一种高压碳化硅功率场效应晶体管及高低压集成电路

1.本发明属于半导体器件技术领域，涉及碳化硅半导体器件及集成电路，具体为一种高压碳化硅功率场效应晶体管及高低压集成电路。


背景技术：

2.二十世纪九十年代以来，碳化硅(sic)技术飞速发展，同时促进了碳化硅材料所构成的半导体器件的发展；与普通的硅材料相比，碳化硅具有更大的禁带宽度，所以其拥有更高的击穿电场，同时碳化硅材料拥有较更高的热导率，因此适用于高温条件下，且其拥有较高的电流密度。尤其在场效应晶体管(fet)的开发与应用方面，与相同功率等级的硅基场效应晶体管(fet)相比，碳化硅fet有更小的导通电阻，其开关损耗相比于同等级的硅基fet也大幅降低，使之适用于更高的工作频率，另由于其高温稳定性也使得碳化fet可以应用于高温领域；并且用碳化硅材料制备的功率器件及功率集成电路性能要高于普通硅材料的功率器件，因此碳化硅材料具有更广阔的应用前景。
3.但是，由于注入离子在碳化硅中的扩散系数较小，无法形成较深的结，使得器件与器件间的隔离变得困难，因此在同一衬底上制作互补型fet器件以及实现高压器件与低压器件的集成(功率集成电路)存在困难，同时由于sic中反型层中载流子的迁移率极低，无法制作出高性能和在高温环境中应用的cmos集成电路。
4.为了克服该问题，本发明提出了高沟道迁移率的新型的高压碳化硅功率场效应晶体管器件，并实现其与低压场效应晶体管器件间的集成。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高压碳化硅功率场效应晶体管器件，以解决传统mos器件的沟道迁移率低以及导通电阻高的问题；同时，基于该高压碳化硅功率场效应晶体管器件，实现其与低压器件的同一衬底集成，为新型的sic集成电路及功率集成电路技术提供新的实现途径。
6.为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
7.一种高压碳化硅功率场效应晶体管，其特征在于，所述高压碳化硅功率场效应晶体管采用对称结构，包括：设置于第一导电类型sic衬底或未掺杂sic绝缘衬底上的碳化硅第二导电类型阱区；碳化硅第二导电类型阱区中依次设置的第一个碳化硅第二导电类型重掺杂源极区、第一个碳化硅第一导电类型重掺杂栅极区、第一个碳化硅第一导电类型掺杂区、碳化硅第二导电类型重掺杂漏极区、第二个碳化硅第一导电类型掺杂区、第二个碳化硅第一导电类型重掺杂栅极区、第二个碳化硅第二导电类型重掺杂源极区，第一个碳化硅第二导电类型重掺杂源极区与第二个碳化硅第二导电类型重掺杂源极区上均设置金属化源极(s)，碳化硅第二导电类型重掺杂漏极区上设置金属化漏极(d)，第一个碳化硅第一导电类型重掺杂栅极区与第二个碳化硅第一导电类型重掺杂栅极区上均设置金属化栅极(g)。
8.进一步的，所述第一导电类型为p型，所述场效应晶体管为高压n型碳化硅功率场
效应晶体管；所述第一导电类型为n型，所述场效应晶体管为高压p型碳化硅功率场效应晶体管。
9.基于上述高压n型碳化硅功率场效应晶体管，本发明还提供一种高低压集成电路，包括：设置于同一p型sic衬底或未掺杂sic绝缘衬底上的低压n型碳化硅功率场效应晶体管(n-jfet)、低压p型碳化硅功率场效应晶体管(p-jfet)及高压碳化硅功率场效应晶体管，所述低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管之间设置碳化硅p型隔离区、该碳化硅p型隔离区连接于低压n型碳化硅功率场效应晶体管的源极，所述低压p型碳化硅功率场效应晶体管与高压碳化硅功率场效应晶体管之间设置碳化硅p型隔离区、该碳化硅p型隔离区连接于高压碳化硅功率场效应晶体管的源极，所述碳化硅p型隔离区由设置于衬底上的碳化硅p型掺杂隔离区及其上的碳化硅p型重掺杂隔离区构成。
10.进一步的，所述低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管构成反相器电路，低压p型碳化硅功率场效应晶体管的源极接高电位(v
dd
