本申請(qǐng)涉及功率晶體管，并且更特別地涉及具有高擊穿電壓額定值的高電子遷移率功率晶體管。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體晶體管、特別是場(chǎng)效應(yīng)受控開關(guān)器件在各種各樣的應(yīng)用中被使用，場(chǎng)效應(yīng)受控開關(guān)器件諸如MISFET(金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)和HEMT(高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，MISFET在下面也稱為MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，HEMT也稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu)FET(HFET)和調(diào)制摻雜FET(MODFET)。HEMT是在具有不同帶隙的兩種材料諸如GaN和AlGaN之間具有結(jié)的晶體管。

在基于GaN/AlGaN的HEMT中，二維電子氣(2DEG)出現(xiàn)在AlGaN阻擋層和GaN緩沖層之間的界面處。在HEMT中，2DEG形成器件的溝道，而代替在傳統(tǒng)MOSFET器件中形成溝道的摻雜區(qū)域?？梢岳妙愃频脑韥磉x擇形成二維空穴氣(2DHG)的緩沖層和阻擋層作為器件的溝道。2DEG或2DHG統(tǒng)稱為二維載流子氣。在無需其它措施的情況下，異質(zhì)結(jié)配置帶來自導(dǎo)通、即常通的晶體管。典型地，必須采取措施來防止HEMT的溝道區(qū)域在沒有正柵極電壓的情況下處于導(dǎo)通狀態(tài)。

HEMT被視為功率晶體管應(yīng)用的極具吸引力的候選。功率晶體管是能夠切換與高功率應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的顯著電壓和/或電流的器件。例如，可能需要功率晶體管阻止至少200V、400V、600V或更大的電壓。此外，可能需要功率晶體管在正常操作期間傳導(dǎo)范圍在幾安培、數(shù)十安培或數(shù)百安培的電流。由于異質(zhì)結(jié)配置中二維載流子氣的高電子遷移率，HEMT與許多傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管設(shè)計(jì)相比提供高導(dǎo)通和低損耗，并且因此更好地適于這些大操作電流。

已知的HEMT設(shè)計(jì)具有很多限制，這些限制不利地影響其對(duì)于功率晶體管應(yīng)用的適用性。GaN技術(shù)的一個(gè)限制涉及基于GaN/AlGaN的HEMT的擊穿強(qiáng)度。傳統(tǒng)上，基于GaN/AlGaN的HEMT的擊穿強(qiáng)度可以通過增加GaN緩沖層的厚度來改善。然而，該技術(shù)引入制造工藝的成本和復(fù)雜度。在HEMT設(shè)計(jì)中的其它問題包括較差的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻、電流崩塌和可靠性問題，例如由于HEMT的固有橫向結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的在器件表面處的源極指狀物和漏極指狀物之間的高電場(chǎng)而引起。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開了一種半導(dǎo)體器件。根據(jù)實(shí)施例，半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體本體，該半導(dǎo)體本體包括第一橫向表面和與第一橫向表面相反的第二橫向表面。第一器件區(qū)域延伸到第二橫向表面，并且包括第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)域和第二導(dǎo)電類型的漂移電流控制區(qū)域，該第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反，漂移電流控制區(qū)域通過漂移區(qū)域與第二橫向表面隔開。第二器件區(qū)域延伸到第一橫向表面，并且包括阻擋層和緩沖層，緩沖層具有與阻擋層不同的帶隙，使得沿著緩沖層和阻擋層之間的界面出現(xiàn)二維電荷載流子氣溝道。導(dǎo)電襯底接觸件形成二維電荷載流子氣溝道與漂移區(qū)域之間的低歐姆連接。柵極結(jié)構(gòu)被配置用于控制二維電荷載流子氣的傳導(dǎo)狀態(tài)。漂移電流控制區(qū)域被配置用于經(jīng)由在漂移電流控制區(qū)域與漂移區(qū)域之間的pn結(jié)處出現(xiàn)的空間電荷區(qū)域來阻止漂移區(qū)域中的垂直電流。

公開了一種晶體管裝置。根據(jù)實(shí)施例，晶體管裝置包括半導(dǎo)體本體，該半導(dǎo)體本體包括第一橫向表面和與第一橫向表面相反的第二橫向表面。晶體管裝置還包括垂直JFET，垂直JFET包括第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)域和第二導(dǎo)電類型的漂移電流控制區(qū)域，該第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反。晶體管裝置還包括橫向高電子遷移率晶體管，該橫向高電子遷移率晶體管包括阻擋層和緩沖層，緩沖層具有與阻擋層不同的帶隙，使得沿著緩沖層和阻擋層之間的界面出現(xiàn)二維電荷載流子氣。導(dǎo)電襯底接觸件形成二維電荷載流子氣溝道與漂移區(qū)域之間的歐姆連接。HEMT柵極被配置用于控制二維電荷載流子氣溝道中的橫向電流。JFET柵極被配置用于控制漂移區(qū)域中的垂直電流。

