CN102738227B - SiC半导体功率器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及SiC半导体功率器件。一种半导体功率器件包括SiC半导体主体。所述SiC半导体主体的至少一部分构成一个漂移区。第一接触件处于SiC半导体主体的第一侧。第二接触件处于SiC半导体主体的第二侧。第一侧与第二侧相对。第一接触件与第二接触件之间的电流路径包括至少一个石墨烯层。

Description

SiC半导体功率器件
背景技术
碳化硅（SiC）由于SiC的高导热性和宽带隙而被广泛用于高温/高电压半导体电子装置。特定的接通状态电阻Ron x A是SiC功率半导体器件的一个关键参数。希望改进SiC垂直功率半导体器件的特定接通状态电阻Ron x A。
发明内容
根据垂直半导体功率器件的一个实施例，所述垂直半导体功率器件包括SiC半导体主体。SiC半导体主体的至少一部分构成一个漂移区。所述垂直半导体功率器件还包括处于SiC半导体主体的第一侧的第一接触件和处于SiC半导体主体的第二侧的第二接触件。第一侧与第二侧相对。第一接触件与第二接触件之间的电流路径包括至少一个石墨烯层。
根据垂直半导体功率器件的另一个实施例，所述垂直半导体功率器件包括SiC半导体主体。SiC半导体主体的至少一部分构成一个漂移区。所述垂直半导体功率器件还包括处于SiC半导体主体的第一侧的第一接触件和处于SiC半导体主体的第二侧的第二接触件。第一侧与第二侧相对。所述垂直半导体功率器件还包括处于第一侧的侧向（lateral）沟道区段。所述侧向沟道区段包括至少一个石墨烯层。
根据垂直半导体功率器件的另一个实施例，所述垂直半导体功率器件包括SiC半导体主体。SiC半导体主体的至少一部分构成一个漂移区。所述垂直半导体功率器件还包括处于SiC半导体主体的第一侧的第一接触件和处于SiC半导体主体的第二侧的第二接触件。第一侧与第二侧相对。所述垂直半导体功率器件还包括从第二侧延伸到SiC半导体主体中的多条沟槽。在所述多条沟槽的侧壁的至少一部分上设置至少一个石墨烯层。
根据侧向半导体功率器件的一个实施例，所述侧向半导体功率器件包括SiC半导体主体。SiC半导体主体的至少一部分构成一个漂移区。所述侧向半导体功率器件还包括处于SiC半导体主体的第一侧的源极接触件和处于SiC半导体主体的第一侧的漏极接触件。所述沟道区段包括至少一个石墨烯层。所述侧向半导体功率器件被配置成阻断至少500V的反向电压，并且在主体区段与漏极接触件之间具有至少5μm的侧向距离。
在阅读下面的详细描述时以及在查看附图时，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。
附图说明
附图被包括以提供对本发明的进一步理解并且被合并到本说明书中并且构成其一部分。附图示出了本发明的实施例并且与描述一起用来解释本发明的原理。将容易认识到本发明的其他实施例以及本发明的许多意定优点，因为它们通过参照下面的详细描述而变得更好理解。附图的元件不一定是相对于彼此按比例绘制的。相同的附图标记指代相应的类似部件。除非它们彼此排斥，否则所示出的各个实施例的特征可以相组合。在附图中描绘并且在下面的描述中详述实施例。
图1是SiC垂直半导体功率器件的一个实施例的示意图，其沿着处于半导体主体的第一侧的第一接触件与处于半导体主体的第二侧的第二接触件之间的电流路径包括至少一个石墨烯层。
图2A是SiC垂直半导体功率器件的一个实施例的示意图，其包括处于半导体主体的第一侧的第一接触件与处于半导体主体的第二侧的第二接触件之间的电流路径，其中被设置在从第二侧延伸到半导体主体中的沟槽的侧壁处的至少一个石墨烯层构成所述电流路径的一部分。
图2B是图2中所示的SiC垂直半导体功率器件的第二侧的一个实施例的示意性平面图。
图3是SiC垂直半导体功率器件的一个实施例的示意图，其在SiC半导体主体的一个多孔部分内的空隙表面处包括至少一个石墨烯层，其中所述至少一个石墨烯层构成处于半导体主体的第一侧的第一接触件与处于半导体主体的第二侧的第二接触件之间的电流路径的一部分。
图4是SiC垂直半导体功率器件的一个实施例的示意图，其包括处于半导体主体的第一侧的第一接触件与处于半导体主体的第二侧的第二接触件之间的电流路径，其中处于第一侧的至少一个石墨烯层构成一个沟道区段。