)，低压n型碳化硅功率场效应晶体管的源极接地(gnd)，低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管的栅极为输入电极(v
in
)，低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管的漏极为输出电极(v
out
)、连接高压碳化硅功率场效应晶体管的栅极驱动高压碳化硅功率场效应晶体管，高压碳化硅功率场效应晶体管的源极与低压n型碳化硅功率场效应晶体管的源极相连、漏极接片外负载到偏置电压。
11.基于上述高压p型碳化硅功率场效应晶体管，本发明还提供一种高低压集成电路，包括：设置于同一n型sic衬底或未掺杂sic绝缘衬底上的低压n型碳化硅功率场效应晶体管(n-jfet)、低压p型碳化硅功率场效应晶体管(p-jfet)及高压碳化硅功率场效应晶体管，所述低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管之间设置碳化硅n型隔离区、该碳化硅n型隔离区连接于低压p型碳化硅功率场效应晶体管的源极，所述低压n型碳化硅功率场效应晶体管与高压碳化硅功率场效应晶体管之间设置碳化硅n型隔离区、该碳化硅n型隔离区连接于低压n型碳化硅功率场效应晶体管的源极，所述碳化硅n型隔离区由设置于衬底上的碳化硅n型掺杂隔离区及其上的碳化硅n型重掺杂隔离区构成。
12.进一步的，所述低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管构成反相器电路，低压p型碳化硅功率场效应晶体管的源极接地，低压n型碳化硅功率场效应晶体管的源极接低电位，低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管的栅极为输入电极(v
in
)，低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管的漏极为输出电极(v
out
)、连接高压碳化硅功率场效应晶体管的栅极驱动高压碳化硅功率场效应晶体管，高压碳化硅功率场效应晶体管的源极与低压p型碳化硅功率场效应晶体管的源极相连、漏极接片外负载到偏置电压。
13.进一步的，基于上述两种高压碳化硅功率场效应晶体管，本发明还提供一种高低压集成电路，包括：同一未掺杂sic绝缘衬底上依次设置的高压n型碳化硅功率场效应晶体管(hv n-jfet)、第一个低压n型碳化硅功率场效应晶体管(n-jfet)、第一个低压p型碳化硅功率场效应晶体管(p-jfet)、第二个低压n型碳化硅功率场效应晶体管(n-jfet)、第二个低压p型碳化硅功率场效应晶体管(p-jfet)及高压p型碳化硅功率场效应晶体管(hv p-jfet)；其中，第一个低压n型碳化硅功率场效应晶体管与第一个低压p型碳化硅功率场效应晶体管构成第一个反相器，第二个低压n型碳化硅功率场效应晶体管、第二个低压p型碳化
硅功率场效应晶体管构成第二个反相器；每个反相器中，低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管的栅极为输入电极，低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管的漏极为输出电极，第二个低压n型碳化硅功率场效应晶体管的源极(s)接低电位(-v
ee
)，第一个低压p型碳化硅功率场效应晶体管的源极(s)接高电位(v
dd
)；第一个反相器的输出电极接高压n型碳化硅功率场效应晶体管的栅极，第二个反相器的输出电极接高压p型碳化硅功率场效应晶体管的栅极；高压n型碳化硅功率场效应晶体管的漏极连接偏置电压v
bus
，高压p型碳化硅功率场效应晶体管的漏极接地；第一个低压n型碳化硅功率场效应晶体管与第二个低压p型碳化硅功率场效应晶体管的源极相连为盆电压(v
tub
)，高压n型碳化硅功率场效应晶体管与高压p型碳化硅功率场效应晶体管的源极连接盆电压(v
tub
)，盆电压v
tub
连接负载z
l
到地，构成了半桥功率集成电路。
