本發(fā)明屬于功率半導體器件，具體涉及一種基于寬禁帶半導體材料制造的功率半導體器件，具體涉及一種內(nèi)部集成了雙肖特基二極管mosfet結(jié)構(gòu)，以提升短路耐受能力、抑制柵極負浪涌及避免雙極退化效應的新型平面柵碳化硅（sic）mosfet器件。
背景技術(shù)：
1、碳化硅（sic）功率mosfet作為一種基于寬禁帶半導體材料的功率器件，相較于傳統(tǒng)的硅（si）基器件，具有擊穿電壓高、熱導率高和導通電阻低等顯著優(yōu)勢，目前已被廣泛應用于電動汽車功率轉(zhuǎn)換器、光伏逆變器、工業(yè)電機驅(qū)動等高頻、高溫和高功率密度領(lǐng)域。
2、盡管碳化硅mosfet具備上述優(yōu)勢，但在實際電路應用中，短路故障（包括硬短路和故障下開通）仍是其面臨的主要可靠性挑戰(zhàn)之一。在短路瞬間，器件內(nèi)部的功率損耗極高，結(jié)溫會在極短時間內(nèi)急劇上升，極易超過器件材料的熱穩(wěn)定性極限。由于碳化硅材料固有的物理特性以及較小的芯片面積，其短路飽和電流密度極大。這使得短路時的熱生成速率極快，容易引發(fā)熱失控、源極金屬化層熔化或柵極氧化層的高溫電場擊穿。如果未及時獲得保護，器件將在極短時間內(nèi)發(fā)生永久性失效。
3、此外，在高速開關(guān)應用中，電路中的寄生電感、電容與器件的快速開關(guān)特性相互作用，極易在柵極-源極之間引發(fā)負向的電壓尖峰或浪涌（即柵極負浪涌）。由于碳化硅mosfet的柵氧化層較薄且對電場極其敏感，超出安全范圍的負浪涌電壓會導致柵氧化層退化、閾值電壓漂移甚至引發(fā)柵源短路失效。現(xiàn)有的外部保護方案或負偏置驅(qū)動設(shè)計，往往會增加系統(tǒng)設(shè)計的復雜度，且難以從根本上消除瞬態(tài)浪涌對器件內(nèi)部介質(zhì)的損傷風險。
4、另外，碳化硅mosfet在反向續(xù)流等工作狀態(tài)下，經(jīng)常會面臨由寄生體二極管導通引發(fā)的雙極退化（bipolar?degradation）問題。體二極管的反向?qū)〞蚱茀^(qū)注入少數(shù)載流子，從而激活并擴展材料內(nèi)部的基底平面位錯（bpd），促使其演變?yōu)閷渝e。這種不可逆的雙極退化效應會導致器件的導通電阻永久性增加、閾值電壓發(fā)生漂移，嚴重威脅器件的長期運行可靠性。
5、目前，針對上述可靠性問題，現(xiàn)有技術(shù)通常依賴于外部驅(qū)動電路的短路檢測、附加外部鉗位電路或是外部并聯(lián)肖特基二極管等方案。然而，這些外部干預手段不僅增加了系統(tǒng)的硬件復雜度和成本，而且受限于外部電路的響應延遲，難以在器件內(nèi)部發(fā)生瞬態(tài)失效的極限時間內(nèi)提供完全有效的保護。因此，行業(yè)內(nèi)亟需一種能夠從器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，同時解決短路耐受時間短、抗柵極負浪涌特性差以及體二極管雙極退化問題的新型碳化硅mosfet器件。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、1.?發(fā)明目的
2、針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的短路耐受時間短、抗柵極負浪涌特性差，以及體二極管導通導致的雙極退化等諸多可靠性問題，本發(fā)明提供了一種新型平面柵碳化硅mosfet器件。本發(fā)明旨在通過器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的集成設(shè)計，在不增加外部控制電路復雜度的前提下，實現(xiàn)器件的自適應短路保護、負浪涌鉗位及反向續(xù)流優(yōu)化。
3、2.?技術(shù)方案
4、為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
5、一種新型平面柵碳化硅mosfet器件，包括：設(shè)置于底部的漏極金屬（1），以及依次層疊于所述漏極金屬（1）上方的n型重摻雜襯底（2）、n型緩沖層（3）和n型耐壓層（4）；所述n型耐壓層（4）上方設(shè)置有p型基區(qū)（6），所述p型基區(qū)（6）中間設(shè)置有電流拓展區(qū)（5）；所述n型耐壓層（4）的頂部設(shè)置有n型重摻雜區(qū)（8），所述n型重摻雜區(qū)（8）遠離所述電流拓展區(qū)（5）的一側(cè)頂部設(shè)置有p型重摻雜區(qū)（7）；所述p型基區(qū)（6）上方設(shè)置有柵極介質(zhì)層（9）；所述器件還包括源極金屬（12）；