图5是SiC垂直半导体功率器件的一个实施例的示意图，其包括处于半导体主体的第一侧的第一接触件与处于半导体主体的第二侧的第二接触件之间的电流路径，其中至少一个石墨烯层构成处于第一侧的侧向沟道区段以及漂移区的一部分。
图6是SiC垂直半导体功率器件的一个实施例的示意图，其包括处于半导体主体的第一侧的第一接触件与处于半导体主体的第二侧的第二接触件之间的电流路径，其中被设置在第一和第二沟槽的侧壁处的至少一个石墨烯层构成所述电流路径的一部分。
图7是SiC侧向半导体功率器件的一个实施例的示意图，其中至少一个石墨烯层构成侧向沟道区段。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参照形成本说明书的一部分的附图，在附图中通过说明的方式示出了其中可以实践本发明的特定实施例。在这方面，参照所描述的（一个或多个）附图的指向使用了诸如“顶部”、“底部”、“正面”、“背面”、“在前”、“在后”等等的方向术语。由于实施例的组件可以被定位在若干种不同的指向中，因此所述方向术语被用于说明的目的而绝非进行限制。要理解的是，在不背离本发明的范围的情况下可以利用其他实施例并且可以做出结构或逻辑上的改变。因此，不要将下面的详细描述视为限制意义，并且本发明的范围由所附权利要求书限定。
下面描述若干个实施例。在这种情况下，完全相同的结构特征在各图中由完全相同或类似的附图标记标识。在本描述的上下文中，“侧向”或“侧向方向”应当被理解为意味着与半导体材料或半导体主体的侧向范围大体上平行地延伸的方向或范围。因此，侧向方向大体上与这些表面或侧面平行地延伸。与此相对，术语“垂直”或“垂直方向”被理解成意味着与这些表面或侧面且因此与侧向方向大体上正交地延伸的方向。因此，垂直方向在半导体材料或半导体载体的厚度方向上延伸。
在本说明书中所采用的术语“耦合”和/或“电耦合”并不意味着所述元件必须直接耦合在一起——可以在“耦合”或“电耦合”的元件之间提供中间元件。
下面描述包括功率半导体芯片的半导体器件。功率半导体芯片可以是不同类型，可以通过不同技术制造，并且可以包括例如集成的电气、电光或电机械电路或无源器件。功率半导体芯片可以包含并非半导体的无机和/或有机材料，诸如例如分立无源器件、天线、绝缘体、塑料或金属。此外，下面描述的器件可以包括另外的集成电路以控制功率半导体芯片的功率集成电路。
功率半导体芯片可以包括功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、DMOSFET（双扩散MOSFET）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、JFET（结型栅场效应晶体管）、功率双极型晶体管或者功率二极管诸如功率肖特基（Schottky）二极管。更具体来说，涉及到具有垂直结构的功率半导体芯片，也就是说，所述功率半导体芯片（更具体来说是垂直功率半导体芯片）是按照使得电流可以在与功率半导体芯片的主表面正交的方向上流动的方式而制造的。
具有垂直结构的功率半导体芯片（即垂直功率半导体芯片）可以在其两个主表面上（也就是说在其顶侧或底侧，或者换句话说在其正面和背面上）具有诸如接触件之类的端子。举例来说，功率MOSFET的源极电极和栅极电极可以位于一个主表面上，而功率MOSFET的漏极电极可以被设置在另一个主表面上。所述接触件可以由铝、铜或任何其他适当材料制成。可以在功率半导体芯片的接触衬垫上施加一个或更多金属层。所述金属层例如可以由钛、镍钒、金、银、铜、钯、铂、镍、铬或任何其他适当材料制成。所述金属层不需要是均质的或者由仅仅一种材料制造，也就是说，包含在所述金属层中的材料的各种组分和浓度都是可能的。
图1示出了根据一个实施例的SiC垂直半导体功率器件100的示意图。SiC垂直半导体功率器件100包括半导体主体102。半导体主体102包括SiC衬底104和SiC衬底104上方的外延SiC层106。外延SiC层106的至少一部分构成一个漂移区。第一接触件108被设置在半导体主体102的第一侧110。第二接触件112被设置在半导体主体102的第二侧114，第一侧110与第二侧114相对。第一接触件108与第二接触件112之间的电流路径包括至少一个石墨烯层。包括所述至少一个石墨烯层的电流路径由线条116示意性地示出。
