CN108615802A - 沟道电流增强的晶体管和功率电子器件 - Google Patents

沟道电流增强的晶体管和功率电子器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种沟道电流增强的晶体管和功率电子器件，其中该沟道电流增强的晶体管包括：第一半导体层，具有第一导电类型且为轻掺杂；形成在第一半导体层之中的源区，具有第一导电类型且为重掺杂；形成在源区之上的源极金属层；形成在第一半导体层之中的沟道区，具有第二导电类型；形成在沟道区之上的栅结构；形成在第一半导体层之中且在源区和沟道区之外的漂移区；形成在第一半导体层之下的漏极金属层；形成在漂移区之上的发光结构，用于产生用于激发第一半导体层中电子和空穴对的光线。本发明的沟道电流增强的晶体管和功率电子器件，将发光结构设置在漂移区之上，在不影响器件关态电流的前提下，利用光照极大地改善器件的导通电流。

Description

沟道电流增强的晶体管和功率电子器件
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种沟道电流增强的晶体管和功率电子器件。
背景技术
氮化镓(GaN)宽禁带直接带隙材料具有高硬度、高热导率、高电子迁移率、稳定的化学性质、较小的介电常数和耐高温等优点，所以GaN在发光二极管、高频、高温、抗辐射、高压等电力电子器件中有着广泛的应用和巨大的前景。
迄今为止，基于GaN材料的异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)已经有了广泛的应用和研究，但是，常开型的HEMT并不能满足低功耗的应用要求。所以，对常关型GaN材料的垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管(VDMOS)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的研究很有必要，并且也越来越受到重视。
对于GaN-VDMOS和GaN-IGBT，其源漏注入采用的是Si离子(n型沟道)和Mg离子(p型沟道)。但对于GaN材料，注入离子激活需要很高的温度，尤其对于p型沟道的Mg离子，激活率不高，这就导致GaN-VDMOS和GaN-IGBT的导通电流受到了一定的限制。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有结构简单、导通电流高的沟道电流增强的晶体管。
根据本发明实施例的沟道电流增强的晶体管，包括：第一半导体层，所述第一半导体层具有第一导电类型且为轻掺杂；形成在所述第一半导体层之中的源区，所述源区具有第一导电类型且为重掺杂；形成在所述源区之上的源极金属层；形成在所述第一半导体层之中的沟道区，所述沟道区具有第二导电类型，所述第二导电类型与所述第一导电类型具有相反的导电类；形成在所述沟道区之上的栅结构；形成在第一半导体层之中且在所述源区和所述沟道区之外的漂移区；形成在所述第一半导体层之下的漏极金属层；形成在所述漂移区之上的发光结构，其中，所述发光结构用于产生用于激发所述第一半导体层中电子和空穴对的光线。
在本发明的一个实施例中，进一步包括：形成在所述第一半导体层与所述漏极金属层之间的第二半导体层，所述第二半导体层具有第一导电类型且为重掺杂。
在本发明的一个实施例中，进一步包括：形成在所述第一半导体层与所述漏极金属层之间的第三半导体层，所述第三半导体层具有第二导电类型且为重掺杂。
在本发明的一个实施例中，进一步包括：形成在所述第一半导体层与所述第三半导体层之间的第四半导体层，所述第四半导体层具有第一导电类型且为重掺杂。
在本发明的一个实施例中，所述漂移区中形成有电荷平衡区。