公開了一種在半導(dǎo)體本體中形成半導(dǎo)體器件的方法，該半導(dǎo)體本體包括第一橫向表面和與第一橫向表面相反的第二橫向表面。根據(jù)實(shí)施例，該方法包括形成第一器件區(qū)域，該第一器件區(qū)域包括第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)域和第二導(dǎo)電類型的漂移電流控制區(qū)域，該第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反，漂移電流控制區(qū)域通過漂移區(qū)域與第二橫向表面隔開。在第一器件區(qū)域上形成第二器件區(qū)域。該第二器件區(qū)域包括阻擋層和緩沖層，緩沖層具有與阻擋層不同的帶隙，使得沿著緩沖層和阻擋層之間的界面出現(xiàn)二維電荷載流子氣溝道。在半導(dǎo)體本體中形成導(dǎo)電襯底接觸件。該導(dǎo)電襯底接觸件形成二維電荷載流子氣溝道與漂移區(qū)域之間的歐姆連接。在半導(dǎo)體本體上形成柵極結(jié)構(gòu)，該柵極結(jié)構(gòu)被配置用于控制二維電荷載流子氣的傳導(dǎo)狀態(tài)。第一器件區(qū)域鄰接第二橫向表面，并且第二器件區(qū)域鄰接第一橫向表面。漂移電流控制區(qū)域被形成為使得在漂移電流控制區(qū)域與漂移區(qū)域之間的pn結(jié)處出現(xiàn)的空間電荷區(qū)域被配置用于阻止漂移區(qū)域中的垂直電流。

公開了一種電路。根據(jù)實(shí)施例，該電路包括JFET、高電子遷移率晶體管以及被連接在JFET和高電子遷移率晶體管的輸出端子之間的二極管。高電子遷移率晶體管的漏極被連接到JFET的源極。JFET的柵極被連接到高電子遷移率晶體管的源極。JFET的夾斷電壓低于高電子遷移率晶體管的擊穿電壓。

通過閱讀下面的詳細(xì)描述和附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到附加的特征和優(yōu)勢(shì)。

附圖說明

附圖中的元件不一定相對(duì)彼此按比例繪制。相同的參考標(biāo)號(hào)標(biāo)示對(duì)應(yīng)的類似部分。各種所示實(shí)施例的特征可以被組合，除非它們彼此排斥。實(shí)施例在附圖中被描繪并在下面的描述中被詳述。

圖1圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括垂直JFET和橫向高電子遷移率晶體管的準(zhǔn)垂直晶體管。

圖2圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括垂直JFET和常關(guān)橫向高電子遷移率晶體管的準(zhǔn)垂直晶體管。

圖3圖示了根據(jù)另一實(shí)施例的包括垂直JFET和常關(guān)橫向高電子遷移率晶體管的準(zhǔn)垂直晶體管。

圖4圖示了根據(jù)另一實(shí)施例的包括垂直JFET和常關(guān)橫向高電子遷移率晶體管的準(zhǔn)垂直晶體管。

圖5圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括垂直JFET和具有集成的肖特基二極管的橫向高電子遷移率晶體管的準(zhǔn)垂直晶體管。

圖6圖示了根據(jù)另一實(shí)施例的包括垂直JFET和橫向高電子遷移率晶體管的準(zhǔn)垂直晶體管。

圖7示意性地圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括JFET和橫向高電子遷移率晶體管的電路，其中JFET和橫向高電子遷移率晶體管以級(jí)聯(lián)配置連接。

具體實(shí)施方式

這里所描述的實(shí)施例包括由橫向HEMT和垂直JFET形成的功率晶體管，該橫向HEMT和垂直JFET被集成在單個(gè)襯底中。功率晶體管形成在復(fù)合襯底中，該復(fù)合襯底包括理想地適用于這兩種晶體管器件的材料層。例如，垂直JFET層可以形成在SiC區(qū)域中，而橫向HEMT器件可以形成在GaN區(qū)域中。在功率晶體管的輸出端子(例如源極端子和漏極端子)被布置在襯底的相反側(cè)上并且功率晶體管控制在它們二者之間流動(dòng)的電流的意義上而言，功率晶體管是“垂直”器件。在存在橫向電流路徑和垂直電流路徑二者的意義上而言，功率晶體管是“準(zhǔn)垂直的”。HEMT控制橫向電流路徑，該橫向電流路徑沿著與半導(dǎo)體本體的第一橫向表面平行的異質(zhì)結(jié)而延伸。JFET控制垂直電流路徑，該垂直電流路徑在半導(dǎo)體本體的垂直方向上延伸穿過漂移層。

該功率晶體管設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的基于GaN的功率晶體管設(shè)計(jì)和/或傳統(tǒng)的基于SiC的功率晶體管設(shè)計(jì)相比提供許多優(yōu)勢(shì)。一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)在于獨(dú)立地調(diào)整HEMT和JFET的參數(shù)的能力。JFET可以被定制以實(shí)現(xiàn)高反向電壓額定值。由于JFET包括形成器件的漂移層的較厚SiC區(qū)域，所以JFET的材料參數(shù)使雪崩擊穿緩解并且因此實(shí)現(xiàn)非常高的反向阻止能力(例如600V或更大)。同時(shí)，可以針對(duì)正向?qū)ㄐ阅軄韮?yōu)化HEMT器件的物理參數(shù)(例如緩沖層厚度、摻雜濃度等)，而無需經(jīng)受關(guān)于反向電壓額定值的折中。此外，可以用于形成JFET的SiC提供用于形成HEMT的GaN材料的外延生長的高質(zhì)量襯底材料的優(yōu)勢(shì)。與諸如硅之類的其它襯底材料相比，用于HEMT的GaN材料的質(zhì)量和缺陷密度得到很大改善。此外，GaN層本身的生長工藝是容易的。此外，可以使用非常薄的GaN層(例如小于1μm)作為緩沖層，這與傳統(tǒng)600V額定器件中使用的5-6μm的厚度相比提供成本效益。