根据一个实施例，第一接触件108是场效应晶体管（FET）诸如金属氧化物FET（MOSFET）、结型场效应晶体管（JFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的源极接触件/漏极接触件之一，而第二接触件112是所述源极接触件/漏极接触件当中的另一个。根据另一个实施例，第一接触件108是垂直半导体功率二极管的阴极接触件/阳极接触件之一，而第二接触件112是所述阴极接触件/阳极接触件当中的另一个。第一接触件108和第二接触件112包括一种或多种导电材料，诸如例如金属、金属合金或掺杂半导体。第一接触件108的（一种或多种）导电材料可以不同于或者部分地不同于第二接触件112的（一种或多种）导电材料。第一接触件108和第二接触件112可以通过图案化一个导电层（诸如金属层）而形成。因此，第一接触件108和第二接触件112可以分别构成一个图案化导电层的一部分。
所述至少一个石墨烯层构成第一接触件108与第二接触件112之间的电流路径的一部分。根据一个实施例，所述至少一个石墨烯层构成垂直半导体功率FET的漂移区的一部分。所述至少一个石墨烯层与所述漂移区的另一部分（例如SiC衬底104的一部分和/或外延SiC层106的一部分）可以并联连接。根据另一个实施例，所述至少一个石墨烯层可以构成垂直半导体功率FET的沟道区段的一部分或者与之等同。所述沟道区段可以处于第一侧110，或者可以邻接从第一侧110延伸到半导体主体102中的沟槽的侧壁。根据另一个实施例，所述至少一个石墨烯层构成诸如Schottky二极管之类的垂直半导体功率二极管的阴极区段和/或阳极区段的一部分。所述至少一个石墨烯层与SiC衬底104的一部分和/或外延SiC层106的一部分可以并联连接。
这里使用的术语“至少一个石墨烯层”意味着至少一个厚度为1个原子的碳原子层，因此包括厚度为单个原子的碳原子层和厚度为多个原子的碳原子层，诸如例如厚度为2个原子的碳原子层、厚度为3个原子的碳原子层、厚度为4个原子的碳原子层、厚度为5个原子的碳原子层、厚度为6个原子的碳原子层。所述至少一个石墨烯层可以通过把SiC热分解在SiC衬底104和/或外延SiC层106的表面而形成。这里使用的术语“SiC衬底104和/或外延SiC层的表面”意味着SiC衬底104和/或外延SiC层的任何表面，因此包括在SiC衬底104和/或外延SiC层中形成的沟槽的侧壁和底侧处的表面。可以例如在1200°C到1800°C的温度范围内进行通过热分解的所述至少一个石墨烯层的形成。作为SiC的热分解的替换或补充，可以通过沉积或外延生长来形成所述至少一个石墨烯层或所述至少一个石墨烯层的一部分。
在图1所示的实施例中，半导体主体102包括SiC衬底104和外延SiC层106。根据另一个实施例，半导体主体102对应于没有在其上形成外延SiC层的SiC衬底。
由于所述至少一个石墨烯层内的自由载荷子的高迁移率和高浓度，第一接触件108与第二接触件112之间的电流路径的包括所述至少一个石墨烯层的该部分的电阻可以被减小。因此，SiC垂直功率半导体器件100的特定接通状态电阻Ron x A可以得到改进。
图2A是垂直SiC半导体功率器件200的另一个实施例的示意图。SiC半导体功率器件200包括SiC半导体主体202、处于SiC半导体主体202的第一侧210的第一接触件208和处于SiC半导体主体202的第二侧214的第二接触件212。沟槽218从第二侧214延伸到SiC半导体主体202中。在每一条沟槽218的侧壁和底侧处设置至少一个石墨烯层220。
根据一个实施例，每一条沟槽218从第二侧214到SiC半导体主体202中的延伸（即每一条沟槽218的深度d）处于50μm到150μm的范围内。每一条沟槽218的宽度w可以处于50nm到500nm的范围内。沟槽218可以被设置成具有500nm到50μm的范围内特别是1μm到20μm的范围内的间距p。
