CN108074985A - 一种逆阻型vdmos器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种逆阻型VDMOS器件，包括从下至上依次层叠设置的金属化漏极、N型漂移区、金属化源极；N型漂移区的下表面具有N型正向场阻止层，N型漂移区的上表面具有N型反向场阻止层、P型体区、沟槽，沟槽从金属化源极的下表面垂直向下依次贯穿N型源区、P型体区、N型反向场阻止层延伸入N型漂移区；N型漂移区中还具有P型柱，P型柱的上表面与沟槽的下表面接触，P型柱的下表面与N型轻掺杂区的上表面接触；本发明提供的一种逆阻型VDMOS器件具有逆向阻断能力，同时场阻止层的存在防止了漂移区电场的穿通效应，降低了漂移区的厚度，使器件能够获得较低的导通电阻。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体技术，特别涉及一种逆阻型VDMOS器件。
背景技术
VDMOS(垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管)以其具有开关速度高、开关损耗低、驱动损耗低等优点，在各种电能变换特别是在高频电能变换中起着重要作用。电能变换通常包括交流到直流(AC-DC)，直流到交流(DC-AC)，直流到直流(DC-DC)和交流到交流(AC-AC)几种变换方式。AC-AC可以采用间接变换即AC-DC-AC方式，也可以采用直接变换即AC-AC的方式。由于AC-DC-AC间接变换系统中需要有大容值的连接电容(电压型变换)或大感值的连接电感(电流型变换)将两部分相对独立的变换系统相连，而大容值的电容和大感值的电感增加了电路的元器件数量及元器件之间的连线数量，增大了系统的体积和寄生效应，降低了系统的可靠性。AC-AC直接转换系统避免了传统AC-DC-AC系统中大容值连接电容或大感值连接电感的使用，减小了系统的成本、体积和寄生效应，并提高了系统的可靠性。但是，AC-AC直接转换要求功率开关具有双向导通及双向阻断的能力，但是主流的功率开关器件大多数是单向型器件，双向型器件较少。双向晶闸管或两个反并联的晶闸管虽然可以作为双向开关，但这两种器件靠电流控制，驱动电路复杂。
由于VDMOS器件不具有逆向导通和逆向阻断的能力，以VDMOS器件为基础构建双向开关，通常的方案如图1所示，需要在VDMOS器件的漏端串联一个二极管，再将两组VDMOS器件和二极管的组合反并联在一起。由于采用4个独立器件的组合，该方案增加了器件的损耗，减低了双向开关的性能。为了减少独立器件数量，文献(D.H Lu，N Fujishima，A.Sugi,et al.Integrated Bi-directional Trench Lateral Power MOSFETs for One ChipLithium-ion Battery Protection ICs,ISPSD’05,2005)和文献(Y Fu，X Cheng,Y Chen，et al.A 20-V CMOS-Based Monolithic Bidirectional Power Switch,IEEE ElectronDevices Letters,2007)采用两个VDMOS器件串联，如图2所示，虽然器件数量减少，但由于采用两个VDMOS器件串联，该双向开关必然具有较大的导通电阻，从而具有较大功耗。
因此，要降低双向开关的导通电阻，必须采用两个VDMOS器件并联，这就需要具有逆向阻断能力的VDMOS。文献(Seigo Mor,et al.Demonstration of 3kV 4H-SiC ReverseBlocking MOSFET,Proceedings of the 2016 28th International Symposium on PowerSemiconductor Devices and ICs,June 12-16,2016,Prague,Czech Republic)提出在VDMOS器件的漏端增加一个肖特基接触，从而使器件具有逆向阻断能力。但是，要保证逆阻型VDMOS器件在正反向耐压时不发生从源端的体区到漏端的肖特基结之间的穿通击穿，必须具有足够的漂移区长度，而增加漂移区长度就意味着导通电阻的增加。
发明内容