在本发明的一个实施例中，进一步包括：形成在所述漂移区上表面的凹槽，所述发光结构位于所述凹槽之中。
在本发明的一个实施例中，所述第一半导体层包括具有直接带隙结构的半导体材料。
在本发明的一个实施例中，所述半导体材料包括氮化物半导体材料、砷化物半导体材料、氧化物半导体材料或锑化物半导体材料。
在本发明的一个实施例中，所述发光结构为发光二极管结构。
在本发明的一个实施例中，所述发光二极管结构包括发光层，所述发光层为量子阱或多量子阱结构。
在本发明的一个实施例中，所述发光层材料与所述第一半导体层的材料属于同一系列。
在本发明的一个实施例中，所述发光层的禁带宽度不小于所述第一半导体延层的禁带宽度。
在本发明的一个实施例中，还包括：同步结构，用于控制所述沟道电流增强的晶体管和所述发光结构同步开启。
在本发明的一个实施例中，所述沟道电流增强的晶体管包括IGBT和VDMOS。
由上可知，根据本发明实施例的沟道电流增强的晶体管至少具有如下优点：
相对于传统的独立IGBT和VDMOS而言，本发明提出的沟道电流增强的晶体管，将发光结构设置在漂移区之上，在不影响器件关态电流的前提下，利用光照极大地改善器件的导通电流。
本发明的另一个目的在于提出一种功率电子器件。
根据本发明实施例的功率电子器件，包括上述实施例所述的沟道电流增强的晶体管。
由上可知，根据本发明实施例的功率电子器件至少具有如下优点：
相对于传统的独立IGBT和VDMOS而言，本发明提出的功率电子器件，将发光结构设置在漂移区之上，在不影响器件关态电流的前提下，利用光照极大地改善器件的导通电流。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的n沟道的沟道电流增强的晶体管的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的n沟道VDMOS的结构示意图；
图3是本发明一个实施例的n沟道IGBT的结构示意图；
图4是本发明另一个实施例的n沟道IGBT的结构示意图；
图5是本发明另一个实施例的n沟道的沟道电流增强的晶体管的结构示意图；
图6是本发明另一个实施例的n沟道的沟道电流增强的晶体管的结构示意图；
图7是本发明一个实施例的具有同步结构的n沟道VDMOS的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明一方面提出一种沟道电流增强的晶体管，以n沟道的沟道电流增强的晶体管为例，如图1所示，包括：第一半导体层100，第一半导体层100为第一导电类型且为轻掺杂，即n型轻掺杂；形成在第一半导体层100之中的源区，源区具有第一导电类型且为重掺杂，即n型重掺杂，在本实施例中，源区包括第一元胞区210和第二元胞区220，第一元胞区210和第二元胞区220相互对称，需要说明的是，源区并不限于图1所示的结构，根据需要本领域人员可以进行相应地调整；形成在源区之上的源极金属层230；形成在第一半导体层100之中的沟道区，沟道区包括对应于第一元胞区210处第一沟道区310和对应于第二元胞区220处第二沟道区320，沟道区具有第二导电类型，即p型掺杂，沟道区既可以是轻掺杂，也可以是重掺杂；形成在沟道区之上的栅结构400，栅结构中可以包含栅介质和栅金属，也可以是只有金属层(通过形成肖特基结控制沟道)；形成在第一半导体层100之中且在源区和沟道区之外的漂移区500；形成在第一半导体层100之下的漏极金属层600；形成在漂移区500之上的发光结构700，其中，发光结构700绕开源极金属层230和栅结构400，避免发光结构700在工作时与源极金属层230和栅结构400连通，发光结构700用于产生用于激发第一半导体层100中电子和空穴对的光线。