在垂直SiC半导体功率器件200中，沟槽218的底侧与最大反向操作电压下的空间电荷区段222之间的距离被标记为δ。根据一个实施例，距离δ为正，例如处在1μm到10μm的范围内，诸如1μm、2μm、3μm、4μm、5μm。因此，即使在最大反向操作电压下，空间电荷区段222也不会达到沟槽218的底侧。根据另一个实施例，距离δ为负，例如处在1μm到10μm的范围内，诸如-1μm、-2μm、-3μm、-4μm、-5μm。w、δ、p和d的数值在各条沟槽218之间也可以不同。
根据一个实施例，沟槽218填充有或者部分地填充有一种或多种导电和/或绝缘材料。被填充到沟槽218中的（一种或多种）材料可以被适当地选择以便优选地把所引发的机械应变保持为低。
第一接触件208与第二接触件212之间的电流路径由线条216示意性地示出。所述至少一个石墨烯层220构成由线条216a标记的所述电流路径的一部分，线条216a示意性地示出了沿着沟槽218之一的一个侧壁处的至少一个石墨烯层220的电流流动。各条沟槽218之间的SiC半导体主体202的一部分与在所述沟槽218的侧壁处的所述至少一个石墨烯层并联连接。沿着各条沟槽218之间的SiC半导体主体202的所述部分的电流流动由图2A中的线条216b示意性地示出。被填充到沟槽218中并且电耦合到至少一个石墨烯层220的导电材料与所述至少一个石墨烯层220和SiC半导体主体202的对应部分并联连接。
图2B是图2A中所示的SiC半导体功率器件200的第二侧214的一个实施例的示意性平面图。各条沟槽沿着侧向x方向的间距p等于各条沟槽218沿着侧向y方向的间距p。同样地，每一条沟槽218沿着侧向x方向的宽度w等于每一条沟槽218沿着侧向y方向的宽度w。根据另一个实施例，各条沟槽218沿着侧向x方向的间距不同于各条沟槽218沿着侧向y方向的间距。同样地，每一条沟槽218沿着测向x方向的宽度不同于每一条沟槽218沿着侧向y方向的宽度。根据其他实施例，沟槽218在由侧向x方向和侧向y方向限定的侧向平面内的形状可以不同于正方形形状或矩形形状，并且可以例如对应于环形、圆形、多边形或其他形状。沟槽218的形状和设置可以被适当地选择以增大所述侧向平面的每单位面积的石墨烯量。从而，SiC垂直功率半导体器件200的特定接通状态电阻Ron x A可以得到改进。
图3示出了根据另一个实施例的垂直SiC半导体功率器件300的示意图。与图1中所示的垂直SiC半导体功率器件100一样，垂直SiC半导体功率器件300包括SiC半导体主体302、处于SiC半导体主体302的第一侧310的第一接触件308和处于SiC半导体主体302的第二侧314的第二接触件312。
垂直SiC半导体功率器件300包括多孔SiC衬底304’上方的外延SiC层306。多孔SiC衬底304’包括多个空隙324以及形成在所述空隙324的表面处的至少一个石墨烯层320。空隙324可以通过蚀刻SiC衬底而被形成在晶体SiC衬底内。作为一个实例，可以利用KOH来对晶体SiC衬底进行蚀刻。例如可以通过热分解SiC而在空隙324的表面处形成所述至少一个石墨烯层320。
在图3所示的实施例中，多孔SiC衬底304’与外延SiC层306邻接。根据其他实施例，只有SiC衬底的一部分可以是多孔的。具体来说，SiC衬底的底部可以是多孔的，并且SiC衬底的邻接外延SiC层306的顶部可以保持在未发生改变的晶体和非多孔状态下。根据另一个实施例，SiC的多孔性可以穿过SiC衬底延伸到外延SiC层306中。
在垂直SiC半导体功率器件300中，可以相对于空间电荷区段从相对侧到SiC半导体主体302中的延伸来调节SiC的多孔性到SiC半导体主体302中的延伸。与图2A中所示的实施例类似，最大反向操作电压下的空间电荷区段322与多孔SiC衬底304’之间的距离被标记为δ。根据一个实施例，距离δ为正，例如处在1μm到10μm的范围内，诸如1μm、2μm、3μm、4μm、5μm。因此，即使在最大反向操作电压下，空间电荷区段322也不会达到多孔SiC衬底304’。根据另一个实施例，距离δ为负，例如处在1μm到10μm的范围内，诸如-1μm、-2μm、-3μm、-4μm、-5μm。
第一接触件308与第二接触件312之间的电流路径由线条316示意性地示出。至少一个石墨烯层320构成由线条316a标记的所述电流路径的一部分，线条316a示意性地示出了包括多个空隙324的表面处的至少一个石墨烯层320的电流流动。各个空隙324之间的SiC半导体主体302的一部分在所述空隙324的表面处与至少一个石墨烯层320并联连接。沿着各个空隙324之间的SiC半导体主体302的所述部分的电流流动在图3中由线条316b示意性地示出。线条316a和316b偏离线条316。