针对上述问题，本发明所要解决的问题是：提供一种能够通过反并联连接构成双向开关的具有逆向阻断能力的VDMOS器件，同时场阻止层的存在控制了漂移区的厚度，能够获得较低的导通电阻。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种逆阻型VDMOS器件，包括从下至上依次层叠设置的金属化漏极1、N型轻掺杂区2、N型漂移区4、金属化源极13；所述N型轻掺杂区2的下表面与金属化漏极1的上表面直接接触且形成肖特基接触；所述N型漂移区4的下表面具有N型正向场阻止层3，所述正向场阻止层3位于N型轻掺杂区2的正上方且与N型轻掺杂区2直接接触；所述N型漂移区4的上表面具有N型反向场阻止层5、P型体区6、沟槽10；所述N型反向场阻止层5的上表面与P型体区6的下表面接触；所述P型体区6的上表面还具有N型源区8与P型接触区7，所述N型源区8与P型接触区7相邻，且N型源区8与P型接触区7的上表面均与金属化源极13的下表面接触；所述沟槽10的上表面与金属化源极13的下表面接触；所述沟槽10的内部填充有氧化层11，且氧化层11中具有多晶硅栅电极12，所述多晶硅栅电极12与金属化源极13之间通过氧化层11隔离，所述多晶硅栅电极12的下表面深度超过P型体区6的结深；所述沟槽10从金属化源极13的下表面，垂直向下依次贯穿N型源区8、P型体区6、N型反向场阻止层5延伸入N型漂移区4；所述N型漂移区4中还具有P型柱9，所述P型柱9的上表面与沟槽10的下表面接触，P型柱9的下表面与N型轻掺杂区2的上表面接触；所述P型柱9与地电位相连。
作为优选方式，所述P型柱9的底部具有绝缘层14，所述绝缘层14的下表面与金属化漏极1直接接触，绝缘层14的侧面与N型轻掺杂区2相接触。
作为优选方式，器件中的硅材料替换为碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅半导体材料。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种逆阻型VDMOS器件具有逆向阻断能力，同时场阻止层的存在防止了漂移区电场的穿通效应，降低了漂移区的厚度，使器件能够获得较低的导通电阻。
附图说明
图1是两个MOSFET反向并联构成的双向开关示意图；
图2是两个MOSFET串联构成的双向开关示意图；
图3是本发明提供的实施例1的剖面结构示意图；
图4是本发明提供的实施例2的剖面结构示意图。
其中，1为金属化漏极，2为N型轻掺杂区，3为N型正向场阻止层，4为N型漂移区，5为N型反向场阻止层，6为P型体区，7为P型接触区，8为N型源区，9为P型柱，10为沟槽，11为氧化层，12为多晶硅栅电极，13为金属化源极，14为绝缘层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
一种逆阻型VDMOS器件，包括从下至上依次层叠设置的金属化漏极1、N型轻掺杂区2、N型漂移区4、金属化源极13；所述N型轻掺杂区2的下表面与金属化漏极1的上表面直接接触且形成肖特基接触；所述N型漂移区4的下表面具有N型正向场阻止层3，所述正向场阻止层3位于N型轻掺杂区2的正上方且与N型轻掺杂区2直接接触；所述N型漂移区4的上表面具有N型反向场阻止层5、P型体区6、沟槽10；所述N型反向场阻止层5的上表面与P型体区6的下表面接触；所述P型体区6的上表面还具有N型源区8与P型接触区7，所述N型源区8与P型接触区7相邻，且N型源区8与P型接触区7的上表面均与金属化源极13的下表面接触；所述沟槽10的上表面与金属化源极13的下表面接触；所述沟槽10的内部填充有氧化层11，且氧化层11中具有多晶硅栅电极12，所述多晶硅栅电极12与金属化源极13之间通过氧化层11隔离，所述多晶硅栅电极12的下表面深度超过P型体区6的结深；所述沟槽10从金属化源极13的下表面，垂直向下依次贯穿N型源区8、P型体区6、N型反向场阻止层5延伸入N型漂移区4；所述N型漂移区4中还具有P型柱9，所述P型柱9的上表面与沟槽10的下表面接触，P型柱9的下表面与N型轻掺杂区2的上表面接触；所述P型柱9与地电位相连。
本实施例的工作原理如下：