14.一种高压碳化硅功率场效应晶体管，其特征在于，所述高压碳化硅功率场效应晶体管采用三维结构，包括：沿从左向右方向依次邻接设置的第一个碳化硅第一种导电类型重掺杂区、碳化硅第二种导电类型重掺杂源极区与第二个碳化硅第一种导电类型重掺杂区，对应于第一个碳化硅第一种导电类型重掺杂区沿从前向后方向依次分隔设置的第一个碳化硅第一种导电类型重掺杂栅极区与第三个碳化硅第一种导电类型重掺杂区、以及邻接于第三个碳化硅第一种导电类型重掺杂区设置的第一个碳化硅第一种导电类型掺杂区，对应于碳化硅第二种导电类型重掺杂源极区沿从前向后方向依次邻接设置的碳化硅第二种导电类型漂移区与碳化硅第二种导电类型重掺杂漏极区，对应于第二个碳化硅第一种导电类型重掺杂区沿从前向后方向依次分隔设置的第二个碳化硅第一种导电类型重掺杂栅极区与第四个碳化硅第一种导电类型重掺杂区、以及邻接于第四个碳化硅第一种导电类型重掺杂区设置的第二个碳化硅第一种导电类型掺杂区，碳化硅第二种导电类型重掺杂源极区上设置金属化源极(s)、第一个碳化硅第一种导电类型重掺杂栅极区与第二个碳化硅第一种导电类型重掺杂栅极区上均设置金属化栅极(g)、碳化硅第二种导电类型重掺杂漏极区上设置金属化漏极(d)，第三个碳化硅第一种导电类型重掺杂区与第四个碳化硅第一种导电类型重掺杂区连接于金属化源极(s)。
15.进一步的，所述第一导电类型为p型，所述场效应晶体管为高压n型碳化硅功率场效应晶体管；所述第一导电类型为n型，所述场效应晶体管为高压p型碳化硅功率场效应晶体管。
16.基于上述两种高压碳化硅功率场效应晶体管，本发明还提供一种高低压集成电路，包括：设置于同一未掺杂sic绝缘衬底上的低压n型碳化硅功率场效应晶体管(n-jfet)、低压p型碳化硅功率场效应晶体管(p-jfet)、高压n型碳化硅功率场效应晶体管及高压p型碳化硅功率场效应晶体管；
17.所述低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管构成反相器电路，低压p型碳化硅功率场效应晶体管的源极接高电位(v
dd
)，低压n型碳化硅功率场效应晶体管的源极接地(gnd)，低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管的栅极为输入电极(v
in
)，低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管的漏极为输出电极(v
out
)、连接高压n型碳化硅功率场效应晶体管的栅极驱动高压碳化硅功率场效应晶体管，高压n型碳化硅功率场效应晶体管的源极与低压n型碳化硅功率场效应晶体管的源极相连、漏极接片外负载到偏置电压；
18.或者，所述低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管构成反相器电路，低压p型碳化硅功率场效应晶体管的源极接地，低压n型碳化硅功率场效应晶体管的源极接低电位，低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管的栅极为输入电极(v
in
)，低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管的漏极为输出电极(v
out
)、连接高压p型碳化硅功率场效应晶体管的栅极驱动高压碳化硅功率场效应晶体管，高压p型碳化硅功率场效应晶体管的源极与低压p型碳化硅功率场效应晶体管的源极相连、漏极接片外负载到偏置电压。
19.本发明的有益效果在于：
20.本发明提供一种新型高压碳化硅功率场效应晶体管及高低压集成电路，与金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)相比，这种高压碳化硅功率场效应晶体管的沟道迁移率大大增加，比导通电阻可以大降低。同时，由于提出的新型场效应晶体管没有栅氧介质层，可以避免sic mosfet的栅氧高温可靠性问题，使得新型场效应晶体管可以在高温工作，而且新型场效应晶体管能够很好的实现高低压器件的集成，可以较好地用于高温集电路和高温功率集成电路。
附图说明
21.图1为实施例1中高压n型jfet器件与低压器件的集成电路的结构示意图。