图4示出了根据一个实施例的SiC垂直半导体FET 400的示意图。垂直SiC半导体功率FET 400包括SiC半导体主体402、处于SiC半导体主体402的第一侧410的第一（源极）接触件408以及处于SiC半导体主体402的第二侧414的第二（漏极）接触件412。在SiC半导体主体402内形成源极区段426并且将其电耦合到源极接触件408。源极区段426由形成在SiC半导体主体402内的主体区段428围绕。源极区段426和SiC半导体主体402的导电类型与主体区段428的导电类型相反。根据一个实施例，源极区段426和SiC半导体主体402的导电类型是n型，而主体区段428的导电类型是p型。根据另一个实施例，源极区段426和SiC半导体主体402的导电类型是p型，而主体区段428的导电类型是n型。例如可以通过适当地选择引入到对应的半导体区段中的杂质来调节导电类型。
至少一个石墨烯层420（例如厚度为2个原子的石墨烯层）被形成在SiC半导体主体402上的第一侧410并且至少覆盖源极区段426的一部分和主体区段428的一部分。所述至少一个石墨烯层420构成SiC垂直半导体功率FET 400的侧向沟道区段。在所述至少一个石墨烯层420上形成栅极结构430。栅极结构430包括至少一个石墨烯层420上的栅极电介质432和栅极电介质432上的栅极电极434。栅极电极434被配置成通过施加到栅极电极434的电压来控制至少一个石墨烯层420的导电性。栅极结构430通过间隔物436与源极接触件408电绝缘。替换地或附加地，可以在至少一个石墨烯层420下方实现栅极结构，即在该替换栅极结构之后形成至少一个石墨烯层420。
处于第一侧410的源极接触件408与处于第二侧414的漏极接触件412之间的电流路径由线条416标记，并且包括构成所述沟道区段的至少一个石墨烯层420。
由于所述至少一个石墨烯层420内的自由载荷子的高迁移率和高浓度，垂直SiC半导体FET 400的源极接触件408与漏极接触件412之间的沟道区段的电阻可以被减小。因此，SiC垂直功率半导体FET 400的特定接通状态电阻Ron x A可以得到改进。
图5示出了根据另一个实施例的垂直SiC半导体FET 500的示意图。与图4中所示的垂直SiC半导体功率FET 400一样，垂直SiC半导体功率FET 500包括SiC半导体主体502、处于SiC半导体主体502的第一侧510的第一（源极）接触件508以及处于SiC半导体主体502的第二侧514的第二（漏极）接触件512。在SiC半导体主体502内形成源极区段526并且将其电耦合到源极接触件508。源极区段526由形成在SiC半导体主体502内的主体区段528围绕。至少一个石墨烯层520被形成在SiC半导体主体502上的第一侧510并且至少覆盖主体区段528和源极区段526的一部分。所述至少一个石墨烯层520构成垂直SiC半导体功率FET 500的侧向沟道区段。在所述至少一个石墨烯层520上形成栅极结构530。所述栅极结构包括至少一个石墨烯层520上的栅极电介质532和栅极电介质532上的栅极电极534。栅极结构530通过间隔物536与源极接触件508电绝缘。替换地或附加地，可以在至少一个石墨烯层520下方实现栅极结构，即在该替换栅极结构之后形成至少一个石墨烯层520。
除了图4中所示的垂直SiC半导体功率FET 400之外并且类似于图2A中所示的垂直SiC半导体功率器件200，垂直SiC半导体功率FET 500还包括从第二侧514延伸到SiC半导体主体502中的沟槽518。至少一个石墨烯层220’被设置在每一条沟槽518的侧壁和底侧处。在形状、尺寸、材料、距离（诸如与空间电荷区段522的距离δ）、宽度w、间距p或深度d方面，关于图2A和图2B中所示的实施例给出的信息相应地适用。