JFET的柵極區(qū)域可以設(shè)置在HEMT緩沖層正下方，使得也將HEMT器件屏蔽以免于可以跨漂移區(qū)域形成的大電場(chǎng)，該JFET的柵極區(qū)域與漂移區(qū)域相反摻雜。雪崩擊穿如果發(fā)生則將出現(xiàn)在JFET的柵極區(qū)域內(nèi)。這改善了器件的防雪崩性。這顯著改善了器件的電流崩塌和動(dòng)態(tài)R_DSON行為。鑒于下面的描述，更多優(yōu)勢(shì)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得顯而易見。

參照?qǐng)D1，描繪了半導(dǎo)體器件100。半導(dǎo)體器件100由半導(dǎo)體本體102形成，半導(dǎo)體本體102具有第一橫向表面104和第二橫向表面106，第二橫向表面106與第一橫向表面104隔開并相反。

半導(dǎo)體本體102包括第一器件區(qū)域108和第二器件區(qū)域110。第一器件區(qū)域108和第二器件區(qū)域110彼此垂直層疊。第一器件區(qū)域108延伸到第二橫向表面106。也就是，第一器件區(qū)域108的下側(cè)在第二橫向表面106處與半導(dǎo)體本體102形成公共邊界。第二器件區(qū)域110延伸到第一橫向表面104。也就是，第二器件區(qū)域110的上側(cè)在第一橫向表面104處與半導(dǎo)體本體102形成公共邊界。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一器件區(qū)域108和第二器件區(qū)域110在半導(dǎo)體本體102內(nèi)的橫向界面處彼此直接鄰接。

第一器件區(qū)域108包括第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)域112和第二導(dǎo)電類型的漂移電流控制區(qū)域114，該第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反。例如，漂移區(qū)域112可以是N型區(qū)域并且漂移電流控制區(qū)域114可以是P型區(qū)域。漂移電流控制區(qū)域114通過漂移區(qū)域112與第二橫向表面106隔開。也就是，漂移區(qū)域112插入在漂移電流控制區(qū)域114與第二橫向表面106之間。

第二器件區(qū)域110包括阻擋層116和緩沖層118。緩沖層118由具有與用于形成阻擋層106的半導(dǎo)體材料不同帶隙的半導(dǎo)體材料形成。也就是，第二器件區(qū)域110包括異質(zhì)結(jié)。在兩種材料之間存在壓電和/或自發(fā)偏振電荷導(dǎo)致沿著緩沖層118與阻擋層116之間的界面出現(xiàn)的二維電荷載流子氣溝道120。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，緩沖層118是GaN層，并且阻擋層116為AlGaN層。

半導(dǎo)體器件100包括導(dǎo)電襯底接觸件122。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，襯底接觸件122從第一橫向表面104延伸穿過第二器件區(qū)域110(即，穿過阻擋層116和緩沖層118)并到達(dá)第一器件區(qū)域108中。導(dǎo)電襯底接觸件122由導(dǎo)電材料形成，諸如多晶硅、銅、鋁、鈦或任意合適合金。襯底接觸件122形成二維電荷載流子氣溝道122與漂移區(qū)域112之間的低電阻連接。例如，襯底接觸件122可以直接鄰接二維電荷載流子氣溝道122和漂移區(qū)域112，從而提供這兩者之間的低歐姆連接。第一導(dǎo)電類型的重?fù)诫s接觸區(qū)域124可以插入在襯底接觸件122與第一器件區(qū)域108之間，從而降低襯底接觸件122與漂移區(qū)域112之間的接觸電阻。此外，可以在襯底接觸件122與漂移區(qū)域112之間提供硅化物以改善接觸電阻。

半導(dǎo)體器件100還包括導(dǎo)電柵極電極126、第一導(dǎo)電輸出接觸件128和第二導(dǎo)電輸出接觸件130。第二導(dǎo)電類型的重?fù)诫s接觸區(qū)域125可以插入在第一導(dǎo)電輸出接觸件128與漂移電流控制區(qū)域114之間，從而降低第一導(dǎo)電輸出接觸128件與漂移電流控制區(qū)域114之間的接觸電阻。

柵極電極126以及第一輸出接觸件128和第二輸出接觸件130由導(dǎo)電材料形成，諸如多晶硅、銅、鋁、鈦或各種合金材料中的任意一種(Au、TiN、TaN、Ti、Ni、Mo、W和任意合適組合)。柵極電極126和第一輸出接觸件128形成在第一橫向表面104上，并且第二輸出接觸件130形成在第二橫向表面106上。如圖1所示，柵極電極126布置在第一橫向表面104之上，而第一輸出接觸件128穿透到半導(dǎo)體本體102中。這是一個(gè)示例性配置，并且可以實(shí)施各種各樣的接觸件配置來實(shí)現(xiàn)所需的電連接性。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一輸出接觸件128與二維電荷載流子氣溝道120和漂移電流控制區(qū)域114歐姆接觸。如圖1所示，第一輸出接觸件128可以形成在延伸到半導(dǎo)體本體102中的凹部(例如刻蝕的開口)中，使得導(dǎo)電襯底接觸件122直接接觸二維電荷載流子氣溝道120和漂移電流控制區(qū)域114二者。