22.图2为实施例1中反相器的电路原理图。
23.图3为实施例1中反相器的输入输出特性曲线。
24.图4为实施例2中高压p型jfet器件与低压器件的集成电路的结构示意图。
25.图5为实施例3中半桥功率集成电路的结构示意图。
26.图6为实施例3中半桥功率集成电路的电路原理图。
27.图7为实施例4中高压n型jfet器件、高压p型jfet器件与低压器件的集成电路的结构示意图。
28.图8为实施例4中集成电路的电路原理图。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
30.实施例1
31.本实施例提供一种高压n型碳化硅功率场效应晶体管(hv n-jfet)，其结构如图1所示，所述高压碳化硅功率场效应晶体管采用对称结构，具体包括：设置于p型sic衬底或未掺杂sic绝缘衬底上的碳化硅n型阱区1-1；碳化硅n型阱区中依次设置的第一碳化硅n型重掺杂源极区1-2、第一碳化硅p型重掺杂栅极区1-3、第一碳化硅p型掺杂区1-4、碳化硅n型重掺杂漏极区1-5、第二碳化硅p型掺杂区1-6、第二碳化硅p型重掺杂栅极区1-7、第二碳化硅n型重掺杂源极区1-8，第一碳化硅n型重掺杂源极区与第二碳化硅n型重掺杂源极区上均设置金属化源极(s)，碳化硅n型重掺杂漏极区上设置金属化漏极(d)，第一碳化硅p型重掺杂栅极区与第二碳化硅p型重掺杂栅极区上均设置金属化栅极(g)。
32.基于上述高压碳化硅功率场效应晶体管(hv n-jfet)，本发明还提供一种高压n型jfet器件与低压器件的集成电路，如图1所示，包括：设置于同一p型sic衬底或未掺杂sic绝
缘衬底上的低压n型碳化硅功率场效应晶体管(n-jfet)、低压p型碳化硅功率场效应晶体管(p-jfet)及高压n型碳化硅功率场效应晶体管(hv n-jfet)，所述低压n型碳化硅功率场效应晶体管与低压p型碳化硅功率场效应晶体管之间设置碳化硅p型隔离区、该碳化硅p型隔离区连接于低压n型碳化硅功率场效应晶体管的源极，所述低压p型碳化硅功率场效应晶体管与高压n型碳化硅功率场效应晶体管之间设置碳化硅p型隔离区、该碳化硅p型隔离区连接于高压n型碳化硅功率场效应晶体管的源极，所述碳化硅p型隔离区由设置于衬底上的碳化硅p型掺杂隔离区及其上的碳化硅p型重掺杂隔离区构成；
33.本实施例中的p-jfet的漏极(d)与n-jfet的漏极(d)相连接，p-jfet的栅极(g)与n-jfet的栅极(g)相连接，构成反相器电路，如图2所示，p-jfet和n-jfet的栅极(g)为输入电极(v
in
)，p-jfet和n-jfet的漏极(d)为输出电极(v
out
)，p-jfet的源极(s)接高电位(v
dd
)，n-jfet的源极(s)接地(gnd)，该反相器的电路仿真出输入输出特征曲线如图3所示；进一步的，该反相器与高压碳化硅功率场效应晶体管(hv n-jfet)构成一个集成碳化硅驱动电路。在这个集成碳化硅驱动电路中，反相器的输出电极(v
out
)与hv n-jfet的栅极(g)相连接，hv n-jfet的源极(s)与反相器中的n-jfet的源极(s)相连接，hv n-jfet的漏极(d)连接一个负载(z
l
),负载(z
l
)的另一端连接一个偏压(v
bus
)。
34.进一步的，所述低压n型碳化硅功率场效应晶体管(n-jfet)包括：设置于p型sic衬底或未掺杂sic绝缘衬底上的碳化硅n型阱区，碳化硅n型阱区中依次设置的碳化硅n型重掺杂源极区、碳化硅p型重掺杂栅极区、碳化硅n型重掺杂漏极区，以及源极区、碳化硅栅极区、漏极区上对应设置的金属化源极、栅极、漏极；所述低压p型碳化硅功率场效应晶体管(p-jfet)包括：设置于p型sic衬底或未掺杂sic绝缘衬底上的碳化硅n型阱区，碳化硅n型阱区中依次设置的碳化硅n型重掺杂源极区与碳化硅p型掺杂区，碳化硅p型掺杂区中依次设置的碳化硅p型重掺杂源极区、碳化硅n型重掺杂栅极区、碳化硅p型重掺杂漏极区16，以及源极区、栅极区、漏极区上对应设置的金属化源极、栅极、漏极。