图6示出了根据另一个实施例的垂直SiC半导体功率器件600的示意图。与图2A中所示的垂直SiC半导体功率器件200一样，垂直SiC半导体功率器件600包括SiC半导体主体602、处于SiC半导体主体602的第一侧610的第一接触件608和处于SiC半导体主体602的第二侧614的第二接触件612。第一沟槽618从第二侧614延伸到SiC半导体主体602中。至少一个石墨烯层620（例如厚度为1或2个原子的石墨烯层）被设置在每一条第一沟槽618的侧壁和底侧处。
除了图2A中示出的垂直SiC半导体功率器件200之外，垂直SiC半导体功率器件600还包括从第一侧610穿过SiC半导体主体602延伸到第二侧614的第二沟槽618’。至少一个石墨烯层620’（例如厚度为1或2个原子的石墨烯层）被设置在每一条第二沟槽618’的侧壁处。在垂直SiC半导体功率器件600的接通状态下，第一接触件608与第二接触件612之间的电流路径由线条616示意性地示出。第一沟槽618中的至少一个石墨烯层620构成由线条616a标记的电流路径的一部分，线条616a示意性地示出了沿着第一沟槽618之一的一个侧壁处的至少一个石墨烯层620的电流流动。第二沟槽618’中的至少一个石墨烯层620’构成由线条616c标记的电流路径的一部分，线条616c示意性地示出了沿着第二沟槽618’之一的侧壁处的至少一个石墨烯层620’的电流流动。各条沟槽618、618’之间的SiC半导体主体202的一部分与第一和第二沟槽618、618’的侧壁处的至少一个石墨烯层620、620’并联连接。沿着第一和第二沟槽618、618’之间的SiC半导体主体602的该部分的电流流动在图6中由箭头616b示意性地示出。线条616a、616b和616c偏离线条616。
由于所述至少一个石墨烯层内的自由载荷子的高迁移率和高浓度，第一接触件608与第二接触件612之间的电流路径的包括所述至少一个石墨烯层620、620’的该部分的电阻可以被减小。因此，SiC垂直功率半导体器件600的特定接通状态电阻Ron x A可以得到改进。
在SiC半导体功率器件600的反向电压操作模式下，第二沟槽618’中的至少一个石墨烯层620’应当处于不导通模式下。根据一个实施例，在空间电荷区段接触到至少一个石墨烯层620’时，通过由于作用在至少一个石墨烯层620’上的电场而导致的夹断，实现把至少一个石墨烯层620’从导通模式切换到不导通模式。根据另一个实施例中，至少一个石墨烯层620’从导通模式到不导通模式的切换是通过设置在第二沟槽618’内的栅极结构而实现的。可以将所述栅极结构到沟槽中的垂直延伸适配于在最大反向操作电压下空间电荷区段到半导体主体602中的垂直延伸。换句话说，所述栅极结构的底侧可以与最大反向操作电压下的所述空间电荷区段的底侧重合或仅有微小偏移。术语“微小偏移”意味着包括处于μm范围内的小偏移，例如+/-1μm、+/-2μm和+/-3μm。特别地，通过改变施加到所述栅极结构的栅极电极的电压，可以在关断模式与接通模式之间切换至少一个石墨烯层620’的导电性。在SiC半导体功率器件600的接通状态下，至少一个石墨烯层620’处于导通模式。在SiC半导体功率器件600的反向电压操作模式下，至少一个石墨烯层620’处于不导通模式。替换地或附加地，可以在至少一个石墨烯层620’下方实现栅极结构，即在该替换栅极结构之后形成至少一个石墨烯层620’。
在图6所示的实施例中，第二沟槽618’从第一侧610延伸到第二侧614。根据另一个实施例，第二沟槽618’从第一侧610延伸到SiC半导体主体602中。根据该实施例，第二沟槽618’的底侧在SiC半导体主体602内结束，例如在所述漂移区内、在SiC衬底内、在SiC衬底上方的外延SiC层内等等结束。
根据图6中所示的实施例，第一沟槽618与第二沟槽618’相组合。根据其他实施例，只存在沟槽618、618’之一。
图7示出了根据一个实施例的侧向SiC半导体功率器件700的示意图。侧向SiC半导体功率器件700包括SiC半导体主体702、处于SiC半导体主体702的第一侧710的源极接触件708以及处于SiC半导体主体702的第一侧710的漏极接触件712’。在SiC半导体主体702内形成源极区段726并且将其电耦合到源极接触件708。源极区段726由形成在SiC半导体主体702内的主体区段728围绕。漏极区段729被形成在SiC半导体主体702内并且电耦合到漏极接触件712’。