6、其特征在于：所述柵極介質(zhì)層（9）上部橫向并排設(shè)置有n型重摻雜多晶硅柵（10）和n型輕摻雜多晶硅柵（11），所述n型重摻雜多晶硅柵（11）位于所述柵極介質(zhì)層（9）上，并且完全覆蓋所述電流拓展區(qū)（5）與所述n型重摻雜區(qū)（8）之間的p型溝道；所述n型輕摻雜多晶硅柵（11）位于所述柵極介質(zhì)層（9）上覆蓋部分所述電流拓展區(qū)（5），并且與所述n型重摻雜多晶硅柵（11）接觸；所述鈍化層（13）覆蓋整個n型重摻雜多晶硅柵（10）和n型輕摻雜多晶硅柵（11）以及部分n型重摻雜區(qū)（8），所述源極金屬（12）覆蓋于器件表面，并且與所述p型重摻雜區(qū)（7）、n型重摻雜區(qū)（8）、電流拓展區(qū)（5）的上方以及所述n型輕摻雜多晶硅柵（11）的側(cè)邊接觸；；所述源極金屬（12）與所述n型輕摻雜多晶硅柵（11）的側(cè)邊直接接觸以形成第一肖特基二極管（s1）；所述源極金屬（12）與所述電流拓展區(qū)（5）的表面直接接觸以形成第二肖特基二極管（s2）。
7、進一步地，所述n型重摻雜襯底（2）、n型緩沖層（3）、n型耐壓層（4）、電流拓展區(qū)（5）、p型基區(qū)（6）、p型重摻雜區(qū)（7）以及n型重摻雜區(qū)（8）的材質(zhì)均為碳化硅；所述電流拓展區(qū)（5）的寬度小于2微米，其摻雜濃度在5?×?1016?cm-3至5×?1017?cm-3之間。
8、進一步地，所述漏極金屬（1）與所述n型重摻雜襯底（2）之間為歐姆接觸；所述源極金屬（12）與所述p型重摻雜區(qū)（7）、n型重摻雜區(qū)（8）之間均為歐姆接觸；所述源極金屬（12）與所述電流拓展區(qū)（5）、n型輕摻雜多晶硅柵（11）之間均為肖特基接觸。
9、進一步地，所述p型基區(qū)（6）與所述n型耐壓層（4）構(gòu)成體二極管（d1）；所述第一肖特基二極管（s1）的陽極與器件的源極相連，陰極與器件的柵極相連；所述第二肖特基二極管（s2）的陽極與器件的源極相連，陰極與器件的漏極相連；其中，所述第二肖特基二極管（s2）的開啟電壓與導通壓降均低于所述體二極管（d1）的開啟電壓與導通壓降。
10、3.?有益效果
11、本發(fā)明通過在元胞內(nèi)部集成肖特基二極管結(jié)構(gòu)，減少了器件對外部驅(qū)動保護電路的依賴，實現(xiàn)了器件的自我保護，具體表現(xiàn)在：
12、1.?本發(fā)明利用熱耦合效應實現(xiàn)了器件的短路保護功能。本發(fā)明的器件在多晶硅柵極內(nèi)部引入n型輕摻雜多晶硅柵（11），其與源極金屬（12）直接接觸形成第一肖特基二極管（s1）。在短路工況下，器件溫度上升，第一肖特基二極管（s1）的反向漏電流隨溫度增加。該漏電流會導致柵極驅(qū)動回路的壓降增大，從而降低內(nèi)部的柵源電壓，使器件關(guān)斷。這種基于材料熱物理特性的負反饋機制，縮短了保護響應時間，提高了器件的短路耐受能力。
13、2.?本發(fā)明通過內(nèi)部集成的二極管實現(xiàn)了對柵極負浪涌電壓的鉗位。當器件關(guān)斷產(chǎn)生負向電壓尖峰時，集成的第一肖特基二極管（s1）轉(zhuǎn)為正向?qū)顟B(tài)，將柵極介質(zhì)層承受的負偏壓鉗位在預設(shè)電壓范圍內(nèi)，防止了柵極介質(zhì)層承受過高的負向電壓應力，降低了柵氧化層退化和介質(zhì)擊穿的風險。
14、3.?本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效抑制因體二極管導通引起的雙極退化效應。本發(fā)明的器件利用源極金屬（12）與電流拓展區(qū)（5）接觸形成第二肖特基二極管（s2）。由于第二肖特基二極管（s2）的開啟電壓低于由p型基區(qū)（6）與n型耐壓層（4）構(gòu)成的體二極管（d1），在反向續(xù)流狀態(tài)下，電流優(yōu)先流經(jīng)第二肖特基二極管（s2）。這阻斷了少數(shù)載流子向漂移區(qū)的注入，避免了碳化硅材料中由體二極管導通引發(fā)的層錯擴展和雙極退化效應。
15、4.?本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)具備較高的集成度與工藝兼容性。本發(fā)明的器件將第一肖特基二極管（s1）和第二肖特基二極管（s2）集成在原有的柵極和源極接觸區(qū)域內(nèi)，未降低器件的正向?qū)系烂芏龋椅丛谠獠空加妙~外的芯片面積。此外，該結(jié)構(gòu)可在常規(guī)多晶硅淀積工藝中通過增加輕摻雜多晶硅淀積步驟實現(xiàn)，具備較好的工藝可行性。