图1中所示的晶体管是一种VDMOS结构。本发明实施例的沟道电流增强的晶体管，对于n沟道VDMOS，第一半导体层100可以是Si上外延的化合物半导体材料，如GaN等，还可以是自支撑的化合物半导体材料，如GaN自支撑晶片衬底。需要特别指出的是，图1中的第一半导体层100仅是一种示意结构，可包含单层材料层，也可以包含多层材料层；图中栅结构400下方的沟道区可以是单层结构，也可以是具有二维电子气或二维空穴气的多层材料结构；这些结构都在本发明的保护范围之内，不受本示例的限制。当器件导通时，栅压为正，发光结构700产生光子，光子在第一半导体层100以及其中的沟道区中激发电子和空穴对，由于正栅压的吸引，其中的电子流向沟道区，从而增强了沟道电流；同时，在第一半导体层100中的载流子漂移区500，受光子激发的电子-空穴对的影响，载流子浓度增加，从而增强导通电流。当器件关断时，发光结构600和沟道电流增强的晶体管可以与同步关断，发光结构700不会对关态泄漏电流产生影响。
如图2所示，在本本发明的一个实施例中，在第一半导体层100和漏极金属层400之间还形成有第二半导体层800，第二半导体层800具有第一导电类型且为重掺杂，即n型重掺杂，通过重掺杂可以降低漏极的金属接触电阻，从而降低晶体管的导通电阻。
对于p沟道VDMOS，其结构与n沟道VDMOS一样，而其中各半导体区域的导电类型正好相反，即p型变为n型，n型变为p型。p沟道VDMOS的工作原理与n沟道VDMOS一致，只是此时栅压为负，当器件导通时，发光结构700产生光子，光子在第一半导体层100以及其中的沟道区中激发电子和空穴对，其中的空穴流向沟道区，增加器件沟道区的有效载流子浓度，从而增加器件的开态电流，同时，在第一半导体层100中的载流子漂移区500，受光子激发的电子-空穴对的影响，载流子浓度增加，增强器件性能。当器件关断时，发光结构700和沟道电流的晶体管可以与同步关断，发光结构700不会对关态泄漏电流产生影响。对一些化合物半导体材料，例如GaN、ZnO等，由于p沟道VDMOS的注入离子激活比n沟道VDMOS更难，造成常规情况下沟道中的有效载流子浓度低，采用光子激发电子-空穴对后，对有效载流子浓度提升的作用将非常显著，因此，采用本发明的结构对这类化合物半导体材料构成的p沟道VDMOS的沟道电流的增强效果将更加明显。
如图3所示，在本发明的另一个实施例中，当沟道电流增强的晶体管为n沟道IGBT时，工作原理与n沟道VDMOS一致，区别在于在第一半导体层100和漏极金属层400之间形成第三半导体层900，第三半导体层900具有第二导电类型且为重掺杂，即p型重掺杂。当器件导通时，栅压为正，发光结构700产生光子，光子在第一半导体层100以及其中的沟道区中激发电子和空穴对，由于正栅压的吸引，其中的电子流向沟道区，从而增强了导通电流；同时，在第一半导体层100中的载流子漂移区500，受光子激发的电子-空穴对的影响，载流子浓度增加，有效降低其导通电阻，从而增强了导通电流。当器件关断时，发光结构700和沟道电流的晶体管可以与同步关断，发光结构700不会对关态泄漏电流产生影响。
如图4所示，在本发明的另一个实施例中，当沟道电流增强的晶体管为n沟道IGBT时，在第一半导体层100和第三半导体层900之间还形成有第四半导体层1000，第四半导体层10000作为缓冲层具有第一导电类型且为重掺杂，即n型重掺杂，起场截止作用，可以有效地改善IGBT的性能。
对于p沟道IGBT，其结构与n沟道IGBT一样，而其中各半导体区域的导电类型正好相反，即p型变为n型，n型变为p型。p沟道IGBT的工作原理与n沟道IGBT一致，只是此时栅压为负，当器件导通时，发光结构700产生光子，光子在第一半导体层100中激发电子和空穴对，其中的空穴流向沟道区，增加器件沟道区的有效载流子浓度，从而增加器件的开态电流，增强器件性能。对一些化合物半导体材料，例如GaN、ZnO等，由于p沟道IGBT的注入离子激活比n沟道IGBT更难，造成常规情况下沟道中的有效载流子浓度低，采用光子激发电子-空穴对后，对有效载流子浓度提升的作用将非常显著，因此，采用本发明的结构对这类化合物半导体材料构成的p沟道IGBT的沟道电流的增强效果将更加明显。