源极区段726、SiC半导体主体702和漏极区段729的导电类型与主体区段728的导电类型相反。根据一个实施例，源极区段726、SiC半导体主体702和漏极区段729的导电类型是n型，而主体区段728的导电类型是p型。根据另一个实施例，源极区段726、SiC半导体主体702和漏极区段729的导电类型是p型，而主体区段726的导电类型是n型。例如可以通过适当地选择引入到对应的半导体区段中的杂质来调节导电类型。
至少一个石墨烯层720（例如厚度为1或2个原子的石墨烯层，即石墨烯双层）被形成在SiC半导体主体702上的第一侧710并且至少覆盖源极区段726的一部分和主体区段728的一部分。所述至少一个石墨烯层720构成SiC侧向半导体功率器件700的侧向沟道区段。在所述至少一个石墨烯层720上形成栅极结构730。栅极结构730包括至少一个石墨烯层720上的栅极电介质732和栅极电介质732上的栅极电极734。栅极电极734被配置成通过施加到栅极电极734的电压来控制至少一个石墨烯层720的导电性。栅极结构730通过第一绝缘间隔物736与源极接触件708电绝缘。栅极结构730通过第二绝缘间隔物737与漏极接触件712’电绝缘。替换地或附加地，可以在至少一个石墨烯层720下方实现栅极结构，即在该替换栅极结构之后形成至少一个石墨烯层720。
处于第一侧710的源极接触件708与处于第一侧710的漏极接触件712’之间的电流路径由线条716标记，并且包括构成所述沟道区段的至少一个石墨烯层720。
半导体功率器件700被配置成阻断至少500V的反向电压，并且在主体区段728与漏极接触件712’之间包括至少5μm的侧向距离I1。侧向距离I1可以处在5μm到70μm的范围内，特别是处在10μm到50μm的范围内。主体区段728与第二间隔物736之间的侧向距离I2可以例如处在1μm到I1-1μm的范围内。
由于所述至少一个石墨烯层720内的自由载荷子的高迁移率和高浓度，侧向SiC功率半导体器件700的源极接触件708与漏极接触件712’之间的沟道区段的电阻可以被减小。因此，侧向SiC功率半导体器件700的特定接通状态电阻Ron x A可以得到改进。
关于图1中所示的实施例给出的信息相应地适用于其他实施例。
为了易于描述使用了诸如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上”、“上方”等等之类的空间相对术语以解释一个元件相对于第二元件的定位。这些术语意图包含除了与图中所描绘的指向不同的指向之外的不同器件指向。
此外，诸如“第一”、“第二”等等之类的术语也被用来描述各个元件、区段、节段等等并且也不意图进行限制。相同的术语在整个描述中指代相同的元件。
这里所使用的术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等等是开放式术语，其表明所述元件或特征的存在但不排除附加的元件或特征。除非上下文明确地另有所指，否则冠词“一个”、“某一”和“所述”意图包括复数和单数。
要理解的是，除非明确地另行表明，否则这里所描述的各个实施例的特征可以彼此组合。
虽然在这里示出并描述了具体的实施例，但是本领域普通技术人员将认识到，在不背离本发明的范围的情况下可以用多种替换和/或等效实现方式来替代所示出并描述的具体实施例。本申请意图覆盖这里所讨论的具体实施例的任何适配或变型。因此，意图是本发明仅由权利要求书及其等效物限制。

Claims (24)

1.一种垂直半导体功率器件，包括：
SiC半导体主体，所述SiC半导体主体的至少一部分构成漂移区；
处于SiC半导体主体的第一侧的第一接触件；
处于SiC半导体主体的第二侧的第二接触件，第一侧与第二侧相对；
第一接触件与第二接触件之间的包括至少一个石墨烯层的电流路径；以及
从第二侧延伸到SiC半导体主体中的多条沟槽，其中所述至少一个石墨烯层被设置在所述多条沟槽的侧壁的至少一部分上。
2.权利要求1的垂直功率半导体器件，其中所述SiC半导体主体包括SiC衬底和SiC衬底上方的外延SiC层。
3.权利要求1的垂直功率半导体器件，其中所述多条沟槽包括延伸到SiC半导体主体中的处于50μm到150μm的范围内的深度的至少一条沟槽，其中所述至少一条沟槽具有处在50nm到500nm的范围内的宽度。
