一种耐高温功率器件

本发明属于结型场效应晶体管，具体涉及一种耐高温功率器件。

背景技术：

1、相比于mosfet（金属氧化物半导体场效应晶体管），jfet一般拥有小得多的比导通电阻，而导通电阻为比导通电阻与器件面积之比，这意味着制造一颗同样大小导通电阻的大功率器件芯片，jfet芯片占用的面积极小，即使jfet为了摆脱对特殊驱动电路的依赖，必须与一额外的低压硅基mosfet串联成为常关型的复合器件cascode（共源共栅） jfet，制造成本仍不及制造功率mosfet的零头。导通电阻是功率管设计的其中一个关键指标，低压差线性稳压器（ldo）与开关模式电源（smps）电路则是功率管应用的主要场景，二者都要求功率管能够通过一定大小的电流，其值与负载电流相同。小的导通电阻意味着功率管强的通流能力，在smps中，通流能力越强，功率管通过相同电流所需源漏两端的压差越小，导通损耗越低，功率转换效率也越高，若通流能力不足，smps在重载下的开关节点电压将严重偏离理想的pwm（脉冲宽度调制）波形，甚至导致smps输出异常的电压值，此时smps将丧失开关的特性，输出电压的纹波也会消失，退化为与ldo一致的完全直流的输出；而在ldo中，功率管的通流能力虽然与效率无关，但是其强弱却决定着ldo重载下的功率调整管是否能通过与负载电流大小相同的电流同时ldo的输出电压得以保持不变。综上所述，电源管理电路性能的好坏很大程度上取决于功率管的导通电阻，同时还因为其大小由器件的面积决定，所以导通电阻是器件研发与量产的主要成本来源。在此背景下，纵向jfet器件仅凭借可以更低的成本获得同样的导通电阻和通流能力这一优势，就在众多功率器件中脱颖而出，在市场上占据着一席之地。

2、现有技术如论文x. song and y. du, "study of the sic jfet reverseconduction and reverse blocking characteristics," 2019 ieee applied powerelectronics conference and exposition (apec), anaheim, ca, usa, 2019, pp.2751-2756，其选用掺入高浓度施主杂质氮原子后的碳化硅衬底，从衬底背面引出电极——漏，之后在其上外延生长出低氮原子浓度的漂移层，作为承受源漏两端高压的主要部分，接着于外延片顶部全域注入形成高氮原子掺杂浓度的薄层，为源电极欧姆接触的形成创造条件，然后就是淀积掩蔽层，掩蔽层上涂胶，之后在指定位置光刻、刻蚀，往掩蔽层的缺口处通入气体与底下的碳化硅发生反应从而刻蚀出一道道相互平行的沟槽，利用相同的缺口再注入受主杂质铝原子，在漂移层毗邻沟槽底部与侧壁的区域都形成栅极的有源区。至此，经典的纵向碳化硅jfet功率器件的基本结构已完全形成。

3、综上所述，现有技术结构过于简单，高温健壮性得不到保证，高温会降低载流子迁移率，进而导致功率jfet的通流能力下降，最终使整个电路的性能受到影响。本发明的目的是改进现有的经典纵向碳化硅jfet的结构，特化后的新结构使之具备耐高温的特性，即使器件工作在高温环境下，其通流能力也只是轻微降低，甚至反而升高，补偿了由载流子迁移率降低造成的损失。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种耐高温功率器件，该器件具有因其上寄生的双极性结型晶体管在高温下会发生基区少子注入而对高温呈现出抗性，并且相比于纵向功率jfet的传统制造工艺仅需增设深阱工艺步骤的特点。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种耐高温功率器件，包括n型衬底和n型衬底表面的n型漂移层，n型漂移层为中间高两侧低的凸形结构，其中间部分的顶部全域注入形成n型源极有源区，其一侧为集电区，另一侧为被深n阱拦腰截断成上下两部分的栅极有源区和寄生bjt的发射区；栅极有源区为上部分，寄生bjt的发射区为下部分。

4、所述集电区、栅极有源区和寄生bjt的发射区成分一致，为铝杂质原子注入区；

5、所述深n阱，为氮杂质原子注入区。

6、生长n型漂移层分前后两次生长完成，经第一次生长后的外延层的顶部高度与深n阱的顶部齐平；

7、第二次生长，外延层达到所设计的最终高度，得到深n阱。

8、将n型漂移层蚀出沟槽接着注入与n型漂移层发生反应的气体，形成各p型区域，栅极有源区、寄生bjt的发射区和p型栅极有源区构成p型区域，所述发射区的浓度高于集电区的浓度，设置p型区域的浓度大于漂移层的浓度但小于深n阱的浓度，所形成的p型区域既是沟槽与p型栅极有源区，也是寄生bjt的集电区，最后jfet的沟道作为基区。

9、所述深阱为栅极有源区下方0.1~0.2um处插入一个与jfet沟道类型相同的掺杂区域。

10、栅极有源区控制jfet沟道的夹断与开启，寄生bjt的发射区用于引入bjt（双极性结型晶体管），寄生bjt的发射区、n型漂移层和集电区共同构成此bjt，在高温下bjt的发射区受到激活并向基区即沟道内注入载流子，以此降低jfet的导通电阻，补偿因高温下载流子迁移率下降而损失的通流能力。

11、n型衬底高1~10um、宽1.7~1.9um、掺杂浓度1e17~1e20cm-3；

12、n型漂移层高3~6um、宽1.7~1.9um、掺杂浓度5e16~1.5e17cm-3。

13、n型源极有源区高斯分布、有效深度0.02~0.2um、宽0.7~0.9um、峰值浓度1e18~1e20cm-3。

14、深n阱高0.2~0.3um、宽0.5~0.7um、深1.6~1.8um、掺杂浓度1e17~5e17cm-3。

15、沟槽与集电区沟槽高1.4~1.7um、宽0.4~0.6um、倾斜4~7°；p区右边距侧壁0.1~0.2um、底边距槽底0.6~0.9um、掺杂浓度5e16~1.5e17cm-3。

16、沟槽与栅极有源区沟槽高1.4~1.7um、宽0.4~0.6um、倾斜4~7°；p区左边距侧壁0.1~0.2um、底边距槽底0.2~0.3um、掺杂浓度2.5e17~3.5e17cm-3。

17、寄生bjt的p型发射区高0.2~0.3um、宽0.4~0.6um、掺杂浓度2.5e17~3.5e17cm-3。

18、本发明的有益效果：

19、本发明在经典纵向碳化硅jfet功率器件结构的基础之上，针对高温下器件的通流能力随着载流子迁移率的下降而退化的问题，通过在沟槽下方一定距离处插入一个氮原子掺杂区域，称为深n阱，每两个深n阱之间间隔一道沟槽不做插入，浓度较栅极有源区高，可将栅区从中间一分为二，此时引入寄生bjt部分，寄生bjt的发射区正是栅区的下部，基区是jfet的沟道，集电区则是没有插入深n阱的另一半栅区；同时集电区与原栅区上部仍然作为新结构的栅极有源区，共同控制沟道的夹断与开启，双栅结构能有效减小泄漏电流。

20、改进后的新结构凭借着高温下bjt的发射区会向基区即沟道注入空穴从而提高功率jfet的通流能力，由此获得耐高温的属性，同时制造工艺却没有变得过于复杂。