一种集成自适应空穴通道的逆导式超结HK介质IGBT器件的制作方法

本发明属于功率半导体器件，具体涉及一种集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件。

背景技术：

1、碳化硅基igbt作为第三代半导体高压功率开关器件，在新能源、轨道交通、电网逆变等高频高压场景中被广泛应用。当前商用与传统结构sic-igbt普遍存在关断损耗与导通压降无法协同优化、击穿电压受漂移区耗尽程度限制、需反向并联外置续流二极管导致器件功率密度偏低的核心技术问题。由于双极器件固有的少数载流子存储效应，关断时漂移区内载流子消散缓慢，直接造成关断损耗偏高、开关速度受限；为提升耐压而增加漂移区厚度与掺杂优化，又会导致正向导通压降显著上升，形成耐压与损耗的固有矛盾。同时，igbt在实际工作中需承受反向续流电流，传统方案需外置独立续流二极管，不仅增大封装体积与寄生参数，还降低了系统功率密度与集成度。现有超结结构、栅介质优化或逆导结构均无法同时解决损耗、耐压、功率密度三大问题，难以满足高压高频、高效高密度电力电子装备对器件综合性能的持续升级需求。

技术实现思路

1、本发明目的在于解决上述技术问题，提供一种集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件，通过超结结构与hk介质优化电场分布，集成自适应空穴通道实现导通与关断状态下的载流子调控，结合n +短路区实现逆导功能，同步降低导通压降与关断损耗、提升击穿电压与功率密度。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件，包括集电极，所述集电极上方设置有p型集电极，且形成欧姆接触；所述p型集电极左侧设置有n+短路区，所述p型集电极与所述n+短路区上方设置有n型截止层，所述n型截止层上方交替排布有p柱、n型漂移区、hk介质；所述n型漂移区上方设置有ncsl区，所述ncsl区上方设置有p-body区；所述p-body区上方设置有n+区与p+区；

4、所述p-body区右侧设置有第一sio2栅介质，所述p柱上方设置有第二sio2栅介质；所述第一sio2栅介质覆盖有多晶硅分离栅，所述第二sio2栅介质上方设置有多晶硅发射极栅；所述n+区与所述p+区上方设置有发射极，形成欧姆接触；

5、其中，所述p柱、所述n型漂移区与所述hk介质交替排列以优化电场分布并提升击穿电压；所述ncsl区与所述多晶硅分离栅配合形成自适应空穴通道，导通时抑制空穴提取以增强电导调制降低导通压降，关断时开启通道快速提取空穴以降低关断损耗；所述p+区、所述p-body区、所述ncsl区、所述n型漂移区、所述n型截止层以及所述n+短路区构成反向并联pin续流二极管以实现双向导通。

6、本发明一优选实施例，所述n型截止层沿器件横向连续铺设，所述p柱、所述n型漂移区与所述hk介质的底部均直接接触所述n型截止层的上表面，且三者在水平方向上依次相邻排布。

7、本发明一优选实施例，所述hk介质为高介电常数介质柱，所述hk介质位于所述p柱远离所述n型漂移区的一侧，所述hk介质与所述p柱、所述n型漂移区共同构成超结复合漂移区结构。

8、本发明一优选实施例，所述ncsl区完全覆盖所述n型漂移区以及部分所述p柱的上表面，所述ncsl区的横向宽度与所述n型漂移区的横向宽度一致，所述ncsl区的下界面与所述n型漂移区的上界面紧密贴合。

9、本发明一优选实施例，所述p-body区完全覆盖于所述ncsl区的上表面，所述p-body区的横向宽度等于所述ncsl区的横向宽度，所述p-body区延伸至所述第二sio2栅介质的侧边位置。

10、本发明一优选实施例，所述n+区与所述p+区在所述p-body区的上表面相邻排布，所述n+区与所述p+区的底部均深入所述p-body区内部，形成重掺杂区域。

11、本发明一优选实施例，所述第一sio2栅介质紧贴所述p-body区右侧的侧壁与部分上表面，所述多晶硅分离栅完全包裹所述第一sio2栅介质的上表面与外侧壁，形成栅控绝缘隔离结构。

12、本发明一优选实施例，所述第二sio2栅介质部分覆盖所述p柱的上表面，所述第二sio2栅介质的横向宽度小于所述p柱的顶部宽度，所述多晶硅发射极栅与所述p柱通过所述第二sio2栅介质实现电气隔离。

13、本发明一优选实施例，所述n+短路区为重掺杂n型区域，所述n+短路区的底部与所述集电极直接接触，所述n+短路区的顶部与所述n型截止层直接接触。

14、本发明一优选实施例，所述器件的衬底与功能层均采用4h-sic材料制备，所述p型集电极、所述n型截止层、所述n型漂移区、所述ncsl区、所述p-body区均为基于sic材料的外延掺杂区域；所述n+短路区、所述n+区、所述p+区均为基于sic材料的离子注入区域。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、1.本发明通过集成自适应空穴通道、超结hk介质结构与逆导一体化结构，从电场调控、载流子输运、器件集成度三方面实现全面性能提升，实现导通损耗与关断损耗协同优化。器件通过ncsl区与多晶硅发射极栅构成自适应空穴通道，导通状态下通道关闭，抑制空穴提取，显著增强漂移区电导调制效应，大幅降低正向导通压降；关断瞬态通道自动开启，快速抽取漂移区内部空穴，有效削弱少数载流子存储效应，显著缩短关断时间、降低关断损耗，解决传统双极器件导通与关断性能难以兼顾的技术矛盾。