4.权利要求1的垂直功率半导体器件，其中所述至少一个石墨烯层包括两个或更多石墨烯层的层叠。
5.权利要求1的垂直功率半导体器件，还包括被配置成控制所述至少一个石墨烯层的至少一部分的导电性的栅极电极。
6.权利要求1的垂直功率半导体器件，其中所述SiC半导体主体的处于第二侧的一部分包括多孔SiC。
7.权利要求6的垂直功率半导体器件，其中所述至少一个石墨烯层覆盖所述多孔SiC的空隙的侧壁的至少一部分。
8.权利要求1的垂直功率半导体器件，其中所述漂移区内的处于第一接触件与第二接触件之间的电流路径包括所述至少一个石墨烯层以及并联连接的所述SiC半导体主体的一部分。
9.权利要求1的垂直半导体功率器件，其中：
所述垂直半导体功率器件是FET器件；并且
第一接触件是与所述FET器件的源极和漏极之一的接触件，而第二接触件是与源极和漏极当中的另一个的接触件。
10.权利要求9的垂直半导体功率器件，还包括处于第一侧的侧向沟道区段，其中所述侧向沟道区段包括所述至少一个石墨烯层。
11.权利要求1的垂直半导体功率器件，其中：
所述垂直半导体功率器件是功率二极管；并且
第一接触件是与所述功率二极管的阴极和阳极之一的接触件，而第二接触件是与阴极和阳极当中的另一个的接触件。
12.权利要求1的垂直半导体功率器件，其中：
所述垂直半导体功率器件是IGBT；并且
第一接触件是与IGBT的发射极的接触件，并且第二接触件是与IGBT的集电极的接触件。
13.权利要求1的垂直半导体器件，其中所述至少一个石墨烯层被设置在栅极结构上方，所述栅极结构被配置成控制所述至少一个石墨烯层的导电性。
14.权利要求1的垂直功率半导体器件，还包括从第一侧延伸到SiC半导体主体中的多条沟槽，其中所述至少一个石墨烯层被设置在所述多条沟槽的侧壁的至少一部分上。
15.权利要求14的垂直功率半导体器件，其中所述漂移区的导电类型是n型和p型之一。
16.权利要求14的垂直功率半导体器件，还包括被设置在所述多个沟槽内的电极，所述电极被配置成通过施加到该电极的电压来控制所述至少一个石墨烯层的导电性。
17.权利要求1的垂直功率半导体器件，还包括在第一侧与第二侧之间延伸穿过SiC主体的多条沟槽，其中所述至少一个石墨烯层被设置在所述多条沟槽的侧壁的至少一部分上。
18.一种垂直半导体功率器件，包括：
SiC半导体主体，所述SiC半导体主体的至少一部分构成漂移区；
处于SiC半导体主体的第一侧的第一接触件；
处于SiC半导体主体的第二侧的第二接触件，第一侧与第二侧相对；以及
处于第一侧的侧向沟道区段，所述侧向沟道区段包括至少一个石墨烯层。
19.权利要求18的垂直半导体功率器件，其中第一和第二接触件是与FET的源极和漏极或者IGBT的发射极和集电极的一对接触件之一。
20.一种垂直半导体功率器件，包括：
SiC半导体主体，所述SiC半导体主体的至少一部分构成漂移区；
处于SiC半导体主体的第一侧的第一接触件；
处于SiC半导体主体的第二侧的第二接触件，第一侧与第二侧相对；
从第二侧延伸到SiC半导体主体中的多条沟槽；以及
被设置在所述多条沟槽的侧壁的至少一部分上的至少一个石墨烯层。
21.权利要求20的垂直功率半导体器件，其中所述漂移区内的处于第一接触件与第二接触件之间的电流路径包括所述至少一个石墨烯层以及并联连接的在所述多条沟槽之间的所述SiC半导体主体的一部分。
22.权利要求20的垂直半导体功率器件，其中第一和第二接触件是以下各项之一：与FET的源极和漏极的一对接触件，与二极管的阴极和阳极的一对接触件，或者与IGBT的发射极和集电极的一对接触件。
23.一种侧向半导体功率器件，包括：
SiC半导体主体，所述SiC半导体主体的至少一部分构成漂移区；
处于SiC半导体主体的第一侧的源极接触件；
处于SiC半导体主体的第一侧的漏极接触件；
包括至少一个石墨烯层的沟道区段；并且其中
所述半导体功率器件被配置成阻断至少500V的反向电压并且在主体区段与漏极接触件之间包括至少5μm的侧向距离。
24.权利要求23的侧向半导体器件，其中所述至少一个石墨烯层被设置在栅极结构上方，所述栅极结构被配置成控制所述至少一个石墨烯层的导电性。
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