【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本公開涉及一種具有改進(jìn)的電氣性能的電力電子器件。具體地，涉及一種碳化硅電子器件，該器件包括一個或多個具有改進(jìn)的電氣操作與可靠性的功率mosfet。此外，還涉及一種包括電力電子器件的裝置。
技術(shù)介紹
1、如已知的，功率器件是用于在高電壓和/或電流下(例如在抑制狀態(tài)下達(dá)到1700v的電壓以及直至達(dá)幾十/幾百安培的電流)工作的電子器件，并用于多個應(yīng)用領(lǐng)域。例如，功率器件通常用于音頻放大器、電機(jī)控制設(shè)備、電源或電源開關(guān)，并且功率器件包括功率二極管、功率晶體管、晶閘管、絕緣柵雙極晶體管(igbt)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(mosfet)。
2、在功率器件中，一般使用具有寬帶隙(例如具有大于1.1ev的帶隙的能量值eg)、低導(dǎo)通態(tài)電阻(ron)、高熱導(dǎo)率值、高操作頻率以及高電荷載流子飽和速度的半導(dǎo)體材料。具有這些特性并被設(shè)計用于制造電子部件的材料是碳化硅(sic)。特別地，碳化硅(在其不同的多型體(例如，3c-sic、4h-sic、6h-sic)中)就上面列出的性質(zhì)而言相較于硅是優(yōu)選的。
3、從碳化硅襯底開始形成的電子器件，相比于設(shè)置在硅襯底上的類似器件具有許多優(yōu)點，諸如導(dǎo)通時的低輸出電阻、低泄漏電流、高操作溫度以及高操作頻率。
4、特別地，sic?mosfet已經(jīng)表現(xiàn)出了更高的開關(guān)性能，這使得這些sic功率器件特別有利于高頻應(yīng)用。
5、特別地，有時使用處于飽和模式(在激活(active)區(qū)工作)的功率mosfet作為恒定電流源，通過改變柵極-源極電壓vgs的值進(jìn)行調(diào)諧。事實上，在飽和模
6、在不同的應(yīng)用中，功率mosfet在開關(guān)的線性模式(也稱歐姆或三極管區(qū))下操作，從導(dǎo)通狀態(tài)(on-state)切換到截止?fàn)顟B(tài)(off-state)，反之亦然。線性模式的特征在于電流ids和電壓vds之間的線性關(guān)系，并且因此在于漏極-源極導(dǎo)通電阻rdson(以下也稱為導(dǎo)通電阻rdson)的恒定值。在這種操作模式中，截止與導(dǎo)通狀態(tài)之間的開關(guān)速度影響功率mosfet器件的特性。事實上，從導(dǎo)通狀態(tài)到截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)變越慢，開關(guān)期間的功率耗散就越大，并且功率mosfet的閾值電壓vth的熱漂移的概率就越大。
7、因此，sic功率mosfet被設(shè)計為最小化開關(guān)時間，從而降低這些缺點將發(fā)生的概率。然而，減少開關(guān)時間會導(dǎo)致在動態(tài)和瞬態(tài)領(lǐng)域下開關(guān)階段期間mosfet電流和電壓的已知的“振鈴”現(xiàn)象(即，電流和電壓中出現(xiàn)大體上正弦的振蕩的現(xiàn)象，該振蕩在開關(guān)時開始，并且隨著時間振幅減小，直到在從開關(guān)時刻開始的瞬態(tài)時段之后結(jié)束)。振鈴現(xiàn)象導(dǎo)致電流和電壓“過沖”(即具有顯著振幅的電流和電壓振蕩峰)，其通常超過mosfet設(shè)計來安全承受的電流和電壓。因此，過沖可能損壞mosfet，增加功率損耗，并引入具有不可忽略的重要性的電磁干擾以及噪聲。
8、此外，sic功率mosfet的共同趨勢是不斷縮小sic功率mosfet的尺寸，以允許在相同的面積單位中有更高密度的mosfet，從而提高帶有mosfet的器件的計算性能，而不必相應(yīng)地增加器件的尺寸。特別地，在垂直結(jié)構(gòu)mosfet中，這是通過減小在柵極結(jié)構(gòu)下面的每個mosfet單元的體區(qū)之間的距離來實現(xiàn)的。這減小了mosfet的尺寸，但因為mosfet的柵極結(jié)構(gòu)與漂移層之間的接觸表面減小，這也導(dǎo)致了柵極-漏極電容的減小。柵極-漏極電容的減小使得漏極區(qū)在動態(tài)上較不電容性地耦合到柵極結(jié)構(gòu)，并且因此使得漏極區(qū)更容易受到漏極電壓突變的影響。因此，這種負(fù)面后果是mosfet過沖的原因，更一般地，是振鈴現(xiàn)象的原因。
9、柵極-漏極電容的減小減少了mosfet的“寄生導(dǎo)通”(pto)現(xiàn)象，即當(dāng)控制mosfet以在反向模式下操作但是存在漏極電壓的振蕩時，mosfet的導(dǎo)電溝道開啟，由于在柵極結(jié)構(gòu)與漏極區(qū)之間的動態(tài)電容性耦合，這種漏極電壓的振蕩產(chǎn)生了相應(yīng)的柵極電壓的振蕩，從而在任何情況下都會激活mosfet的導(dǎo)通。雖然pto通常是不期望的，因為pto使mosfet較不可靠并且更容易遭受故障，但是pto也具有減少振鈴現(xiàn)象的積極作用，因為pto減少了mosfet過沖的最大振幅。然而，由于縮小mosfet的尺寸會降低pto，因此這種現(xiàn)象不能夠被有效地用在按比例縮小mosfet中以減少振鈴現(xiàn)象。