17、2.显著提升器件击穿电压与电场均匀性。采用p柱、n型漂移区与hk介质柱横向交替排布的超结复合结构，借助hk介质高介电常数特性强化横向电场调制能力，使漂移区在耐压状态下更充分、更均匀地耗尽，优化纵向与横向电场分布，抑制电场集中，在相同漂移区厚度下实现更高击穿电压，或在相同耐压下减薄漂移区、进一步降低导通损耗。

18、3.集成逆导功能，大幅提高。功率密度在集电极区域集成n+短路区，与p+区、p-body区、ncsl区、n型漂移区、n型截止层自然构成反向并联pin续流二极管，实现igbt正向导通与反向续流一体化，无需外置续流二极管，减小封装体积、降低寄生参数，显著提升器件功率密度与系统集成度，增强器件在高频逆变、桥臂电路中的适用性与可靠性。

19、4.栅控能力更强，器件稳定性更高。采用hk介质与sio2复合栅介质结构，提升栅极调控精度与界面质量，降低栅极漏电流，提高高温与高压工况下的栅介质可靠性；多晶硅分离栅与多晶硅发射极栅相互独立隔离，实现主沟道与空穴通道的独立控制，提升器件开关一致性与抗干扰能力。

20、5.适配sic材料特性，拓展高压高频应用场景。器件整体采用sic宽禁带材料制备，充分发挥sic高临界电场、高热导率、高饱和漂移速度优势，可在更高电压、更高温度、更高频率条件下稳定工作，适用于新能源发电、轨道交通、智能电网、航空航天等对效率与可靠性要求严苛的领域。

1.一种集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件，其特征在于，包括集电极（34），所述集电极（34）上方设置有p型集电极（24），且形成欧姆接触；所述p型集电极（24）左侧设置有n+短路区（15），所述p型集电极（24）与所述n+短路区（15）上方设置有n型截止层（14），所述n型截止层（14）上方交替排布有p柱（23）、n型漂移区（13）、hk介质（42）；所述n型漂移区（13）上方设置有ncsl区（12），所述ncsl区（12）上方设置有p-body区（22）；所述p-body区（22）上方设置有n+区（11）与p+区（21）；

2.根据权利要求1所述的集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件，其特征在于，所述n型截止层（14）沿器件横向连续铺设，所述p柱（23）、所述n型漂移区（13）与所述hk介质（42）的底部均直接接触所述n型截止层（14）的上表面，且三者在水平方向上依次相邻排布。

3.根据权利要求1所述的集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件，其特征在于，所述hk介质（42）为高介电常数介质柱，所述hk介质（42）位于所述p柱（23）远离所述n型漂移区（13）的一侧，所述hk介质（42）与所述p柱（23）、所述n型漂移区（13）共同构成超结复合漂移区结构。

4.根据权利要求1所述的集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件，其特征在于，所述ncsl区（12）完全覆盖所述n型漂移区（13）以及部分所述p柱（23）的上表面，所述ncsl区（12）的横向宽度与所述n型漂移区（13）的横向宽度一致，所述ncsl区（12）的下界面与所述n型漂移区（13）的上界面紧密贴合。

5.根据权利要求1所述的集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件，其特征在于，所述p-body区（22）完全覆盖于所述ncsl区（12）的上表面，所述p-body区（22）的横向宽度等于所述ncsl区（12）的横向宽度，所述p-body区（22）延伸至所述第二sio2栅介质（43）的侧边位置。

6.根据权利要求1所述的集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件，其特征在于，所述n+区（11）与所述p+区（21）在所述p-body区（22）的上表面相邻排布，所述n+区（11）与所述p+区（21）的底部均深入所述p-body区（22）内部，形成重掺杂区域。

7.根据权利要求1所述的集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件，其特征在于，所述第一sio2栅介质（41）紧贴所述p-body区（22）右侧的侧壁与部分上表面，所述多晶硅分离栅（32）完全包裹所述第一sio2栅介质（41）的上表面与外侧壁，形成栅控绝缘隔离结构。

8.根据权利要求1所述的集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件，其特征在于，所述第二sio2栅介质（43）部分覆盖所述p柱（23）的上表面，所述第二sio2栅介质（43）的横向宽度小于所述p柱（23）的顶部宽度，所述多晶硅发射极栅（33）与所述p柱（23）通过所述第二sio2栅介质（43）实现电气隔离。

9.根据权利要求1所述的集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件，其特征在于，所述n+短路区（15）为重掺杂n型区域，所述n+短路区（15）的底部与所述集电极（34）直接接触，所述n+短路区（15）的顶部与所述n型截止层（14）直接接触。

10.根据权利要求1-9任一项所述的集成自适应空穴通道的逆导式超结hk介质igbt器件，其特征在于，所述器件的衬底与功能层均采用4h-sic材料制备，所述p型集电极（24）、所述n型截止层（14）、所述n型漂移区（13）、所述ncsl区（12）、所述p-body区（22）均为基于sic材料的外延掺杂区域；所述n+短路区（15）、所述n+区（11）、所述p+区（21）均为基于sic材料的离子注入区域。