[发明专利]III-氮化物器件的集成设计

说明书

一种半导体器件包括III‑N器件和场效应晶体管(FET)。III‑N器件包括III‑N材料结构的第一侧上的衬底，III‑N材料结构的与衬底相对的侧上的第一栅极、第一源极和第一漏极。FET包括第二半导体材料结构、第二栅极、第二源极和第二漏极，并且第二源极在第二半导体材料结构的与第二漏极相对的侧上。FET的第二漏极直接接触且电连接到III‑N器件的第一源极，且通孔穿过暴露出衬底的顶表面的部分的III‑N材料结构的部分形成，且第一栅极经由通孔电连接到衬底。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年3月21日提交的美国临时申请序列No.62/821,946的优先权。

技术领域

所公开技术涉及设计成实现增加的性能和可靠性的半导体电子器件。

背景技术

当前，典型的功率半导体器件(包括诸如晶体管、二极管、功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等器件)是使用硅(Si)半导体材料制造。特别是近年来，由于宽带隙材料(SiC、III-N、III-O、金刚石)具有优良性质，已考虑将其用于功率器件。III-氮化物或III-N半导体器件(诸如氮化镓(GaN)器件)现出现作为有吸引力的候选以携载大量电流，支持高电压且提供具有快速切换次数的极低导通电阻。

最常规的III-N高电子迁移率晶体管(HEMT)和相关的晶体管器件通常为导通的(即，具有负阈值电压)，这意味着其可传导零栅极电压下的电流。具有负阈值电压的这些器件被称为耗尽模式(D型)器件。在功率电子器件中具有不传导零栅极电压下的大量电流的常闭器件(即，具有正阈值电压的器件)为优选的，以通过防止器件的意外导通来避免对器件或对其他电路部件的损害。常闭器件通常被称为增强模式(E型)器件。

高电压III-N E型晶体管的可靠制造和生产因此在很大程度上被证明为极有难度的。单个高电压E型晶体管的一个替选为将高电压D型III-N晶体管与低电压E型晶体管(例如图1的示意图中所示的叠接(cascode)电路配置的低电压硅FET)组合以形成混合型器件，其可以与单个高电压E型III-N晶体管相同的方式操作，并且在许多情况下实现与单个高电压E型III-N晶体管相同或类似的输出特性。图1的混合型器件包括可选地均可装入单个封装10中的高电压D型III-N晶体管23和低电压E型晶体管22，封装包括源极引线11、栅极引线12和漏极引线13。低电压E型晶体管22的源极电极31和高电压D型III-N晶体管23的栅极电极35电连接到源极引线11。低电压E型晶体管22的栅极电极32电连接到栅极引线12。高电压D型III-N晶体管23的漏极电极36电连接到漏极引线13。高电压D型III-N晶体管23的源极电极34电连接到低电压E型晶体管22的漏极电极33。低电压E型晶体管22包括反向平行于晶体管22的沟道的本征体二极管37。

发明内容

本文中描述III-N器件的集成设计，其中低电压增强模式器件和高电压耗尽模式III-N器件集成到单个电子部件封装中以形成混合型器件，其可以相同方式操作和/或具有与单个高电压E模式III-N晶体管相同的输出特性。在不必区分的情况下，术语器件将通用于任何晶体管或开关或二极管。

在第一方面中，描述一种半导体器件。半导体器件包括III-N器件和场效应晶体管(FET)。III-N器件包括III-N材料结构的第一侧上的衬底，III-N材料结构的与衬底相对的侧上的第一栅极、第一源极和第一漏极。FET包括第二半导体材料结构、第二栅极、第二源极和第二漏极，并且第二源极在第二半导体材料结构的与第二漏极相对的侧上。FET的第二漏极直接接触III-N器件的第一源极且电连接到III-N器件的第一源极，并且通孔穿过暴露出衬底的顶表面的部分的III-N材料结构的部分而形成，并且第一栅极至少部分地形成于通孔中且电连接到衬底。