10、已知一些針對于mosfet振鈴問題的解決方案。
11、例如，已知通過添加額外的串聯(lián)電阻至柵極結(jié)構(gòu)，諸如集成在mosfet中的電阻或mosfet外部的電阻，來增加?xùn)艠O電阻。已經(jīng)證實，這降低了mosfet的振鈴風(fēng)險。然而，一般很難在不過度降低mosfet的電氣性能的情況下適當(dāng)?shù)剡x擇要添加到柵極結(jié)構(gòu)的電阻。事實上，柵極電阻的增加通常會導(dǎo)致mosfet的開關(guān)時間顯著增加，從而導(dǎo)致在線性模式下使用時mosfet操作的惡化。
12、此外，已知使用外部電子電路(例如，基于rc電路的“緩沖”或“阻尼”電路)來改善柵極結(jié)構(gòu)的電氣控制，因此減少mosfet的過沖。然而，mosfet外部的這些電子電路的存在使包括mosfet的裝置的設(shè)計復(fù)雜化，并增加了其成本和功耗。
13、此外，特別地，在高功率mosfet中(即，在被配置為在大于約1200v的漏極-源極電壓下工作的mosfet中)，另一個常見的問題是mosfet的“活潑(snappy)”行為。
14、特別地，這種行為通過漏極-源極電壓以及漏極-源極電流曲線的斜率的突然變化來識別，例如，當(dāng)高功率mosfet在約1200v的工作電壓下、在等于約850v的漏極-源極電壓下、在175℃/200℃的溫度以及在恢復(fù)電流的變化率di/dt的值大于約2.5a/ns的情況下操作時，就會發(fā)生這種曲線斜率的突然變化。這導(dǎo)致漏極-源極電壓的過沖的發(fā)生，從而可能導(dǎo)致mosfet的不穩(wěn)定性和故障、mosfet的電氣性能的劣化以及造成噪聲和電磁干擾擾動的振鈴現(xiàn)象。在極端情況下，這種過沖的振幅可能達(dá)到或者甚至超過雪崩擊穿電壓，從而導(dǎo)致mosfet的雪崩擊穿。
15、已經(jīng)證實，活潑行為是由于在漂移層與漏極層之間的界面處少數(shù)電荷載流子的突然復(fù)合(recombination)而發(fā)生的。
16、事實上，為了確保正確的電氣操作，高功率mosfet在漂移層中具有低摻雜劑濃度(例如，低于約1·1016at/cm3)，因此在漂移層的耗盡區(qū)中具有大量的少數(shù)載流子。如果mosfet在高溫(例如，大于約170℃)操作，這些少數(shù)載流子的壽命(已知其與mosfet的溫度成比例)可能會增加到在到達(dá)漏極區(qū)之前不可能進(jìn)行完全復(fù)合的程度。在這種情況下，少數(shù)載流子的一部分不會在漂移層中復(fù)合(否則應(yīng)當(dāng)發(fā)生復(fù)合)，并且僅在漂移層與漏極層之間的界面處消失。對于從少數(shù)載流子開始在漂移層與漏極層之間的界面處復(fù)合的時刻開始的特定時間間隔，這種復(fù)合產(chǎn)生mosfet的輸出寄生電容coss(等于漏極-源極電容的以及柵極-源極電容的和，該輸出寄生電容是恒定的)，并因此導(dǎo)致在該時間間隔期本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種電子器件，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中第一摻雜口袋區(qū)具有沿著第一軸線的距漏極襯底的最小摻雜口袋距離，并且第一體區(qū)具有沿著第一軸線的距漏極襯底的最小體距離，并且
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子器件，其中：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中第一摻雜口袋區(qū)具有沿著與第一軸線正交的第二軸線的最大摻雜口袋寬度，并且第一MOSFET具有沿著第二軸線的平均MOSFET寬度，
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子器件，其中第一摻雜口袋區(qū)具有沿著第一軸線的最大摻雜口袋厚度，并且
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中第一摻雜口袋區(qū)具有高于漂移層的第二摻雜劑濃度的摻雜口袋摻雜劑濃度，并且特別地，在1·1017at/cm3與5·1017at/cm3之間，或者等于1·1017at/cm3或5·1017at/cm3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中第一摻雜口袋區(qū)沿著第一軸線：
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中半導(dǎo)體本體進(jìn)一步包括：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子器件，其中第一摻
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子器件，其中，半導(dǎo)體本體進(jìn)一步包括至少一個第三源極區(qū)，所述至少一個第三源極區(qū)從半導(dǎo)體本體的上表面開始延伸到半導(dǎo)體主體中，被容納在第二體區(qū)中以側(cè)向于第二源極區(qū)并與漂移層以及第二源極區(qū)間隔開，并且具有第一導(dǎo)電類型，
