一种主源协同栅电位自适应SiCMOSFET器件

本发明属于半导体功率器件，涉及一种主源协同栅电位自适应sicmosfet器件。

背景技术：

1、随着全球能源结构的转型与电力电子技术的迅猛发展，功率半导体器件作为电能转换的核心元件，其性能直接决定了能源系统的效率、可靠性与集成度。尤其在新能源汽车、智能电网、工业变频器及可再生能源发电等领域，对功率器件的高压耐受能力、高频开关特性、高温稳定性以及低损耗特性提出了更为严苛的要求。以硅 (si) 基材料为代表的传统功率器件，受限于其物理特性，在高电压、高温、高开关频率的应用场景中逐渐面临性能瓶颈。因此，以碳化硅(sic)为代表的宽禁带半导体材料凭借其优异的物理特性，即更宽的禁带宽度、更高的击穿电压、更低的导通电阻，成为新一代功率器件的理想选择。

2、碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管 (sic mosfet) 作为 sic 功率器件的典型代表，通过结合栅极控制与垂直导电结构，在高压阻断能力、导通电阻、开关速度等方面展现出显著优势。然而，随着应用场景的复杂化与性能需求的提升，现有 sic mosfet 技术仍面临四大核心瓶颈。

3、第一，沟槽栅氧化层长期可靠性瓶颈。沟槽栅结构的几何特征会导致栅氧化层在关态时承受极高的纵向电场，特别是沟槽底角处的电场集中现象使得局部场强可达 5-6mv/cm，远超 sic/sio2界面 3mv/cm 的安全阈值，严重威胁器件的长期可靠性，是制约沟槽栅 sic mosfet 实用化的核心瓶颈；

4、第二，导通电阻 (ron,sp) 与击穿电压 (bv) 的折中矛盾。为缓解上述栅氧电场集中问题，主流技术方案在栅极沟槽下方引入 p 型屏蔽区 (p-shield)，但该方案引发了新的性能矛盾：接地 p-shield 虽能屏蔽电场、保障可靠性，但会在导通态形成 jfet 耗尽区，使比导通电阻增加 15%-20%；浮空 p-shield 虽能降低导通电阻，但会引发负电荷存储效应，导致动态导通电阻显著退化、开关速度下降。同时，器件正向导通时，电流流经漂移区与沟道区之间的 jfet 区域，jfet 区的掺杂浓度和几何尺寸直接影响导通电阻，为优化导通电阻增大 jfet 区尺寸或掺杂浓度，会导致击穿电压下降，反之则导通电阻显著上升，形成难以调和的性能折中矛盾；

5、第三，反向续流时体二极管的双极退化效应。在逆变电路、电机驱动等应用中，sicmosfet 需承受反向续流工况，此时器件内部的寄生体二极管（由 p-base 与 n - 漂移区构成）被迫导通，少数载流子注入效应会引发双极退化现象：一方面，注入的载流子在漂移区复合产生热量，加剧器件温升，降低可靠性；另一方面，反向恢复过程中存储电荷的快速释放会引发电流尖峰与电压振荡，增加开关损耗并损坏外围电路。现有技术虽可通过引入肖特基接触抑制体二极管导通，但会牺牲器件正向特性，或大幅增加工艺复杂度与成本；

6、第四，现有电位自适应技术的工艺与性能缺陷。现有栅极内嵌通孔的电位自适应p-shield 方案，虽能实现 p-shield 电位动态切换，但需在栅极内部制作高精度深通孔，工艺复杂度高、良率低，且未集成低势垒反向导通结构，无法解决体二极管双极退化的行业痛点；现有双沟槽辅助栅方案虽能集成反向沟道，但未将 p-shield 电位自适应作为核心优化，无法彻底破解导通电阻与击穿电压的折中矛盾。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种主源协同栅电位自适应sic mosfet器件，通过优化器件的结构设计，在同一元胞内同时实现p-shield电位自适应调控与低势垒mos沟道二极管集成，无需额外工艺开销与芯片面积，进一步降低导通电阻、加快反向恢复速率、提升栅氧长期可靠性，从而提升器件在高频、高效能应用中的性能表现。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种主源协同栅电位自适应sic mosfet器件，该器件包括从下至上依次堆叠的漏极金属接触区、n+衬底区、n-漂移区、n-csl电流扩展层、p-base区、源极金属接触区；器件元胞中心设置主源协同栅调控结构，元胞左侧设置主mosfet沟道结构，元胞内集成低势垒mos沟道二极管结构；

4、所述主源协同栅调控结构，包括左侧主栅控沟槽栅、右侧源极辅助沟槽栅、包裹两沟槽的沟槽栅氧化层、两沟槽底部的p-shield区、两沟槽之间的p型势垒开关；所述p型势垒开关包括p-ch区和中心源极p+区，所述p-ch区形成于两沟槽之间的n-漂移区上表面，所述中心源极p+区形成于p-ch区上表面、与源极金属接触区欧姆连接；所述主栅控沟槽栅接入器件栅极电位，所述源极辅助沟槽栅与源极金属接触区等电位连接；

5、所述低势垒mos沟道二极管结构，由源极辅助沟槽栅、包裹沟槽的沟槽栅氧化层、源极辅助沟槽栅右侧的p-base区、以及p-base区顶部与源极金属接触区连接的源极n+区共同构成；