本例的一种逆阻型VDMOS器件，相当于槽栅VDMOS串联肖特基二极管，其正向导通时的电极连接方式为：金属化源极13接地，金属化漏极1接高电位，多晶硅栅电极12接高电位。当多晶硅栅电极12施加的正偏电压达到阈值电压时，在P型体区6中靠近氧化层11的侧壁形成反型沟道；与此同时，当金属化漏极1施加了正偏电压时，肖特基接触的接触势垒降低，电子从N型轻掺杂区2流向金属化漏极1。因此，电子作为载流子从N型源区8经过P型体区6中的反型沟道、N型反向场阻止层5注入N型漂移区4，接着通过N型正向场阻止层3、N型轻掺杂区2流向金属化漏极1，形成正向导通电流。
本例的一种逆阻型VDMOS器件，相当于槽栅VDMOS串联肖特基结，其正向阻断时的电极连接方式为：金属化源极13接地，多晶硅栅电极12接地，金属化漏极1接高电位。此时，P型体区6与N型反向场阻止层5的PN结耐压，耗尽区从N型反向场阻止层5扩展到N型漂移区4，在N型正向场阻止层3处终结。其特征在于，在不发生从源端的体区到漏端的肖特基结之间的穿通击穿的同时控制了N型漂移区4的厚度。由于P型柱9始终与地电位相连，可以与N型漂移区4形成横向电场，对N型反向场阻止层5和N型漂移区4产生横向耗尽作用，进一步提高器件的正向阻断时的耐压。
本例的一种逆阻型VDMOS器件，相当于槽栅VDMOS串联肖特基结，其反向阻断时的电极连接方式为：金属化源极13接高电位，多晶硅栅电极12接地，金属化漏极1接地。此时，肖特基结耐压，耗尽区从N型轻掺杂区2扩散到N型漂移区4，在N型反向场阻止层5处终结。其特征在于，在不发生从源端的体区到漏端的肖特基结之间的穿通击穿的同时控制了N型漂移区4的厚度。由于P型柱9始终与地电位相连，可以与N型漂移区4形成横向电场，对N型正向场阻止层3和N型漂移区4产生横向耗尽作用，进一步提高器件的正向阻断时的耐压，降低肖特基结处的电场强度，提高器件耐压。
实施例2
如图4所示，本实施例和实施例2的区别在于：所述P型柱9的底部具有绝缘层14，所述绝缘层14的下表面与金属化漏极1直接接触，绝缘层14的侧面与N型轻掺杂区2相接触。可进一步降低反向阻断时肖特基结的反向漏电。
器件中的硅材料替换为碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅半导体材料。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (3)
1.一种逆阻型VDMOS器件，其特征在于：包括从下至上依次层叠设置的金属化漏极(1)、N型轻掺杂区(2)、N型漂移区(4)、金属化源极(13)；所述N型轻掺杂区(2)的下表面与金属化漏极(1)的上表面直接接触且形成肖特基接触；所述N型漂移区(4)的下表面具有N型正向场阻止层(3)，所述正向场阻止层(3)位于N型轻掺杂区(2)的正上方且与N型轻掺杂区(2)直接接触；所述N型漂移区(4)的上表面具有N型反向场阻止层(5)、P型体区(6)、沟槽(10)；所述N型反向场阻止层(5)的上表面与P型体区(6)的下表面接触；所述P型体区(6)的上表面还具有N型源区(8)与P型接触区(7)，所述N型源区(8)与P型接触区(7)相邻，且N型源区(8)与P型接触区(7)的上表面均与金属化源极(13)的下表面接触；所述沟槽(10)的上表面与金属化源极(13)的下表面接触；所述沟槽(10)的内部填充有氧化层(11)，且氧化层(11)中具有多晶硅栅电极(12)，所述多晶硅栅电极(12)与金属化源极(13)之间通过氧化层(11)隔离，所述多晶硅栅电极(12)的下表面深度超过P型体区(6)的结深；所述沟槽(10)从金属化源极(13)的下表面，垂直向下依次贯穿N型源区(8)、P型体区(6)、N型反向场阻止层(5)延伸入N型漂移区(4)；所述N型漂移区(4)中还具有P型柱(9)，所述P型柱(9)的上表面与沟槽(10)的下表面接触，P型柱(9)的下表面与N型轻掺杂区(2)的上表面接触；所述P型柱(9)与地电位相连。
2.根据权利要求1所述的一种逆阻型VDMOS器件，其特征在于：所述P型柱(9)的底部具有绝缘层(14)，所述绝缘层(14)的下表面与金属化漏极(1)直接接触，绝缘层(14)的侧面与N型轻掺杂区(2)相接触。
3.根据权利要求1所述的一种逆阻型VDMOS器件，其特征在于：器件中的硅材料替换为碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅半导体材料。
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