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中半導(dǎo)體本體進(jìn)一步包括至少一個另外的摻雜口袋區(qū)，所述至少一個另外的摻雜口袋區(qū)埋置在漂移層中，具有第二導(dǎo)電類型并且沿著第一軸線至少部分地與第一摻雜口袋區(qū)對準(zhǔn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中漂移層包括漂移主區(qū)以及漂移緩沖區(qū)，漂移緩沖區(qū)沿著第一軸線介于漂移主區(qū)與漏極襯底之間，
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電子器件，其中漂移緩沖區(qū)的緩沖摻雜劑濃度包含在比第二摻雜劑濃度高25％與3·1016at/cm3之間，或者等于比第二摻雜劑濃度高25％或3·1016at/cm3。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子器件，其中，漂移緩沖區(qū)具有沿著第一軸線的最大厚度，并且
15.一種電子器件，包括：
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電子器件，其中第一摻雜口袋區(qū)以及柵極結(jié)構(gòu)在同一垂直軸線上對準(zhǔn)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電子器件，其中半導(dǎo)體本體包括具有第二導(dǎo)電類型的第二摻雜口袋區(qū)，其嵌入在漂移層中并具有比體區(qū)的底表面低的頂表面以及比漏極襯底的頂表面高的底表面，第二摻雜口袋區(qū)直接作為體區(qū)。
18.一種形成電子器件的方法，包括：
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中第一摻雜口袋區(qū)以及柵極結(jié)構(gòu)在同一垂直軸線上對準(zhǔn)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電子器件，包括形成具有第二導(dǎo)電類型的第二摻雜口袋區(qū)，第二摻雜口袋區(qū)嵌入在漂移層中，并且具有低于體區(qū)的底表面的頂表面以及高于漏極襯底的頂表面的底表面，第二摻雜口袋區(qū)直接作為體區(qū)。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種電子器件，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中第一摻雜口袋區(qū)具有沿著第一軸線的距漏極襯底的最小摻雜口袋距離，并且第一體區(qū)具有沿著第一軸線的距漏極襯底的最小體距離，并且
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子器件，其中：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中第一摻雜口袋區(qū)具有沿著與第一軸線正交的第二軸線的最大摻雜口袋寬度，并且第一mosfet具有沿著第二軸線的平均mosfet寬度，
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子器件，其中第一摻雜口袋區(qū)具有沿著第一軸線的最大摻雜口袋厚度，并且
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中第一摻雜口袋區(qū)具有高于漂移層的第二摻雜劑濃度的摻雜口袋摻雜劑濃度，并且特別地，在1·1017at/cm3與5·1017at/cm3之間，或者等于1·1017at/cm3或5·1017at/cm3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中第一摻雜口袋區(qū)沿著第一軸線：
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中半導(dǎo)體本體進(jìn)一步包括：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子器件，其中第一摻雜口袋區(qū)以及第二摻雜口袋區(qū)與第一軸線正交地至少部分地彼此對準(zhǔn)，或者與第一軸線正交地相對于彼此錯開。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子器件，其中，半導(dǎo)體本體進(jìn)一步包括至少一個第三源極區(qū)，所述至少一個第三源極區(qū)從半導(dǎo)體本體的上表面開始延伸到半導(dǎo)體主體中，被容納在第二體區(qū)中以側(cè)向于第二源極區(qū)并與漂移層以及第二源極區(qū)間隔開，并且具有第一導(dǎo)電類型，
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：S·卡西諾，M·G·薩吉歐，M·普爾維倫蒂，
申請(專利權(quán))人：意法半導(dǎo)體國際公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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