35.本实施例提供的高压n型碳化硅功率场效应晶体管(hv n-jfet)中，第一碳化硅p型掺杂区1-4与第二碳化硅p型掺杂区1-6能够使碳化硅n型阱区的掺杂浓度增大，从而使得导通时的电流密度增大，降低导通电阻；源电极(s)的电位与低压器件工作电压相接近，而hv n-jfet高电位端(d电极)位于器件的中间，很好地实现了高压器件与低压器件间隔离问题，由低压器件构成的集成电路可以直接用于控制高压器件的栅极工作；同时，碳化硅p型隔离区进一步实现器件间的隔离，使得高压器件与低压器件能够做到同一衬底的集成。
36.实施例2
37.本实施例提供一种高压p型碳化硅功率场效应晶体管(hv p-jfet)，其结构如图4所示，所述高压碳化硅功率场效应晶体管采用对称结构，具体包括：设置于n型sic衬底或未掺杂sic绝缘衬底上的碳化硅p型阱区2-1；碳化硅p型阱区中依次设置的第一碳化硅p型重掺杂源极区2-2、第一碳化硅n型重掺杂栅极区2-3、第一碳化硅n型掺杂区2-4、碳化硅p型重掺杂漏极区2-5、第二碳化硅n型掺杂区2-6、第二碳化硅n型重掺杂栅极区2-7、第二碳化硅p型重掺杂源极区2-8，第一碳化硅p型重掺杂源极区与第二碳化硅p型重掺杂源极区上均设置金属化源极(s)，碳化硅p型重掺杂漏极区上设置金属化漏极(d)，第一碳化硅n型重掺杂栅极区与第二碳化硅n型重掺杂栅极区上均设置金属化栅极(g)。
38.基于本实施例中高压p型碳化硅功率场效应晶体管(hv p-jfet)，同样能够实现同
10是衬底连接源极进行接地，第一碳化硅p型掺杂区3-6和第二碳化硅p型掺杂区3-11是为了从衬底连接出来，当给栅极加负电压时，第一碳化硅p型重掺杂栅极区3-4和第二碳化硅p型重掺杂栅极区3-9开始耗尽，耗尽区向碳化硅n型漂移区3-7延展，当加到一定的负电压时，耗尽区夹断，实现器件的关断，因此可以实现器件的开关；器件开启时，在漏极加电压，电流通过碳化硅n型漂移区3-7到达源极，第一碳化硅p型重掺杂区3-1和第二碳化硅p型重掺杂区3-3起到与其它器件相隔离的作用。
45.本实施例还提供一种高压p型碳化硅功率场效应晶体管(hv p-jfet)，其结构如图7所示，其结构与hv n-jfet器件相同，区别在于：导电类型相互替换。同时，基于所述hv n-jfet器件与hv p-jfet器件，本实施例还提供一种在未掺杂sic绝缘衬底上高压器件与低压器件的集成电路，包括：同一未掺杂sic绝缘衬底上依次设置的低压n型碳化硅功率场效应晶体管(n-jfet)、低压p型碳化硅功率场效应晶体管(p-jfet)、高压n型碳化硅功率场效应晶体管(hv n-jfet)及高压p型碳化硅功率场效应晶体管(hv p-jfet)；其中，n-jfet和p-jfet构成反相器，n-jfet的源极(s)接相对低电位，p-jfet的源极(s)接零电位，n-jfet的栅极(g)和p-jfet的栅极(g)相连接作输入端，n-jfet和p-jfet的漏极(d)相连接作输出端、连接hv p-jfet的栅极(g)驱动hv p-jfet，hv p-jfet的源极(s)接零电位、漏接(d)接片外负载到母线电压，如图8(1)所示；或者，n-jfet和p-jfet构成反相器，n-jfet的源极(s)接零电位，p-jfet的源极(s)接相对高电位，n-jfet的栅极(g)和p-jfet的栅极(g)相连接作输入端，n-jfet和p-jfet的漏极(d)相连接作输出端、连接hv n-jfet的栅极(g)驱动hv n-jfet，hv n-jfet的源极(s)接零电位、漏接(d)接片外负载到母线电压，如图8(2)所示。
46.进一步的，低压n型碳化硅功率场效应晶体管(n-jfet)包括：沿从前往后方向依次邻接设置的第一碳化硅p型重掺杂栅极区、碳化硅n型漂移区与第二碳化硅p型重掺杂栅极区，邻接于碳化硅n型漂移区左侧设置的碳化硅n型重掺杂源极区，邻接于碳化硅n型漂移区右侧设置的碳化硅n型重掺杂漏极区，以及源极区、栅极区、漏极区上对应设置的金属化源极、栅极、漏极；低压p型碳化硅功率场效应晶体管(p-jfet)与n-jfet结构相同，区别在于导电类型相互替换。
47.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。