現(xiàn)在將討論由圖1的半導(dǎo)體器件100形成的準(zhǔn)垂直晶體管的工作原理。第一輸出接觸件128和第二輸出接觸件130可以分別形成準(zhǔn)垂直晶體管的源極端子和漏極端子。準(zhǔn)垂直晶體管利用兩個(gè)串聯(lián)連接的晶體管來控制第一輸出接觸件128和第二輸出接觸件130之間的電流流動(dòng)。

第一晶體管由布置在第一器件區(qū)域108中的垂直JFET形成。垂直JFET通過漂移區(qū)域112的第一垂直部分132和漂移電流控制區(qū)域114形成。漂移區(qū)域112的第一垂直部分132與漂移電流控制區(qū)域114橫向相鄰。此外，漂移區(qū)域112的第一垂直部分132通過直接物理接觸或通過可選的接觸區(qū)域124來與襯底接觸件122歐姆接觸?？臻g電荷區(qū)域(即，耗盡區(qū)域)出現(xiàn)在漂移電流控制區(qū)域114與漂移區(qū)域112之間的pn結(jié)134處。可以調(diào)制在漂移區(qū)域112的第一垂直部分132中形成的空間電荷區(qū)域，以控制漂移區(qū)域112中的載流子的流動(dòng)。施加到該pn結(jié)134的足夠數(shù)量的反向偏壓將引起空間電荷區(qū)域跨漂移區(qū)域112的第一垂直部分132橫向擴(kuò)展并且中斷在漂移區(qū)域112中的電流流動(dòng)。以此方式，漂移電流控制區(qū)域114提供垂直JFET的柵極。第一垂直部分132可以具有與漂移區(qū)域112的下側(cè)部分133相同的摻雜濃度。備選地，第一垂直部分132可以具有為漂移區(qū)域112的下側(cè)部分133的摻雜濃度的至少兩倍高的摻雜濃度。該較高的摻雜濃度增強(qiáng)了第一垂直部分132的電流擴(kuò)展能力并且因而降低了垂直JFET的通態(tài)電阻。

第二晶體管由布置在第二器件區(qū)域110中的橫向HEMT形成。該橫向HEMT的柵極由柵極電極126提供。柵極電極126布置在二維電荷載流子氣溝道120正上方，使得二維電荷載流子氣溝道120的傳導(dǎo)狀態(tài)可以受柵極電極126影響。施加到柵極電極126的適當(dāng)偏壓將完成或中斷第一輸出接觸件128與襯底接觸件122之間的傳導(dǎo)路徑。在這種意義下，襯底接觸件122提供橫向HEMT的“漏極”?？蛇x地，如圖1所示，器件100可以被配置有公共漏極配置的兩個(gè)橫向HEMT。

準(zhǔn)垂直晶體管因而被配置用于通過上述兩個(gè)不同的晶體管器件(即，垂直JFET和橫向HEMT)來控制在第一輸出接觸件128與第二輸出接觸件130之間的電流流動(dòng)。該準(zhǔn)垂直晶體管中的電流由橫向HEMT的柵極和垂直JFET的柵極共同控制。準(zhǔn)垂直晶體管僅在垂直JFET和橫向HEMT二者都“導(dǎo)通”時(shí)“導(dǎo)通”(即，提供在第一輸出接觸件128和第二輸出接觸件130之間的導(dǎo)電連接)。

現(xiàn)在將討論用于形成圖1的半導(dǎo)體器件100的方法。根據(jù)該方法，第一器件區(qū)域108完全或部分地通過外延生長工藝形成。外延生長工藝的一個(gè)實(shí)施例包括提供第一導(dǎo)電類型的襯底136。襯底136可以由體半導(dǎo)體材料提供，或備選地，可以由外延生長層形成。隨后，在襯底136上外延生長第一導(dǎo)電類型的場(chǎng)停止層138。場(chǎng)停止層138具有比襯底136低的摻雜濃度。隨后，在場(chǎng)停止層138上外延生長第一導(dǎo)電類型的漂移層140。漂移層140具有比場(chǎng)停止層138低的摻雜濃度。漂移層140和場(chǎng)停止層138共同形成半導(dǎo)體本體102內(nèi)的第一復(fù)合外延層，即，兩個(gè)或更多不同外延層的疊置。

用于形成第一器件區(qū)域108的層的半導(dǎo)體材料可以是具有寬帶隙的半導(dǎo)體材料或者具有與第二器件區(qū)域110的半導(dǎo)體材料類似的帶隙的任意半導(dǎo)體材料。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，襯底136、場(chǎng)停止層138和漂移層140均由SiC形成。

在形成第一器件區(qū)域108之后，漂移電流控制區(qū)域114可以形成在漂移層140的與襯底136相反的頂表面144處。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第二導(dǎo)電類型的摻雜阱142形成在漂移層140中。摻雜阱142可以通過例如在頂表面144中引入摻雜劑(例如通過注入)來形成。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，摻雜阱142的整體摻雜劑濃度高于第一垂直部分132的整體摻雜劑濃度。整體摻雜劑濃度在與頂表面平行的橫向方向上測(cè)量。這允許第一垂直部分132中的電流被夾斷，并因而提供可控制的JFET器件。可選地，也可以將第一導(dǎo)電類型的摻雜劑注入到頂表面144中，使得形成具有比漂移區(qū)域112的下側(cè)部分高的摻雜濃度的第一垂直部分132。

