[发明专利]宽能带隙半导体的常关集成JFET功率开关及其制造方法

说明书

本申请与2004年7月8日提交的美国专利申请60/585,881和在2004年12月1日提交的、题为“Lateral Trench Field-Effect Transistorsin Wide Bandgap Semiconductor Materials，Methods of Making，andIntegrated Circuits Incorporating the Transistors(宽能带隙半导体材料的横向沟槽场效应晶体管，制造方法以及包含该晶体管的集成电路)”的美国专利申请10/999,954相关。通过引用将上述每个申请都完全合并于此。

技术领域

本发明总的涉及场效应晶体管(FET)，具体地说，涉及这种用宽能带隙半导体材料中形成的晶体管。此外，本发明还涉及包括低压控制电路的单片和混合集成电路以及利用上述晶体管建立的功率开关。

背景技术

宽能带隙半导体材料(E_G＞2eV)如碳化硅(SiC)或第III族氮化物化合物半导体(例如氮化镓GaN)对于用在高功率、高温度和/或抗辐射电子设备中是非常有吸引力的。功率晶体管和控制电路在单芯片或多芯片宽能带隙功率半导体模块中的单片或混合式集成对这种应用是高度期望的，以便可以提高该系统的效率和可靠性。

SiC智能功率技术近年来成为讨论的话题，但是科学上的调查有限。所提出的解决方案在功率开关和控制电路的操作方面都遭到置疑。

由于材料特性和处理技术的本质区别，传统的Si或GaAs集成电路(IC)技术如互补金属-氧化物-半导体(CMOS)或直接耦合FET逻辑电路(DCFL)在大多数情况下不能容易地转用于宽能带隙半导体工业。在过去十来年中已经报告了对制造SiC NMOS和CMOS数字和模拟IC的若干尝试(例如[1]，[2])。SiC中的单片CMOS集成器件和制造该集成器件的方法在美国专利6344663中公开，[3]。此外，SiC横向DMOS场效应晶体管(LDMOSFET)的最新进展(例如[4]-[5])理论上使得能够在智能功率电子设备中使用基于MOSFET的控制电路和功率开关的单片集成。但是，多种问题限制了基于MOSFET的SiC集成电路在需要高温和/或能耐受辐射的应用中的使用。第一个这样问题是由于SiC至SiO₂的导带偏移远比的硅的导带偏移小而导致的开(on)状态绝缘体可靠性[6]、[7]。这个问题在高温和过度辐射环境中变得更为明显。其它问题包括：由于SiC/SiO₂界面上的高界面状态密度和绝缘体中的高固定电荷密度而导致的低反向沟道迁移率；以及由于界面状态的离子化而导致阈值电压随着温度而明显漂移。

用在SiC智能功率电子设备中的另一种候选晶体管，SiC双极结型晶体管(BJT)，也遭遇了与界面相关的问题，如在发射极和基极之间的表面上的高复合速度导致低电流增益和高控制损耗。

用在SiC智能功率电子设备中的另一种候选晶体管是金属半导体场效应晶体管(MESFET)。尽管SiC MESFET单片微波集成电路(MMICS)在过去十来年受到了广泛注意(例如[6])，但是几乎没有公布对建立SiCMESFET逻辑电路和模拟电路的尝试(例如[7])。

MOSFET和MESFET方案的替换方案是使用以互补形式(如美国专利6503782[8]中公开的n型和p型沟道)或者增强耗尽(n型沟道)形式来实施的基于横向JFET的集成电路。已经证明SiC JFET能耐受辐射，同时表明阈值电压随着温度的漂移很不明显。近年来已经发表了在开发高温常开功率垂直结型场效应晶体管(VJFET)过程中令人鼓舞的结果(例如[9])。但是，尽管有着优异的电流传导性和电压阻断性能，这些晶体管的主要缺陷是它们是“常开”器件。在系统级别上，这通常要求额外的(负)供电电压和短路保护。