为了简便表述，在下面的示例中，均以n沟道VDMOS为例，而这些结构均可以用在n沟道IGBT、p沟道的VDMOS和IGBT之中。
在本发明的一个实施例中，漂移区500中形成有电荷平衡区，形成超结器件，通过在漂移区500引入异型电荷层，例如，在漂移区500两侧引入p型掺杂区，或引入与栅结构400连通的高k介质层等，即可以形成超结器件，有效降低晶体管的导通电阻，改善其性能。
如图5所示，在本发明的一个实施例中，漂移区500的上表面开有凹槽，发光结构700形成在凹槽之中，在发光结构700的侧壁与凹槽之间形成有绝缘层1100。此时，发光结构700距离沟道区和漂移区500更近，可以更为有效地激发其中的电子-空穴对，增强器件的性能。
如图6所示，在本发明的一个实施例中，发光结构700与沟道电流增强的晶体管共享相同的栅电压，当器件导通时，发光结构700和沟道电流增强的晶体管同步开启和关断，可以在增强沟道电流增强的晶体管的沟道电流的前提下，简化器件和电路结构，减少工艺的复杂性，降低成本。
在本发明的一个实施例中，第一半导体层100包括具有直接带隙结构的半导体材料。直接带隙材料在光子的激发下可快速响应产生电子-空穴对，且其具有非常高内部量子效率，有利于增强光调制的作用，提升器件性能。
在本发明的一个实施例中，第一半导体层100材料包括氮化物半导体材料、砷化物半导体材料、氧化物半导体材料或锑化物半导体材料。其中，氮化物半导体材料包括GaN、AlGaN、InGaN、AlN、InN。砷化物半导体材料包括GaAs、AlGaAs、InGaAs、InAs。氧化物半导体材料包括Ga2O3、ZnO、InGaZnO。锑化物半导体材料包括GaSb、AlGaSb、InGaSb、InSb。这些材料都具有直接带隙的能带结构，可在光子的激发下快速响应产生电子-空穴对。
在本发明的一个实施例中，发光结构700为发光二极管结构。其中，发光二极管结构可以如图1所示设置在半导体层700之上。发光二极管结构还可以包括量子阱或多量子阱结构作为发光层的结构。
在本发明的一个实施例中，发光层材料与第一半导体层100的材料属于同一系列，即发光层材料为与第一半导体层100材料对应的氮化物、砷化物、氧化物或者磷化物。采用同一系列材料制成的发光层和第一半导体层100能简化发光结构的制作工艺，同时，调节发光层和第一半导体层100的禁带宽度，使得发光结构700发出的光子可被第一半导体层100有效吸收，从而有效沟道电流增强的晶体管的沟道导通电流。
在本发明的一个实施例中，发光层的禁带宽度不小于第一半导体层100的禁带宽度。发光层的禁带宽度不小于第一半导体层100的禁带宽度时，则产生的光子具有足够的能量在第一半导体层100中激发电子空穴对，此时其内部量子效率高，在第一半导体层100中产生的有效载流子多，沟道导通电流越大。当然，即便发光层的禁带宽度小于半导体层的禁带宽度，产生的光子也可以激发第一半导体层100中的电子-空穴对，但其内部量子效率会比较低；反之，如果发光层的禁带宽度远大于第一半导体层100的禁带宽度，虽然光子有足够的能量激发第一半导体层100中的电子空穴对，然而其富余的能量会转换为热量，造成器件发热和能量浪费。因此，发光层的禁带宽度与第一半导体层100的禁带宽度一致为最优。