在形成第一器件區(qū)域108之后，第二器件區(qū)域110可以通過其中在第一器件區(qū)域108上外延生長半導(dǎo)體材料的另一外延生長工藝形成。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在第一器件區(qū)域108的SiC材料上形成成核層145。成核層145包括能夠在其上實(shí)現(xiàn)外延生長III型半導(dǎo)體氮化物材料(例如GaN)的金屬氮化物材料(例如AlN)。隨后，在成核層145上形成第二器件區(qū)域110。本外延生長工藝的一個(gè)實(shí)施例包括在成核層145上外延生長半導(dǎo)體材料的本征(即，未摻雜)層。該本征層形成緩沖層118。隨后，在本征層上外延生長半導(dǎo)體材料的摻雜層。該摻雜層形成阻擋層116。半導(dǎo)體材料的本征層和摻雜層共同形成半導(dǎo)體本體102的第二復(fù)合外延層。

第二器件區(qū)域110可以由適于制造半導(dǎo)體器件的各種各樣的半導(dǎo)體材料中的任意半導(dǎo)體材料制成，特別是適于制造高電子遷移率半導(dǎo)體器件的材料制成。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，緩沖層118是未摻雜GaN的外延層。備選地，緩沖層118可以是例如利用碳或鐵特意摻雜的，以增加總體擊穿強(qiáng)度并使泄漏最小化。阻擋層116可以是例如AlGaN的外延層。

通常，使用諸如GaN的III-V半導(dǎo)體材料來形成高電子遷移率半導(dǎo)體器件。利用GaN技術(shù)，偏振電荷和應(yīng)變效應(yīng)的存在導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)二維電荷載流子氣，該二維電荷載流子氣是以非常高的載流子密度和載流子遷移率為特征的二維電子或空穴反型層。諸如2DEG(二維電子氣)或2DHG(二維空穴氣)的二維電荷載流子氣形成器件的溝道區(qū)域。例如1nm-2nm的薄AlN層可以設(shè)置在GaN緩沖層118與合金阻擋層116之間，以使得合金散射最小化并增強(qiáng)2DEG遷移率。如本領(lǐng)域已知的那樣，可以使用III-V半導(dǎo)體材料的其它組合以便形成2DEG或2DHG溝道區(qū)域。通常，可以使用任意異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中能帶階躍是器件概念的原因。例如，在AlGaAs系統(tǒng)中，沒有壓電效應(yīng)，但涉及布置用于限制溝道區(qū)域的量子阱的限制概念是可能的。

在形成第二器件區(qū)域110之后，可以在半導(dǎo)體本體102的第一橫向表面104上形成附加層。例如，可以在第一橫向表面104上形成一個(gè)或多個(gè)鈍化層119。鈍化層119可以由各種各樣的介電絕緣體中的任意介電絕緣體形成，諸如氧化物材料或基于氮化物的電介質(zhì)。

襯底接觸件122和第一輸出接觸件128可以通過刻蝕和沉積的序列來形成。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在鈍化層119上提供掩膜(未示出)。隨后，執(zhí)行掩蔽刻蝕技術(shù)以定義接觸孔，該接觸孔用于形成襯底接觸件122和第一輸出接觸件128?？梢詧?zhí)行刻蝕工藝使得這些接觸孔延伸穿過阻擋層116和緩沖層118。作為結(jié)果，形成襯底接觸件122的接觸孔的底部布置在漂移層140中，并且形成第一輸出接觸件128的接觸孔的底部布置在漂移電流控制區(qū)域114中。重?fù)诫s接觸區(qū)域124可以例如通過將摻雜劑注入到形成襯底接觸件122的接觸孔的底部中來形成。由于與摻雜劑激活相關(guān)聯(lián)的高溫，該注入步驟可以在第二器件區(qū)域110的外延生長之前完成?？梢詧?zhí)行類似的工藝來提高第一輸出接觸件128的接觸電阻。襯底接觸件122和第一輸出接觸件128可以通過在接觸孔中沉積諸如金屬或多晶硅的導(dǎo)電材料來形成。

柵極電極126和第二輸出接觸件130可以根據(jù)包括但不限于沉積、電鍍和掩蔽刻蝕的各種已知技術(shù)中的任意技術(shù)來形成。

圖2至圖4描繪了半導(dǎo)體器件100的附加實(shí)施例。在每種情況下，半導(dǎo)體器件100可以與圖1的半導(dǎo)體器件100相同，除了橫向HEMT的柵極配置。圖1的HEMT被配置為“常通”或負(fù)閾值電壓器件。也就是，在不存在施加到柵極電壓126的任何偏壓的情況下，二維電荷載流子氣溝道120是導(dǎo)電的，因?yàn)槿缦率聦?shí)：在未偏置條件下二維電荷載流子氣自動(dòng)地存在于阻擋層116和緩沖層118之間。在圖2至圖4的半導(dǎo)體器件100中，橫向HEMT被配置為“常關(guān)”或正閾值電壓器件。也就是，HEMT被配置使得當(dāng)半導(dǎo)體器件100處于零柵極偏壓時(shí)二維電荷載流子氣溝道120處于非傳導(dǎo)狀態(tài)。柵極偏壓是指在柵極電極126與第一輸出接觸件128之間測(cè)量的電勢(shì)。該“常關(guān)”方面可以通過例如將特征并入到HEMT的柵極結(jié)構(gòu)中來實(shí)現(xiàn)。

