[发明专利]一种混合沟道化合物半导体器件

说明书

本发明专利公开了一种混合沟道化合物半导体器件，其中器件的凹槽状栅电极通过控制垂直和横向两种电子沟道，实现常闭型化合物半导体器件。本器件避免了在功率模块中使用常开型化合物半导体晶体管带来的高压短路风险，能够安全的充分发挥化合物半导体晶体管在功率电子中的高效率、耐高压的优势。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种混合沟道化合物高压器件。

背景技术

功率电子开关模块被广泛应用到电力电子、电源中，是目前直流/直流、交流/直流转换中基础的功能模块。

传统的固态功率电子开关模块采用硅材料实现。其性能由于硅材料基本性质的约束，在模块效率、散热、速度等方面已经接近了提高的极限。

采用化合物半导体材料，如氮化镓，来构建功率电子开关模块已经是电力电子业界的发展趋势。这是由于化合物半导体材料具有高耐压、低电阻、低电容的特点，比硅有成百上千倍的性能提高潜力。

化合物半导体功率电子模块面临一个硅材料模块中没有的挑战——即常闭型的化合半导体功率晶体管难获得。大部分化合物半导体晶体管是常开型器件。仅使用常开型化合物半导体器件构建功率模块的缺点是，模块安全性得不到保障。

具体来说，就是对常开型器件，需要给控制端提供负电压，才能保证器件关断。在系统尚未通电的自然状态，常开型器件是导通的。这就导致，在负电压控制模块失效的情况下，存在常开型器件不能阻断高压，提供了一个从高压到地极的通路，可能造成系统短路烧毁等危险情况。

为解决这一问题，一种解决方案是制造常闭型化合物半导体晶体管。化合物半导体器件公司，都在极力尝试这一途径。例如，美国发明专利US8193562B2，描述了一种采用P型栅技术达到常闭型化合物半导体功率晶体管的结构。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够有效解决具有正阈值电压的增强型化合物高压器件。

一种混合沟道化合物场效应晶体管，包括衬底和在所述衬底上依次层叠设置的缓冲层、第一沟道层、第一势垒层、第二沟道层、第二势垒层；

从所述第二势垒层的上表面设有贯穿至不超过所述第一势垒层的下表面的凹槽状的栅极沉积区，并在所述栅极沉积区的两侧分别设有贯穿至不超过所述第二势垒层的下表面形成的源极沉积区，和从所述第二势垒层的上表面贯穿至不超过所述第一势垒层下表面的漏极沉积区；

所述混合沟道化合物场效应晶体管还包括栅介质层、栅极层、源极层和漏极层，其中，所述栅介质层覆盖在所述栅极沉积区的底面及侧面上并向两侧延伸至所述第二势垒层的上方；

所述栅极层从所述栅极沉积区一侧的所述栅介质层的上方，沿所述栅介质层延伸至另一侧的所述栅介质层的上方；

所述源极层和所述漏极层分别从所述源极沉积区的底部和所述漏极沉积区的底部沿相应的侧面延伸至所述势垒层的上方；

在其中一个实施例中，在所述的源极沉积区一侧，排列了多于一个的凹槽状的栅极沉积区和源极沉积区。

在其中一个实施例中，所述的源极沉积区形成一个二维阵列，在所述二维阵列之间由凹槽状的栅极沉积区间隔开来。

在其中一个实施例中，所述源极沉积区以及周边的半导体被所述的凹槽状栅极沉积区间隔成单元水平截面是但不限于圆形、方形、及六边形的二维阵列。

在其中一个实施例中，第一势垒层的厚度为2纳米到100纳米。

在其中一个实施例中，第一势垒层包含Al_xGa_1-xN材料，其中x在0到1之间，包括0和1本身。

在其中一个实施例中，第一沟道层包含GaN材料。