6、所述主mosfet沟道结构，由主栅控沟槽栅、左侧p-base区、左侧源极n+区、左侧源极p+区、n-csl电流扩展层、n-漂移区、n+衬底区与漏极金属接触区构成；

7、进一步，器件正向导通时，主栅控沟槽栅施加15v正偏压，源极辅助沟槽栅接源极0v电位，二者形成的横向双向电场将中间的p-ch区完全耗尽夹断，断开p-shield区与顶部源极p+区的导电通路，使p-shield区处于浮空状态。浮空的p-shield不会对两侧的n-csl电流扩展层产生额外耗尽作用，大幅削弱jfet效应，拓宽电流导通路径，显著降低器件比导通电阻；

8、进一步，器件阻断状态时，主栅控沟槽栅施加0v或幅值不超过5v的负偏压，源极辅助沟槽栅接源极0v电位，二者电位差不足以耗尽p-ch区，p-ch区保持良好的p型导电性，使p-shield区通过 p-ch区、中心源极p+区与源极金属实现可靠接地。该负偏压幅值既满足sic mosfet防误开通的工程需求，又可确保p-shield区稳定接地。接地的p-shield区与n-漂移区形成反偏pn结，承担器件阻断电压，同时通过耗尽效应实现电场重分布，屏蔽沟槽栅底部的电场集中，将栅氧化层最大电场限制在3mv/cm安全阈值内；同时彻底抑制浮空 p-shield带来的负电荷存储效应，避免动态导通电阻退化，提升器件长期可靠性；

9、进一步，器件反向续流时，主栅控沟槽栅施加0v或负偏压，主沟道保持关断，源极辅助沟槽栅接源极0v电位，相对于负压的漏极与n -漂移区等效为正偏置，在p-base区靠近源极辅助沟槽栅的侧壁形成n型反型沟道，构成低势垒mos沟道二极管。该沟道开启电压低至1.2v，远低于传统sic体二极管2.7v的导通压降，反向电流优先通过该单极型沟道流通，完全抑制寄生体二极管导通，从根源上消除少数载流子注入引发的双极退化效应，大幅优化器件反向恢复特性；

10、进一步，所述主栅控沟槽栅与源极辅助沟槽栅均被沟槽栅氧化层包裹；所述主栅控沟槽栅和源极辅助沟槽栅的侧壁氧化层厚度均为0.05μm，均小于沟槽底部氧化层厚度0.08μm，在增强反向沟道栅控能力、降低开启电压的同时，保证沟槽底部的电场屏蔽能力与栅氧可靠性；

11、进一步，通过调节所述沟槽栅氧化层的厚度，可灵活调控器件栅源电容、栅漏电容的大小，平衡器件的导通特性与开关特性，实现静态与动态性能的协同优化；

12、进一步，所述p-ch区采用低掺杂p型sic，其掺杂浓度低于p-shield区、中心源极p+区的掺杂浓度，保证正向导通时可被主栅控沟槽栅与源极辅助沟槽栅完全耗尽夹断，阻断状态下可形成稳定的导电通路，实现p-shield区电位的精准切换；

13、进一步，所述源极金属接触区同时与源极n+区、源极p+区、中心源极p+区、源极辅助沟槽栅实现欧姆接触；所述漏极金属接触区位于n+衬底区的下表面，与n+衬底区形成欧姆接触。

14、本发明的有益效果在于：

15、破解导通电阻与击穿电压的固有折中矛盾：通过主栅控沟槽栅与源极辅助沟槽栅协同调控实现p-shield的电位自适应切换，正向导通时p-shield浮空，jfet区电阻降低20.69%，比导通电阻较传统非对称沟槽sicmosfet 下降12.5%；阻断状态下p-shield可靠接地，器件击穿电压提升至 1265v，打破了传统方案 “接地升电阻、浮空降可靠性”的固有瓶颈，实现了导通损耗与耐压性能的解耦设计。

16、大幅提升栅氧可靠性：阻断状态下接地的p-shield将栅氧化层最大电场限制在3mv/cm安全阈值内，从根源上解决了沟槽栅电场集中的可靠性瓶颈。

17、彻底消除双极退化效应，反向续流性能大幅优化：无需额外芯片面积与工艺步骤，在同一元胞内集成了低势垒mos沟道二极管，反向开启电压低至 1.2v，较传统sic体二极管降低55.6%。反向续流时单极型沟道优先导通，完全抑制体二极管开启，消除了少数载流子注入带来的双极退化效应；反向恢复时间从传统器件的13ns降至 6ns以内，缩短超53.8%，反向恢复电荷降低65.2%，显著减小反向恢复损耗与电路振荡风险，完美适配高频逆变、电机驱动等应用场景。

18、工艺兼容性强，元胞利用率高：摒弃了现有电位自适应器件的栅极内嵌通孔工艺，通过主栅控沟槽栅与源极辅助沟槽栅的协同结构设计，同时实现电位调控与反向沟道集成，无需额外的光刻、刻蚀与离子注入步骤，与传统 sic 沟槽mosfet工艺完全兼容，避免了额外工艺带来的成本提升与良率下降；同时无需牺牲元胞面积设置接地通孔或独立的二极管结构，元胞面积利用率达100%，进一步降低器件比导通电阻。

19、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。