參照?qǐng)D2，HEMT的柵極結(jié)構(gòu)包括插入在柵極電極126和二維電荷載流子氣溝道120之間的半導(dǎo)體材料的摻雜區(qū)域146。在其中阻擋層116和緩沖層118分別由GaN和AlGaN形成的實(shí)施例中，摻雜區(qū)域146可以是例如p型GaN(或AlGaN)的層。摻雜區(qū)域146的摻雜濃度和隔開距離(摻雜區(qū)域146相對(duì)于二維電荷載流子氣溝道120的隔開距離)可以被定制，使得二維電荷載流子氣溝道120由于由摻雜區(qū)域146產(chǎn)生的電場(chǎng)而在零柵極偏壓下是非傳導(dǎo)的。

參照?qǐng)D3，HEMT被配置有凹入的柵極結(jié)構(gòu)。更具體地，在半導(dǎo)體本體102的第一橫向表面104中(例如通過掩蔽刻蝕)已經(jīng)形成凹部。凹部延伸穿過鈍化層119并到達(dá)阻擋層116中。凹部可以部分地或完全地延伸穿過阻擋層116。阻擋層116的一部分的缺乏局部地阻斷在凹部正下方的區(qū)域中的二維電荷載流子氣溝道120。諸如氧化物的介電絕緣體148插入在柵極電極126與二維電荷載流子氣溝道120之間。可以通過施加跨介電絕緣體148的電場(chǎng)(即，施加?xùn)艠O-源極偏壓)來使HEMT導(dǎo)通，以將載流子引至二維電荷載流子氣溝道120的耗盡區(qū)域中并因此完成第一輸出接觸件128和襯底接觸件122之間的電連接。

參照?qǐng)D4，HEMT的柵極結(jié)構(gòu)包括壓電區(qū)域150。壓電區(qū)域150在二維電荷載流子氣溝道120上方形成在第一橫向表面104處或第一橫向表面104附近。代替通過電場(chǎng)機(jī)制控制二維電荷載流子氣溝道120的傳導(dǎo)狀態(tài)，如在大多數(shù)HEMT設(shè)計(jì)中的情況中那樣，圖5的柵極結(jié)構(gòu)利用機(jī)械應(yīng)力來影響二維電荷載流子氣溝道120。在未偏置狀態(tài)下，壓電區(qū)域150可以根據(jù)壓電區(qū)域150的配置來向半導(dǎo)體本體102施加機(jī)械應(yīng)力。該機(jī)械應(yīng)力傳播到二維電荷載流子氣溝道120并阻斷第一輸出接觸件128與襯底接觸件122之間的本征導(dǎo)電連接。HEMT可以通過向壓電區(qū)域150施加電場(chǎng)而被導(dǎo)通，這去除了由壓電區(qū)域150施加的機(jī)械應(yīng)力并且重新建立在第一輸出接觸件128與襯底接觸件122之間的電連接。

圖5描繪了半導(dǎo)體器件100的另一實(shí)施例。半導(dǎo)體器件100可以與圖1的半導(dǎo)體器件100相同，除了漂移電流控制區(qū)域114的配置和幾何形狀。在圖1的實(shí)施例中，漂移電流控制區(qū)域114完全跨第一輸出接觸件128的底側(cè)延伸。因而，在第一輸出接觸件128與漂移區(qū)域112之間沒有直接接觸。在圖5的實(shí)施例中，漂移電流控制區(qū)域114僅部分地跨第一輸出接觸件128的底側(cè)延伸，使得第一輸出接觸件128的一部分直接接觸漂移區(qū)域112。在該配置中，漂移區(qū)域112的第二垂直部分152延伸到第一輸出接觸件128。漂移區(qū)域112的第二垂直部分152與第一輸出接觸件128形成肖特基結(jié)。因而，低正向偏置的肖特基二極管154被連接在準(zhǔn)垂直晶體管的源極電極和漏極電極之間。

現(xiàn)在將討論這里描述的準(zhǔn)垂直晶體管的優(yōu)勢(shì)中的一些優(yōu)勢(shì)。準(zhǔn)垂直晶體管的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)在于大多數(shù)反向阻止能力歸因于垂直JFET，而不是橫向HEMT。當(dāng)器件100處于反向阻止模式中時(shí)，大多數(shù)電勢(shì)跨漂移區(qū)域112分布。由襯底接觸件122提供的橫向HEMT的“漏極”被遮蔽免于在漂移區(qū)域112中出現(xiàn)的電場(chǎng)。例如，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，漂移電流控制區(qū)域114在第二器件區(qū)域110下方延伸至少二維電荷載流子氣溝道120的橫向長度的50％。由漂移電流控制區(qū)域114產(chǎn)生的該遮蔽效果保護(hù)緩沖層118免于在大反向偏壓下可以出現(xiàn)在漂移區(qū)域112中的潛在破壞性的電場(chǎng)。因而，橫向HEMT不需要被設(shè)計(jì)為耐受大阻止電壓。與此同時(shí)，可以利用橫向HEMT的有利特性來提供具有快速切換時(shí)間、低R_DSON和抗電流崩塌性的功率半導(dǎo)體器件100。HEMT器件的這些屬性優(yōu)于例如常規(guī)SiC MOSFET，因?yàn)镾iC技術(shù)由于沿器件的SiO₂-SiC界面形成的反型溝道中載流子的相對(duì)較低遷移率而遭受相對(duì)較高R_DSON的缺陷。

用于形成JFET的SiC材料的有利物理特性和相對(duì)較厚的漂移區(qū)域112產(chǎn)生能夠耐受相當(dāng)大電壓的器件。JFET可以在經(jīng)歷雪崩擊穿條件之前耐受被設(shè)計(jì)用于例如大約600V或更高的任意電壓，該雪崩擊穿條件是關(guān)于電壓阻止能力的基本限制因素。此外，JFET的參數(shù)可以被定制用于最佳反向阻止能力，而無需對(duì)橫向HEMT的參數(shù)的任何修改。影響反向阻止能力的JFET的示例參數(shù)包括漂移區(qū)域112的厚度、漂移電流控制區(qū)域114的摻雜濃度、形成漂移電流控制區(qū)域114的阱142的深度(如圖1所示的(D1))以及例如在漂移電流控制區(qū)域114的相鄰區(qū)域之間的隔開距離(如圖1所示的(D2))。

器件100的另一優(yōu)勢(shì)涉及可擴(kuò)展性。例如，可以通過簡單地調(diào)整JFET的參數(shù)，而無需對(duì)橫向HEMT的任何修改，來實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用要求(例如，反向電壓額定值、R_DSON等)。也就是，可以擴(kuò)展JFET，而橫向HEMT的特征和對(duì)應(yīng)性能保持不變。因此該設(shè)計(jì)提供在最小設(shè)計(jì)成本下適于各種不同應(yīng)用的成本有效的模版。

由于準(zhǔn)垂直晶體管的整個(gè)反向阻止能力歸因于JFET，所以可以優(yōu)化橫向HEMT用于其它考慮，諸如通態(tài)性能和成本。例如，與在硅或碳化硅襯底上按照公知方式生長的相當(dāng)反向阻止額定值的HEMT相比，可以大大減小緩沖層118的厚度。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，緩沖層118具有少于2μm、諸如1μm的厚度(如在垂直方向上測(cè)量)。在本實(shí)施例中，可以定制JFET的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)用于至少600V的準(zhǔn)垂直晶體管的總體反向阻止額定值。通過比較，傳統(tǒng)橫向HEMT中的相當(dāng)反向阻止額定值要求大約6μm的緩沖層118的厚度，傳統(tǒng)橫向HEMT即不包括以這里所述方式結(jié)合到襯底中的基于SiC的JFET結(jié)構(gòu)的橫向HEMT。該緩沖層118的厚度的減小也有利地減少了制造該器件的時(shí)間和代價(jià)。

可以容易地制造準(zhǔn)垂直晶體管以包括具有低正向電壓降的本體二極管。如參照?qǐng)D5的實(shí)施例所說明的那樣，在第一輸出接觸件128與漂移層140的第二垂直部分152之間的整流結(jié)提供用于該器件的肖特基二極管154。該肖特基二極管154提供在準(zhǔn)垂直晶體管的源極和漏極之間的低正向偏置的內(nèi)建二極管。由于漂移層140的低摻雜濃度和SiC的特性，正向電壓降可以在例如約1V的范圍內(nèi)。通過對(duì)比，在常規(guī)HEMT器件中形成的本體二極管通常具有至少3V的正向電壓降。

圖6描述了根據(jù)另一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件100。半導(dǎo)體器件100被相同地配置為圖1的半導(dǎo)體器件100，除了半導(dǎo)體器件100中的最下層的摻雜類型。在圖6的半導(dǎo)體器件100中，第二導(dǎo)電類型的層137(例如p型層)被布置在漂移層140和最下輸出接觸件131之間。第二導(dǎo)電類型的層137延伸到第二橫向表面106，并因而直接接觸最下輸出接觸件131。(除了第一導(dǎo)電類型的襯底136或代替第一導(dǎo)電類型的襯底136)通過在半導(dǎo)體器件100中結(jié)合第二導(dǎo)電類型的層137，可以實(shí)現(xiàn)雙極晶體管器件，其中第二導(dǎo)電類型的層137提供器件的集電極側(cè)，并且最下輸出接觸件131提供集電極端子。

圖7示意性地示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括HEMT 202和JFET 204的電路200。電路200可以由根據(jù)這里所述實(shí)施例中的任一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件100形成，其中HEMT 202由橫向HEMT提供，并且JFET 204由集成在同一襯底中的垂直JFET提供。在圖7的電路200中，HEMT 202和JFET 204以級(jí)聯(lián)配置來布置。也就是，電路200具有由例如橫向HEMT提供的公共發(fā)射極或公共源極級(jí)，其與由例如JFET提供的公共基極或公共柵極級(jí)組合。電路200還包括被連接在JFET 204和高電子遷移率晶體管202的輸出端子之間的本體二極管206。本體二極管206可以通過這里所述的低正向偏置的肖特基二極管154提供。

