，其特征在于，所述永磁体外侧套装u型电工纯铁磁极靴，所述磁极靴与永磁体紧密贴合。

5.根据权利要求2所述的磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件，其特征在于，所述金属控制极板为铝制极板，所述聚酰亚胺绝缘层具备高压耐压特性，且对称包覆于器件上下表面。

6.一种磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-5任一项所述的半导体功率器件，该制备方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件的制备方法，其特征在于，步骤2）、步骤3）均采用标准cmos平面外延工艺。

8.根据权利要求6所述的磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件的制备方法，其特征在于，步骤5）中，低压工况器件采用导电胶从衬底底部两侧引出电极，高压工况器件采用侧壁磁溅射金属化工艺引出电极。

9.根据权利要求6所述的磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件的制备方法，其特征在于，步骤4）中，通过界面预处理工艺调控肖特基结势垒高度，匹配环形载流子回路整体阻值。

10.根据权利要求6所述的磁电协同垂直型电场调控的半导体功率器件的制备方法，其特征在于，步骤7）中，功率开关器件的绝缘层采用聚酰亚胺薄膜，金属控制极板采用高纯铝材质，通过蒸镀工艺成型于绝缘层外侧。