[发明专利]宽能带隙半导体横向沟槽场效应晶体管及制造方法

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以及2004年12月1日提交的、题为“Normally-Off Integrated JFET PowerSwitches in Wide Bandgap Semiconductors and Methods ofMaking(宽能带隙半导体的常关集成JFET功率开关以及制造方法)”的美国专利申请11/000,222相关。通过引用将上述每个申请都完全合并于此。 

技术领域

本发明总的涉及具有垂直沟道的横向场效应晶体管(FET)，具体地说，涉及宽能带隙半导体材料中形成的这种晶体管。本发明还涉及包含这种晶体管的单片集成电路。

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。SiC电力整流器和RF晶体管目前可在市场上购买到，SiC功率开关以及GaN微波晶体管预计在不久的将来就会在市场上出现。

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的单片CMOS集成器件和制造该集成器件的方法已在2002年中授予了专利[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，一些问题限制了基于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。第一个问题是由于SiC至SiO₂的导带偏移远比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显著。其它问题包括：由于SiC/SiO₂界面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。

用于SiC IC的另一个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密切关注(例如[8])，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[9])。

MOSFET和MESFET方案的替换方案是使用基于横向JFET的IC。采用凹陷式栅极结构的垂直沟道JFET的例子可以在美国专利4587712[10]中见到。SiC中形成的横向JFET的例子可以在美国专利5264713[11]中见到。还报告了具有电阻负载的增强模式JFET数字IC[12]。基于JFET的IC也可以用互补形式(如美国专利6503782[13]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。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[14]。这种方案的主要缺陷是难以实现用于智能功率电子设备的低电压控制电路与功率开关的单片集成。

发明内容

根据第一实施例，提供了一种结型场效应晶体管，其包括：

具有相反的第一和第二主表面的衬底；

在衬底的第一主表面上的n型半导体材料的漏极层；

n型半导体材料的漂移层，其在漏极层上，且与漏极层不同延(non-coextensive)，从而使漏极层的部分暴露，该漂移层的电导率低于 漏极层的电导率；

在漏极层上相互间隔开的一个或多个分立凸起区域，每个凸起区域包括漂移层上的n型半导体材料的沟道区以及沟道区上的n型半导体材料的源极区，源极区的材料的电导率高于沟道区的材料的电导率；

在漂移层上邻近所述一个或多个凸起区域的p型半导体材料的栅极区，其与漂移层和沟道区的n型材料形成整流结；以及

在栅极区和源极区上以及在漏极层的暴露部分上的欧姆触点。

根据该实施例，源极区可以与沟道区同延。

根据第二实施例，提供了一种半导体器件，其包括：

具有相反的第一和第二主表面的衬底；以及

分别在衬底的第一主表面上的分立位置处的第一和第二结型场效应晶体管，每个结型场效应晶体管包括：