[发明专利]多沟道晶体管

说明书

一种场效应晶体管(FET)，包括多个实质上平行的导电沟道(252，254)和至少一个导电插塞(209)，该插塞贯穿多个导电沟道中的至少两个并且与所述多个导电沟道中的至少两个形成欧姆连接。

相关申请

本申请根据35U.S.C 119(e)要求于2013年1月15日提交的美国临时申请61/752647的权益。该在先申请的内容和公开通过引用的方式全部并入本文中。

技术领域

本发明的实施例涉及场效应晶体管。

背景技术

许多不同的产品和系统，包括雷达系统、电机控制器、不间断电源(UPS)系统和例如空调、洗衣机和电动车辆的日用消费品，需要通常由高压电源提供的相当大量的电力。各种类型的半导体场效应晶体管(FET)通常用作半导体电路中的功率开关，提供电路所需的开关功能以将电源连接到产品和系统。

FET通常包括用于将电源连接到负载的、被称为“源极”和“漏极”的端子、以及位于源极和漏极之间的被称为“栅极”的端子，该栅极用于控制电流的电阻，该电流运载FET中位于源极和漏极之间的栅极之下的“沟道”(或者可替代的“导电沟道”)。被施加到栅极上的、相对于公共地电压在FET中生成电场，该电场控制沟道电阻以导通(ON)或者关断(OFF)晶体管。在导通时，沟道电阻减小，这使得较大的“导通电流”在源极和漏极之间流动。当晶体管导通时源极和漏极之间的总电阻被称为晶体管的“导通电阻”或“R_DS(ON)”。R_DS(ON)取决于沟道的电阻、源极附近以及其下的FET区域的电流的电阻和漏极附近以及其下的FET区域的电阻。源极和漏极附近以及其下区域通常分别被称为“源极接入区”和“漏极接入区”。

FET开关的有益特征在于：当其关断时具有相对高的击穿电压、当其导通时源极和漏极之间具有高导通电流以及具有相对低的栅极和漏极漏泄电流。

例如，对于电动车辆、UPS或者光伏逆变器中使用的FET功率开关而言，可能有益的是，在关断时具有等于或者大于约600V(伏特)的击穿电压、栅极周边的小于约100μA/mm(微安/毫米)的漏极漏泄电流。在导通时，有利的是，开关具有相对小的导通电阻，该导通电阻在栅极周边小于或等于约10Ohm/mm并且能够安全地支撑大于或等于约50A(安培)的漏极电流。

如GaN(氮化镓)和AIN(氮化铝)之类的基于氮化物的半导体材料的特征在于：分别为3.4eV(电子伏特)和6.2eV的相对大的带隙。材料的大带隙有利于提供具有相对大的击穿电压和低的反向偏置电流的半导体器件。该材料已被用于制造大功率、平面功率FET，其表现出快速的开关时间、相对大的击穿电压并且支持大的源极至漏极的电流。

具有包括窄带隙“沟道”层且毗连宽带隙“电子供应”层的氮化物半导体层结构的FET生成相对高浓度的电子，所述电子被从电子供应层提供，并且积聚在位于沟道层中在沟道层与电子供应层结面附近的窄的三角势阱中。积聚的电子形成高流动性的电子的相对薄的、片状的集中，其特征在于高饱和漂移速度，这被称为二维电子气(2DEG)。因为2DEG的几何结构和位置，2DEG中的电子通常证明具有非常低的施主杂质散射，以及因此具有相对高的电子迁移率，例如等于约1.5×10⁷cm/s(厘米/秒)。2DEG中的电子浓度可以高达1×10¹³/cm²。

为了便于描述，形成了2DEG的沟道层的部分在本文中被称作“2DEG电流沟道”。

通过产生和控制2DEG中的高迁移率的电子以用作导通电流来运行的FET晶体管被通常称为高电子迁移率晶体管或“HEMT”。包括了表征这些晶体管的不同成分的相邻层的半导体层结构被称为“异质结构”，并且不同的成分的两个相邻层之间的结面被称为“异质结”。这样，HEMT可以被替代地称为“异质结构FET”(“HFET”)。