CN108878517A - 肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管，包括：漏极金属，漏极金属上方连接有高掺杂浓度的半导体衬底，高掺杂浓度的半导体衬底上方设有漂移区，漂移区表面设有栅氧化层、源极金属和源极延伸金属，栅氧化层上方设有栅电极，所述漂移区和源极金属之间，以及漂移区和源极延伸金属之间的接触为肖特基接触。该器件制备简单，具有很小的特征导通电阻和很小的体二极管反向恢复时间。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件领域，更具体的说，是涉及一种适用于高电压应用的肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管。
背景技术
金属氧化物半导体场效应管具有耐压高、增益大、易驱动、导通电阻小等优点，广泛的应用于功率变换器中，尤其是高频功率变换场所。金属氧化物半导体场效应管的特征导通电阻是器件的主要性能之一，决定着器件的成本和应用系统的性能，降低器件的特征导通电阻是器件设计者不断追求的目标。
金属氧化物半导体场效应管的特征导通电阻主要由漂移区电阻和沟道区电阻两部分组成，随着功率器件设计技术的不断进步，以及碳化硅和氮化镓等新型宽禁带材料在功率器件中的应用，器件漂移区的电阻得到极大的降低，使得沟道区电阻在金属氧化物半导体场效应管特征导通电阻中的比重大大提高，沟道区电阻成为限制器件性能进一步提高的重要问题。尤其是对于碳化硅材料的金属氧化物半导体场效应管，由于其沟道载流子迁移率低，沟道区电阻成为器件特征导通电阻难以降低的重要问题。
金属氧化物半导体场效应管的体二极管反向恢复时间也影响着器件的性能，常规金属氧化物半导体场效应管的体二极管为PN结二极管，PN结二极管正向导通时的大注入效应使器件漂移区中存储大量载流子，导致器件的反向恢复时间很长，因此，采用常规金属氧化物半导体场效应管的体二极管进行续流时，体二极管的反向恢复会引起较大的能量消耗。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管，该器件具有很小的特征导通电阻和很小的体二极管反向恢复时间。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明公开了一种肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管，包括：漂移区，所述漂移区表面分别设置源极金属和栅氧化层，所述栅氧化层上方设置栅电极；所述漂移区和源极金属之间的接触为肖特基接触。
当栅电极与源极金属之间的电势差小于等于零时，器件处于关断状态，器件利用漂移区和源极金属之间的肖特基结进行耐压；当栅电极与源极金属之间的电势差大于零时，栅电极会在漂移区表面感应出高浓度的电子积累层，高浓度的电子积累层与源极金属之间的肖特基结由于电子的隧穿效应而导通，且导通程度会随栅电极与源极金属之间电势差的增大而增强。
进一步地，本发明肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管还包括：源极延伸金属，所述漂移区和源极延伸金属之间的接触为肖特基接触。
当栅电极与源极金属之间的电势差小于等于零时，器件处于关断状态，器件利用漂移区和源极金属以及漂移区和源极延伸金属之间的肖特基结进行耐压；当栅电极与源极金属之间的电势差大于零时，栅电极会在漂移区表面感应出高浓度的电子积累层，高浓度的电子积累层与源极延伸金属之间的肖特基结由于电子的隧穿效应而导通，且导通程度会随栅电极与源极金属之间电势差的增大而增强。
进一步地，所述源极延伸金属为高度渐变型金属块或者高度均匀的长方形金属块；所述源极延伸金属单独制作或者是与源极金属一次成形的整体。
进一步地，所述漂移区表面设有肖特基金属层，所述肖特基金属层和漂移区之间形成肖特基接触。
进一步地，所述漂移区上方的空隙中填充中绝缘介质层。
本发明进一步公开了一种驱动芯片，包括上述的任一种肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管。
进一步地，将所述驱动芯片应用于电动机中；或者，将所述驱动芯片应用于打印机中；或者，将所述驱动芯片应用于平板显示器中。
本发明进一步公开了一种含有场效应管的电源管理系统，所述场效应管采用上述的任一种肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管。
本发明有益效果：
(1)本发明结构的器件在关断状态下采用漂移区(3)和源极金属(40)之间的肖特基结以及漂移区(3)和源极延伸金属(41)之间的肖特基结进行耐压，在开启状态下采用栅电极(5)在漂移区(3)表面感应出高浓度的电子层，使源极金属(40)、漂移区(3)和栅氧化层(6)三个区域交界处或者源极延伸金属(41)、漂移区(3)和栅氧化层(6)三个区域交界处的肖特基结由于电子的隧穿效应而导通，进而使器件导通。从器件的工作原理和器件结构可以看出，本发明结构的器件不需要形成反型沟道，不存在沟道区电阻，因此，本发明结构器件具有低的特征导通电阻。
(2)本发明结构器件的体二极管为源极金属(40)与漂移区(3)之间以及源极延伸金属(41)与漂移区(3)之间形成的肖特基二极管，由于肖特基二极管为单极性器件，器件开启状态下只会注入一种载流子，因此，本发明结构器件的体二极管在反向恢复过程中只需要抽取一种载流子，抽取速度快，反向恢复时间短。
(3)本发明结构工艺简单，不需要P型注入和沟道区注入，制备成本低。
说明书附图
图1是实施例1提供的一种肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管示意图；
图2是实施例1提供的另一种肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管示意图；
图3是实施例2提供的一种肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管示意图；
其中，1.漏极金属，2.高掺杂浓度的半导体衬底，3.漂移区，40.源极金属，41.源极延伸金属，5.栅电极，6.栅氧化层，7.肖特基金属层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍。
实施例1