JFET 204的夾斷電壓低于HEMT 202的擊穿電壓。這防止HEMT 202進(jìn)入雪崩條件，并因而電路200的擊穿電壓的可控性高。此外，HEMT 202的溝道中的載流子的遷移率大于JFET 204的溝道中的載流子的遷移率。而且，HEMT 202的泄漏電流高于JFET 204的泄漏電流。這些特性歸因于用于形成JFET 204和HEMT 202(例如分別為SiC和GaN)的材料的固有特性和/或JFET 204和HEMT 202的物理特性的適當(dāng)參數(shù)化(例如摻雜濃度、層厚度、間隔距離等)。在JFET 204和HEMT 202可以進(jìn)入阻止?fàn)顟B(tài)之前，這兩個(gè)器件的輸出電容都必需充電。每個(gè)器件的泄漏是與這些輸出電容并聯(lián)的等效電阻。一旦輸出電容被充分充電，HEMT 202的輸出電壓就將升高。在這種狀態(tài)下，可以容易地達(dá)到HEMT 202的擊穿電壓，這損害HEMT 202。有利地，HEMT可以被配置有相對(duì)較大的泄漏電流，使得避免該擊穿條件。

術(shù)語HEMT也統(tǒng)稱為HFET(異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、MODFET(調(diào)制摻雜FET)和MESFET(金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。術(shù)語HEMT、HFET、MESFET和MODFET在這里互換使用，以指代任何基于III族氮化物的復(fù)合半導(dǎo)體晶體管，其并入具有不同帶隙的兩種材料之間的結(jié)(即，異質(zhì)結(jié))作為溝道。例如，GaN可以與AlGaN或InGaN結(jié)合以形成電子氣反型區(qū)域作為溝道。復(fù)合半導(dǎo)體器件可以具有AlInN/AlN/GaN阻擋層/間隔層/緩沖層118結(jié)構(gòu)。通常，可以使用諸如GaN的任意適合III族氮化物技術(shù)來實(shí)現(xiàn)常關(guān)復(fù)合半導(dǎo)體晶體管，其由于壓電效應(yīng)而允許形成相反極性的反型區(qū)域。

術(shù)語“歐姆接觸”或“電連接”或“電接觸”描述具有線性電流-電壓(I-V)特性的兩個(gè)導(dǎo)體之間的永久非整流電結(jié)，如歐姆定律一樣。相比之下，術(shù)語“電耦合”是指在電耦合元件之間提供被配置為以一些有形的方式影響電信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)中間元件。這些中間元件包括諸如晶體管的有源元件以及諸如電感器、電容器、二極管、電阻器等的無源元件。

本說明書中使用的術(shù)語“橫向”旨在描述與半導(dǎo)體襯底或本體的第一或主表面基本平行的定向。這可以例如是晶片或裸片的表面。

本說明書中使用的術(shù)語“垂直”旨在描述與半導(dǎo)體襯底或本體的第一表面基本布置成垂直、即與第一表面的法線方向平行的定向。

在本說明書中，半導(dǎo)體本體的半導(dǎo)體襯底的第二表面被視為由下表面或背側(cè)表面形成，而第一表面被視為由半導(dǎo)體襯底的上表面、正表面或主表面形成。因此考慮到該定向，本說明書中使用的術(shù)語“之上”和“之下”描述結(jié)構(gòu)特征相對(duì)于另一結(jié)構(gòu)特征的相對(duì)位置。

在本說明書中，n摻雜稱為第一導(dǎo)電類型，而p摻雜稱為第二導(dǎo)電類型。備選地，半導(dǎo)體器件可以形成有相反摻雜關(guān)系，使得第一導(dǎo)電類型可以是p型而第二導(dǎo)電類型可以是n型。此外，一些圖通過在摻雜類型附近指示“^-”或“⁺”來圖示相對(duì)摻雜濃度。例如，“n^-”是指低于“n”摻雜區(qū)域的摻雜濃度的摻雜濃度，而“n⁺”具有比“n”摻雜區(qū)域的摻雜濃度高的摻雜濃度。然而，除非另外陳述，否則指示相對(duì)摻雜濃度并不意味著同一相對(duì)摻雜濃度的摻雜區(qū)域必需具有相同的絕對(duì)摻雜濃度。例如，兩個(gè)不同的n⁺摻雜區(qū)域可以具有不同的絕對(duì)摻雜濃度。這同樣適用于例如n⁺摻雜區(qū)域和p⁺摻雜區(qū)域。

本說明書中使用的術(shù)語“功率半導(dǎo)體器件”旨在描述具有高電壓和/或高電流切換能力的單個(gè)芯片上的半導(dǎo)體器件。換言之，功率半導(dǎo)體器件具有通常在一安培或多安培的范圍內(nèi)的高電流和/或通常在100V以上、更通常在400V以上的高電壓。

為便于描述，使用諸如“下方”、“之下”、“下”、“上方”、“上”等的空間相對(duì)術(shù)語來說明一個(gè)元件相對(duì)于第二元件的定位。除了與圖中描述的定向不同的定向之外，這些術(shù)語用于涵蓋器件的不同定向。此外，諸如“第一”、“第二”等的術(shù)語也被用于描述各種元件、區(qū)域、部分等并且也不用于進(jìn)行限制。貫穿說明書，相同的術(shù)語指代相同的元件。

如這里所使用的，術(shù)語“具有”、“包含”、“包括”、“含有”等是開放式術(shù)語，其指示所述元件或特征的存在，但并不排除附加元件或特征。除非上下文另外明確指示，否則冠詞“一個(gè)”、“一”和“該”用于包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)。

考慮到變化和應(yīng)用的上述范圍，應(yīng)理解到，本發(fā)明并不受前面描述的限制，也不受附圖的限制。相反，本發(fā)明僅受以下權(quán)利要求及其合法等同物限制。