在本发明的一个实施例中，还包括用于控制沟道电流增强的晶体管和发光结构700同步开启的同步结构。如图7所示，在本实施例中，在发光结构700和沟道电流增强的晶体管之间串联一个电阻，通过调制栅极电压，以确保发光结构700和沟道电流增强的晶体管能够同步开启和关断。需要指出的是，同步结构不限于在发光结构700和沟道电流增强的晶体管之间串联一个电阻，只要能使发光结构700和沟道电流增强的晶体管同步开启的电路或器件结构均可；同样，电阻也不限于串联在电源和发光结构之间，也可以串联在电源和沟道电流增强的晶体管的栅极之间，串联这个电阻是为了调制沟道电流增强的晶体管和发光结构之间的电压，使得发光结构和沟道电流增强的晶体管均在合适的电压下工作即可。
相对于传统的独立VDMOS和IGBT而言，本发明提出的沟道电流增强的晶体管，将发光结构设置在漂移区之上，在不影响器件关态电流的前提下，利用光照极大地改善器件的导通电流。
本发明的实施例还公开了一种功率电子器件，由多个上述实施例的沟道电流增强的晶体管(VDMOS/IGBT)并联而成。通过沟道电流增强的晶体管开态性能的提升，可有效改善功率电子器件的性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (14)

1.一种沟道电流增强的晶体管，其特征在于，包括：
第一半导体层，所述第一半导体层具有第一导电类型且为轻掺杂；
形成在所述第一半导体层之中的源区，所述源区具有第一导电类型且为重掺杂；
形成在所述源区之上的源极金属层；
形成在所述第一半导体层之中的沟道区，所述沟道区具有第二导电类型，所述第二导电类型与所述第一导电类型具有相反的导电类型；
形成在所述沟道区之上的栅结构；
形成在第一半导体层之中且在所述源区和所述沟道区之外的漂移区；
形成在所述第一半导体层之下的漏极金属层；
形成在所述漂移区之上的发光结构，其中，所述发光结构用于产生用于激发所述第一半导体层中电子和空穴对的光线。
2.如权利要求1所述的沟道电流增强的晶体管，其特征在于，进一步包括：
形成在所述第一半导体层与所述漏极金属层之间的第二半导体层，所述第二半导体层具有第一导电类型且为重掺杂。
3.如权利要求1所述的沟道电流增强的晶体管，其特征在于，进一步包括：
形成在所述第一半导体层与所述漏极金属层之间的第三半导体层，所述第三半导体层具有第二导电类型且为重掺杂。
4.如权利要求3所述的沟道电流增强的晶体管，其特征在于，进一步包括：
形成在所述第一半导体层与所述第三半导体层之间的第四半导体层，所述第四半导体层具有第一导电类型且为重掺杂。
5.如权利要求1-4所述的沟道电流增强的晶体管，其特征在于，所述漂移区中形成有电荷平衡区。
6.如权利要求1-4所述的沟道电流增强的晶体管，其特征在于，进一步包括：
形成在所述漂移区上表面的凹槽，所述发光结构位于所述凹槽之中。
7.如权利要求1所述的沟道电流增强的晶体管，其特征在于，所述第一半导体层包括具有直接带隙结构的半导体材料。
8.如权利要求7所述的沟道电流增强的晶体管，其特征在于，所述半导体材料包括氮化物半导体材料、砷化物半导体材料、氧化物半导体材料或锑化物半导体材料。
9.如权利要求1所述的沟道电流增强的晶体管，其特征在于，所述发光结构为发光二极管结构。
10.如权利要求9所述的沟道电流增强的晶体管，其特征在于，所述发光二极管结构包括发光层，所述发光层为量子阱或多量子阱结构。
11.如权利要求10所述的沟道电流增强的晶体管，其特征在于，所述发光层材料与所述第一半导体层的材料属于同一系列。
12.如权利要求10所述的沟道电流增强的晶体管，其特征在于，所述发光层的禁带宽度不小于所述第一半导体层的禁带宽度。
13.如权利要求1所述的沟道电流增强的晶体管，其特征在于，还包括：
同步结构，用于控制所述沟道电流增强的晶体管和所述发光结构同步开启。
14.一种功率电子器件，其特征在于，由多个包括如权利要求1-13中任一项所述的大导通电流的晶体管并联而成。
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