本发明公开了一种肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管，如图1所示，包括：漏极金属1，漏极金属1上方连接有高掺杂浓度的半导体衬底2，高掺杂浓度的半导体衬底2上方设有漂移区3，漂移区3表面设有栅氧化层6和源极金属40，栅氧化层6上方设有栅电极5，所述源极金属40和漂移区3之间的接触为肖特基接触。
当栅电极与源极金属之间的电势差小于等于零时，器件处于关断状态，器件利用漂移区和源极金属之间的肖特基结进行耐压；当栅电极与源极金属之间的电势差大于零时，栅电极会在漂移区表面感应出高浓度的电子积累层，高浓度的电子积累层与源极金属之间的肖特基结由于电子的隧穿效应而导通，且导通程度会随栅电极与源极金属之间电势差的增大而增强。
作为一种实施方式，漂移区3表面还设有源极延伸金属41，如图2所示，漂移区3和源极延伸金属41之间的接触为肖特基接触。
当栅电极与源极金属之间的电势差小于等于零时，器件处于关断状态，器件利用漂移区和源极金属以及漂移区和源极延伸金属之间的肖特基结进行耐压；当栅电极与源极金属之间的电势差大于零时，栅电极会在漂移区表面感应出高浓度的电子积累层，高浓度的电子积累层与源极延伸金属之间的肖特基结由于电子的隧穿效应而导通，且导通程度会随栅电极与源极金属之间电势差的增大而增强。
需要说明的是，本技术方案中源极延伸金属41即可以是高度渐变型金属块，也可以是高度均匀的长方形金属块，源极延伸金属41可以是与源极金属40一次成形的整体，也可以通过额外的工艺步骤单独进行制作。
作为另外一种实施方式，漂移区3上方的空隙中填充中绝缘介质层，通过填充绝缘介质层可以防止外界空气与肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管接触，避免外部水气进入场效应管器件内部，从而增加场效应管器件的可靠性。
需要说明的是，本发明中高掺杂浓度的半导体衬底2和漂移区3的半导体材料可以采用碳化硅、氮化镓或硅中的一种。即，本发明的肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管适用于碳化硅、氮化镓或硅半导体材料。
需要说明的是，高掺杂浓度的半导体衬底2和漂移区3所选用的半导体材料可以不同。
优选的，本实施实例中高掺杂浓度的半导体衬底2和漂移区3采用碳化硅材料。
实施例2
如图3所示，本实施例的结构为在实施例1的基础上，在漂移区3表面增加一层肖特基金属层7，肖特基金属层7与漂移区3之间形成良好的肖特基接触。该结构可以通过选择肖特基金属层7的材料对肖特基结势垒的高度进行调节，肖特基结势垒的高度增加可以增加器件的耐压，势垒高度减小可以减小器件体二极管的开启电压，增加肖特基金属层7后，可以根据不同的应用需求调节肖特基结势垒的高度，以满足实际的应用需求。
需要说明的是，图3中所示的肖特基金属层7在长度方向上与漂移区3的接触长度大于源极金属40与漂移区3的接触长度。
作为另外一种实施方式，肖特基金属层7在长度方向上与漂移区3的接触长度也可以小于或者等于源极金属40与漂移区3的接触长度。
实施例3
本实施例进一步公开了肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管的具体应用，比如：
可以将肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管应用于打印机、电动机或者平板显示器的驱动芯片上，以降低特征导通电阻和体二极管反向恢复时间。
还可以将肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管应用到含有场效应管的电源管理系统中，以降低特征导通电阻和体二极管反向恢复时间。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管，包括：漂移区，所述漂移区表面分别设置源极金属和栅氧化层，所述栅氧化层上方设置栅电极；其特征在于，所述漂移区和源极金属之间的接触为肖特基接触。
2.如权利要求1所述的肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，当栅电极与源极金属之间的电势差小于等于零时，器件处于关断状态，利用漂移区和源极金属之间的肖特基结进行耐压；当栅电极与源极金属之间的电势差大于零时，栅电极会在漂移区表面感应出电子积累层，所述电子积累层与源极金属之间的肖特基结由于电子的隧穿效应而导通，且导通程度随栅电极与源极金属之间电势差的增大而增强。
3.如权利要求1所述的肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，还包括：源极延伸金属，所述漂移区和源极延伸金属之间的接触为肖特基接触。
4.如权利要求3所述的肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述源极延伸金属为高度渐变型金属块或者高度均匀的长方形金属块；所述源极延伸金属单独制作或者是与源极金属一次成形的整体。
5.如权利要求3所述的肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，当栅电极与源极金属之间的电势差小于等于零时，器件处于关断状态，利用漂移区和源极金属以及漂移区和源极延伸金属之间的肖特基结进行耐压；当栅电极与源极金属之间的电势差大于零时，栅电极会在漂移区表面感应出电子积累层，所述电子积累层与源极延伸金属之间的肖特基结由于电子的隧穿效应而导通，且导通程度随栅电极与源极金属之间电势差的增大而增强。
6.如权利要求1或3所述的肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述漂移区表面设有肖特基金属层，所述肖特基金属层和漂移区之间形成肖特基接触。
7.如权利要求1或3所述的肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述漂移区上方的空隙中填充中绝缘介质层。
8.一种驱动芯片，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管。
9.如权利要求8所述的驱动芯片，其特征在于，将所述驱动芯片应用于电动机中；
或者，将所述驱动芯片应用于打印机中；
或者，将所述驱动芯片应用于平板显示器中。
10.一种含有场效应管的电源管理系统，其特征在于，所述场效应管采用权利要求1-7任一项所述的肖特基结导通型金属氧化物半导体场效应管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181123 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |