CN111682069A - 一种SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，包括漂移区，所述漂移区设置于所述晶体管内；电流扩展区，所述电流扩展区设置于所述漂移区上方，杂质浓度自所述电流扩展区与所述漂移区的界面至所述电流扩展区的上表面呈梯度递减规律分布；p阱区，各所述p阱区被包裹设置于所述电流扩展区的上表面，且依次间距递增规律嵌于所述电流扩展区中使电流密度分布由芯片中央至边缘呈非均匀分布规律。本发明的有益效果：一是通过设置相邻p阱区之间的间距递增规律使电流密度分布由芯片中央至边缘呈非均匀分布规律，优化芯片不同区域的热分布，实现了芯片的温度性能的提升。
Description
技术领域
本发明涉及电力半导体器件的技术领域，尤其涉及一种电流密度非均匀分布的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管芯片。
背景技术
碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度大，热导率高，临界雪崩击穿电场强度高，饱和载流子漂移速度大，热稳定性好等特点，是制造功率半导体器件的理想材料。SiC高压器件与同等级的硅器件相比，具有更低的通态压降、更高的工作频率、更低的功耗、更小的体积以及更好的热特性，更适合应用于电力电子电路。
SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为最具市场应用潜力的SiC功率器件，兼具了高耐压与高频率的优点。随着新能源汽车、轨道交通、充电桩等领域的飞速发展，小体积、高功率密度系统成为主要发展趋势。然而，随着系统体积不断缩小，功率密度不断提高，功率器件的高温性能逐渐受到考验。虽然SiC热导率高，但由于栅氧化层热特性的限制，SiC金属氧化物半导体场效应晶体管的高温性能并不十分突出，温度性能仍有较大的提升空间。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：提出一种电流密度非均匀的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，提升性能。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，包括漂移区，所述漂移区设置于所述晶体管内；电流扩展区，所述电流扩展区设置于所述漂移区上方，杂质浓度自所述电流扩展区与所述漂移区的界面至所述电流扩展区的上表面呈梯度递减规律分布；p阱区，各所述p阱区被包裹设置于所述电流扩展区的上表面，且依次间距递增规律嵌于所述电流扩展区中使电流密度分布由芯片中央至边缘呈非均匀分布规律。
作为本发明所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的一种优选方案，其中：设置相邻所述p阱区间的距离为WJFET，所述WJFET为0.5μm～5.0μm，自芯片中央至边缘呈增大规律，且WJFET增大速率大于0。
作为本发明所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的一种优选方案，其中：还包括n型4H-SiC衬底，其设置于所述电流扩展区的下方，并通过化学机械抛光工艺进行减薄处理，厚度为100μm～200μm。
作为本发明所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的一种优选方案，其中：所述p阱区形状包括条形、圆形、环形和正多边形的一种或多种组合，且其厚度为0.5μm～1.0μm。
作为本发明所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的一种优选方案，其中：所述漂移区为n型4H-SiC、厚度为3.0μm～43μm，其内杂质浓度为 1e14cm-3～5e16cm-3；所述电流扩展区为n型4H-SiC、厚度为0.5μm～3.0μm，其内杂质浓度为1e14cm-3～5e16cm-3。
作为本发明所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的一种优选方案，其中：包括缓冲层、n+源区和p+接触区；所述缓冲层设置于所述电流扩展区和所述n型4H-SiC衬底之间；所述n+源区嵌入所述p阱区内；所述p+接触区嵌于所述p阱区内并夹于所述n+源区之间。
作为本发明所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的一种优选方案，其中：包括栅氧化层、多晶硅栅和隔离介质层；所述栅氧化层的中间接触设置于所述电流扩展区上方，两端分别与相邻的所述n+源区、所述p阱区部分接触；所述多晶硅栅覆盖于所述栅氧化层的上表面；所述隔离介质层间隔设置，并将所述栅氧化层和所述多晶硅栅包裹设置。
作为本发明所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的一种优选方案，其中：包括源极、漏极和栅极；所述源极覆盖与所述p+接触区和部分所述 n+源区的上表面；所述漏极设置于所述n型4H-SiC衬底的下表面；所述栅极覆盖与所述隔离介质层上方并通过所述隔离介质层中的接触孔与所述多晶硅栅相连。
作为本发明所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的一种优选方案，其中：包括所述栅氧化层与所述多晶硅栅均覆盖于所述n+源区边缘上表面、所述n+源区间的所述p阱区上表面、所述电流扩展区的上表面；所述隔离介质层覆盖与所述多晶硅栅上表面、所述多晶硅栅与所述栅氧化层的侧壁。
作为本发明所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的一种优选方案，其中：包括所述缓冲层为n型4H-SiC、厚度为0.1μm～1.0μm、杂质浓度为 1e18cm-3～1e19cm-3；所述n+源区的厚度为0.1μm～0.5μm、杂质浓度为 1e18cm-3～1e19cm-3；所述p+接触区的厚度为0.2μm～0.8μm、杂质浓度为 1e18cm-3～1e19cm-3；所述栅氧化层为SiO2、Al2O3、HfO2中的一种或多种组合，所述栅氧化层厚度为10nm～100nm。
本发明的有益效果：一是通过设置相邻p阱区之间的间距递增规律使电流密度分布由芯片中央至边缘呈非均匀分布规律，优化芯片不同区域的热分布，实现了芯片的温度性能的提升；二是通过设置电流扩展区的杂质浓度分布由上表面至体内呈递增规律，在JFET区引入感生电场加速电子的输运，降低JFET 区的电阻，缩小芯片的功耗，降低了芯片的自热，实现了芯片温度性能的提升；三是通过设置减薄的n型4H-SiC衬底，降低衬底层的串联电阻，缩小芯片的功耗，减少了芯片的自热，实现了芯片温度性能的提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明所述电流密度非均匀分布的SiCMOSFET剖面结构示意图；
图2为本发明所述杂质浓度分布规律的示意图；
图3是本发明所述p阱区为正方形的示意图；
图4是本发明所述p阱区为条形的示意图；
图5是本发明所述增加接触孔的示意图；
图6是本发明所述综合性能对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1的示意，本实施例提出一种电流密度非均匀的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，优化了SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片通态电流密度的分布，降低了SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的功耗，优化现有SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片热分布，提升了现有SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的温度性能。具体的，一种SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，包括设置于芯片内的漂移区100、电流扩展区200和p阱区300，其中漂移区100设置于晶体管内，用于电流的漂移；电流扩展区 200设置于漂移区100的上方，内杂质浓度自电流扩展区200与漂移区100的界面至电流扩展区200的上表面呈梯度递减规律分布，需要说明的是，此处电流扩展区200的上表面为电流扩展区200与栅氧化层800的界面，可参照图1～2 的示意，图1中用灰度示意杂质浓度的梯度分布规律，颜色深表示杂质浓度高，颜色浅表示杂质浓度低，图2中增加坐标系和箭头指示分布规律；各p阱区300 被包裹设置于电流扩展区200的上表面，且依次间距递增规律嵌于电流扩展区 200中使电流密度分布由芯片中央至边缘呈非均匀分布规律，此处参照图3～4 的示意，在图1和图2的左图中均增加了坐标指向，其中横纵坐标相交处为芯片中央，横纵坐标箭头所指方向为芯片边缘方向，通态电流密度自芯片中央至边缘呈递增分布规律是由单元通态电阻自芯片中央至边缘呈递减分布规律理论分析得出，而电阻分布规律则由p阱区间距的递增规律设置得到。
可选的，设置相邻p阱区300间的距离为WJFET，该WJFET为0.5μm～5.0μm，自芯片中央至边缘呈增大规律，且WJFET增大速率大于0，自芯片中央至芯片边缘WJFET的数值呈递增规律，相邻两JFET区，靠近边缘一侧JFET区的WJFET大于靠近芯片中心一侧JFET的WJFET，因此表述为WJFET增大速率大于0，本实施例中JFET区为相邻p阱区300之间电流扩展区200的代称。
可选的，本实施例中还包括n型4H-SiC衬底400，其设置于电流扩展区 200的下方，并通过化学机械抛光工艺进行减薄处理，厚度为100μm～200μm。
可选的，参照图2～3的示意，本实施例中p阱区300形状包括条形、圆形、环形和正多边形的一种或多种组合，且其厚度为0.5μm～1.0μm。漂移区100为 n型4H-SiC、厚度为3.0μm～43μm，其内杂质浓度为1e14cm-3～5e16cm-3；电流扩展区200为n型4H-SiC、厚度为0.5μm～3.0μm，其内杂质浓度为 1e14cm-3～5e16cm-3。
进一步的，本实施例提出SiC金属氧化物半导体场效应晶体管，还包括缓冲层500、n+源区600、p+接触区700、栅氧化层800、多晶硅栅900和隔离介质层1000。更加具体的，缓冲层500设置于电流扩展区200和n型4H-SiC衬底400之间；n+源区600嵌入p阱区300内；p+接触区700嵌于p阱区300内并夹于n+源区600之间。
其中栅氧化层800的中间接触设置于电流扩展区200上方，两端分别与相邻的n+源区600、p阱区300部分接触；多晶硅栅900覆盖于栅氧化层800的上表面；隔离介质层1000间隔设置，并将栅氧化层800和多晶硅栅900包裹设置。
源极1100、漏极1200和栅极1300；源极1100覆盖与p+接触区700和部分 n+源区600的上表面；漏极1200设置于n型4H-SiC衬底400的下表面；栅极 1300覆盖与隔离介质层1000上方并通过隔离介质层1000中的接触孔1400与多晶硅栅900相连，参照图5中标出的接触孔1400。
栅氧化层800与多晶硅栅900均覆盖于n+源区600边缘上表面、n+源区600 间的p阱区300上表面、电流扩展区200的上表面；隔离介质层100覆盖与多晶硅栅900上表面、多晶硅栅900与栅氧化层800的侧壁。
缓冲层500为n型4H-SiC、厚度为0.1μm～1.0μm、杂质浓度为 1e18cm-3～1e19cm-3；n+源区600的厚度为0.1μm～0.5μm、杂质浓度为 1e18cm-3～1e19cm-3；p+接触区700的厚度为0.2μm～0.8μm、杂质浓度为 1e18cm-3～1e19cm-3；栅氧化层800为SiO2、Al2O3、HfO2中的一种或多种组合，栅氧化层800厚度为10nm～100nm。
本实施例中提出的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片通过设置相邻 p阱区300之间的间距递增规律使电流密度分布由芯片中央至边缘呈非均匀分布规律，优化芯片不同区域的热分布，实现了芯片的温度性能的提升；通过设置电流扩展层杂质浓度分布由上表面至体内呈递增规律，在JFET区引入感生电场加速电子的输运，降低JFET区的电阻，缩小芯片的功耗，降低了芯片的自热，实现了芯片温度性能的提升；通过设置减薄的4H-SiC衬底，降低衬底层的串联电阻，缩小芯片的功耗，减少了芯片的自热，实现了芯片温度性能的提升。
实施例2
由于一般的电路组件在高温下工作可能会导致运行速度受到影响、性能降低甚至失效的问题，在一些发热量非常高的功率芯片上需要使用外加的散热系统来缓和这个问题。同时SiC MOSFET栅极氧化层随着栅控电压变小而越来越薄，这种情况下SiC MOSFET的温度性能变得更加重要。
为验证本发明提出SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的真实技术效果，本实施例为此设计了对比实验，以传统结构的芯片(A)和本发明结构芯片(B)在开关操作延时温度和整体泄露功耗为指标进行对比试验，测试综合性能，其中传统芯片内所有晶体管全部使用市场上普通栅氧化层和普通阈值晶体管的结构。
本实施例所有的实验数据全部基于Silvaco TCAD仿真，加入自热模型，利用A和B两种芯片持续仿真运行相同操作，仿真时长分别为10min、20min、 30mn、45min和60min。基于上述仿真，利用记录不同时刻下各芯片的自热温度(初始温度为25℃)、计算电路与电压的乘积得出整体泄露功耗(初始功耗为0/W)，来对比分析芯片的综合性能。测得不同时刻下的自热温度数据如下表1、整体泄露功耗数据如下表2。
表1：自热温度对比。
表2：整体泄露功耗对比(单位为W)。
由上表1可以看出，在持续仿真运行的时间内，芯片自热反应的存在，芯片表面温度会随着时间而增加，在1小时内，本发明的芯片相对于传统芯片自热温度性能上提升了6.66％～10.87％，其主要原因是本发明非均匀分布规律，优化芯片不同区域的热分布、降低JFET区的电阻和减薄的4H-SiC衬底，实现了芯片温度性能的提升。
同时由表2可以看出，由于自热温度性能的提升，伴随着功耗性能的提升，将栅极泄漏电流所产生的功耗和亚阈值泄漏功耗归一化为整体泄漏功耗，经过真实仿真得到，在1小时内整体泄露功耗减低百分比在4.66％～10.97％。
参照图6的示意，示意为将自热温度百分比、整体泄露功耗百分比增加百分比在一小时内走势，可以看出本申请芯片综合性能的提升，在1小时内，温度性能最高提升10.87％、功耗降低10.97％且由走势可以看出，持续运行时间越长则性能提升效果越明显，虽然提升在时间增长比上会有所下降趋势，但其与现有芯片结构还是有明显的温度和功耗性能的大幅提升，从而整体芯片性能还是呈增加趋势。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合) 可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，其特征在于：包括，
漂移区(100)，所述漂移区(100)设置于所述晶体管内；
电流扩展区(200)，所述电流扩展区(200)设置于所述漂移区(100)上方，杂质浓度自所述电流扩展区(200)与所述漂移区(100)的界面至所述电流扩展区(200)的上表面呈梯度递减规律分布；
p阱区(300)，各所述p阱区(300)被包裹设置于所述电流扩展区(200)的上表面，且依次间距递增规律嵌于所述电流扩展区(200)中使电流密度分布由芯片中央至边缘呈非均匀分布规律。
2.如权利要求1所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，其特征在于：设置相邻所述p阱区(300)间的距离为WJFET，所述WJFET为0.5μm～5.0μm，自芯片中央至边缘呈增大规律，且WJFET增大速率大于0。
3.如权利要求1或2所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，其特征在于：还包括n型4H-SiC衬底(400)，其设置于所述电流扩展区(200)的下方，并通过化学机械抛光工艺进行减薄处理，厚度为100μm～200μm。
4.如权利要求3所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，其特征在于：所述p阱区(300)形状包括条形、圆形、环形和正多边形的一种或多种组合，且其厚度为0.5μm～1.0μm。
5.如权利要求4所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，其特征在于：所述漂移区(100)为n型4H-SiC、厚度为3.0μm～43μm，其内杂质浓度为1e14cm-3～5e16cm-3；所述电流扩展区(200)为n型4H-SiC、厚度为0.5μm～3.0μm，其内杂质浓度为1e14cm-3～5e16cm-3。
6.如权利要求4或5所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，其特征在于：包括缓冲层(500)、n+源区(600)和p+接触区(700)；
所述缓冲层(500)设置于所述电流扩展区(200)和所述n型4H-SiC衬底(400)之间；
所述n+源区(600)嵌入所述p阱区(300)内；
所述p+接触区(700)嵌于所述p阱区(300)内并夹于所述n+源区(600)之间。
7.如权利要求6所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，其特征在于：包括栅氧化层(800)、多晶硅栅(900)和隔离介质层(1000)；
所述栅氧化层(800)的中间接触设置于所述电流扩展区(200)上方，两端分别与相邻的所述n+源区(600)、所述p阱区(300)部分接触；
所述多晶硅栅(900)覆盖于所述栅氧化层(800)的上表面；
所述隔离介质层(1000)间隔设置，并将所述栅氧化层(800)和所述多晶硅栅(900)包裹设置。
8.如权利要求7所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，其特征在于：包括源极(1100)、漏极(1200)和栅极(1300)；
所述源极(1100)覆盖与所述p+接触区(700)和部分所述n+源区(600)的上表面；
所述漏极(1200)设置于所述n型4H-SiC衬底(400)的下表面；
所述栅极(1300)覆盖与所述隔离介质层(1000)上方并通过所述隔离介质层(1000)中的接触孔(1400)与所述多晶硅栅(900)相连。
9.如权利要求7～8所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，其特征在于：包括，
所述栅氧化层(800)与所述多晶硅栅(900)均覆盖于所述n+源区(600)边缘上表面、所述n+源区(600)间的所述p阱区(300)上表面、所述电流扩展区(200)的上表面；
所述隔离介质层(100)覆盖与所述多晶硅栅(900)上表面、所述多晶硅栅(900)与所述栅氧化层(800)的侧壁。
10.如权利要求9所述的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管芯片，其特征在于：包括，
所述缓冲层(500)为n型4H-SiC、厚度为0.1μm～1.0μm、杂质浓度为1e18cm-3～1e19cm-3；
所述n+源区(600)的厚度为0.1μm～0.5μm、杂质浓度为1e18cm-3～1e19cm-3；
所述p+接触区(700)的厚度为0.2μm～0.8μm、杂质浓度为1e18cm-3～1e19cm-3；
所述栅氧化层(800)为SiO2、Al2O3、HfO2中的一种或多种组合，所述栅氧化层(800)厚度为10nm～100nm。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112447826A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-03-05 | 北京工业大学 | 平面型igbt结构 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6975004B2 (en) * | 2001-12-12 | 2005-12-13 | Infineon Technologies Ag | Semiconductor component with optimized current density |
| CN201804866U (zh) * | 2010-06-08 | 2011-04-20 | 杭州电子科技大学 | 一种逆导型soi ligbt器件单元 |
| CN104409501A (zh) * | 2014-11-10 | 2015-03-11 | 中国科学院微电子研究所 | 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管 |
| US20150123148A1 (en) * | 2012-05-11 | 2015-05-07 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor device and method for producing semiconductor device |
| CN105895690A (zh) * | 2015-02-16 | 2016-08-24 | 肖胜安 | 一种超级结器件结构及其制造方法 |
| CN106409915A (zh) * | 2016-11-25 | 2017-02-15 | 东莞市联洲知识产权运营管理有限公司 | 一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管 |
| US20180090574A1 (en) * | 2015-05-18 | 2018-03-29 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor device and power conversion device |
| CN108649072A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-10-12 | 江苏捷捷微电子股份有限公司 | 一种低导通电阻的沟槽mosfet器件及其制造方法 |
| CN108899370A (zh) * | 2018-08-22 | 2018-11-27 | 江苏中科君芯科技有限公司 | 集成电阻区的vdmos器件 |
| CN109244146A (zh) * | 2018-11-09 | 2019-01-18 | 无锡新洁能股份有限公司 | 优化热分布的碳化硅肖特基二极管及其制造方法 |
-
2020
- 2020-06-05 CN CN202010507601.7A patent/CN111682069B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6975004B2 (en) * | 2001-12-12 | 2005-12-13 | Infineon Technologies Ag | Semiconductor component with optimized current density |
| CN201804866U (zh) * | 2010-06-08 | 2011-04-20 | 杭州电子科技大学 | 一种逆导型soi ligbt器件单元 |
| US20150123148A1 (en) * | 2012-05-11 | 2015-05-07 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor device and method for producing semiconductor device |
| CN104409501A (zh) * | 2014-11-10 | 2015-03-11 | 中国科学院微电子研究所 | 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管 |
| CN105895690A (zh) * | 2015-02-16 | 2016-08-24 | 肖胜安 | 一种超级结器件结构及其制造方法 |
| US20180090574A1 (en) * | 2015-05-18 | 2018-03-29 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor device and power conversion device |
| CN106409915A (zh) * | 2016-11-25 | 2017-02-15 | 东莞市联洲知识产权运营管理有限公司 | 一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管 |
| CN108649072A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-10-12 | 江苏捷捷微电子股份有限公司 | 一种低导通电阻的沟槽mosfet器件及其制造方法 |
| CN108899370A (zh) * | 2018-08-22 | 2018-11-27 | 江苏中科君芯科技有限公司 | 集成电阻区的vdmos器件 |
| CN109244146A (zh) * | 2018-11-09 | 2019-01-18 | 无锡新洁能股份有限公司 | 优化热分布的碳化硅肖特基二极管及其制造方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112447826A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-03-05 | 北京工业大学 | 平面型igbt结构 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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