具有集成的限流器的半導(dǎo)體電子元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]描述了包括集成的限流器的半導(dǎo)體電子器件和元件。
【背景技術(shù)】
[0002]迄今，功率電子應(yīng)用中使用的大部分晶體管通常用硅(Si)半導(dǎo)體材料來制作。用于功率應(yīng)用的公共晶體管器件包括Si CoolMOS.Si功率MOSFET和Si絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。盡管Si功率器件不貴，但是它們經(jīng)受多個缺點，包括相對低的開關(guān)速度和高水平的電噪聲。最近，由于其出眾屬性而考慮了碳化硅(SiC)功率器件。II1-N半導(dǎo)體器件，諸如氮化鎵(GaN)器件，現(xiàn)在正顯現(xiàn)為有吸引力的候選來攜帶大電流、支持高電壓并且提供非常低的導(dǎo)通電阻和快速開關(guān)時間。
[0003]大多數(shù)常規(guī)II1-N高電子迀移率晶體管(HEMT)和相關(guān)晶體管器件正常導(dǎo)通，即具有負閾值電壓，這意味著它們可以以零柵極電壓導(dǎo)通電流。具有負閾值電壓的這些器件被稱為損耗模式(D模式)器件。在功率電子器件中，優(yōu)選具有正常截止的器件，即具有正閾值電壓的器件，其不會以零柵極電壓導(dǎo)通實質(zhì)電流，以便通過防止器件的意外導(dǎo)通而避免對器件或者對其他電路元件的損害。正常截止的器件普遍被稱為增強模式(E模式)器件。
[0004]高電壓II1-N E模式晶體管的可信賴制作和制造因此被證明為非常困難。對單個高電壓E模式晶體管的一個替換是以圖1的配置I將高電壓D模式晶體管與低電壓E模式晶體管相組合以形成混合器件，其可以與單個高電壓E模式晶體管相同的方式操作并且在許多情況下獲得與單個高電壓E模式晶體管2相同或相似的輸出特性，如圖2中所示。圖1的混合器件I包括高電壓D模式晶體管23和低電壓E模式晶體管22，其可選地可以都裝入封裝10中，該封裝包括源極引線11、柵極引線12和漏極引線13。低電壓E模式晶體管22的源電極31和高電壓D模式晶體管23的柵電極35都電連接在一起并且可以電連接到源極引線11。低電壓E模式晶體管22的柵電極32可以電連接到柵極引線12。高電壓D模式晶體管23的漏電極36可以電連接到漏極引線13。高電壓D模式晶體管23的源電極34電連接到低電壓E模式晶體管22的漏電極33。
[0005]如這里所使用的，如果兩個或更多接觸或諸如傳導(dǎo)層或元件的其他項目通過足夠傳導(dǎo)以確保每個接觸或其他項目處的電勢大致相同或大約相同(即預(yù)期為相同)而不管偏置條件的材料連接，則它們被稱為“電連接”。
[0006]圖2的器件2包括單個高電壓E模式晶體管21，該高電壓E模式晶體管21可以裝在與圖1的混合器件I相同或相似的封裝10中。高電壓E模式晶體管21的源電極41可以連接到源極引線11，高電壓E模式晶體管21的柵電極42可以連接到柵極引線12，并且高電壓E模式晶體管21的漏電極43可以連接到漏極引線13。當(dāng)相對于源極引線11向柵極引線12施加OV時，圖1中的器件I和圖2中的器件2都能夠阻止源極引線11和漏極引線13之間的高電壓，并且當(dāng)相對于源極引線11向柵極引線12施加足夠正電壓時，兩者可以導(dǎo)通電流從源極引線11到漏極引線13。
[0007]盡管存在許多常規(guī)應(yīng)用可以用圖1的混合器件I來替代圖2的單個高電壓E模式器件2，但存在某些應(yīng)用需要或有必要對混合器件I的結(jié)構(gòu)進行修改和/或改進以便獲得所想要的輸出并同時保持足夠的器件可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在一個方面，描述一種電子元件，該電子元件包括損耗模式晶體管，該損耗模式晶體管具有第一擊穿電壓、第一導(dǎo)通電阻和第一最大電流水平。所述損耗模式晶體管包括源電極、柵電極和漏電極。電子元件進一步包括增強模式晶體管，該增強模式晶體管具有第二擊穿電壓、第二導(dǎo)通電阻和第二最大電流水平。所述增強模式晶體管包括源電極、柵電極和漏電極，其中所述損耗模式晶體管的源電極電連接到所述增強模式晶體管的漏電極，并且所述損耗模式晶體管的柵電極電耦合到所述增強模式晶體管的源電極。而且，所述第二導(dǎo)通電阻小于所述第一導(dǎo)通電阻，并且所述第二最大電流水平低于所述第一最大電流水平。
[0009]在另一方面，描述了一種電子元件，該電子元件包括損耗模式晶體管，該損耗模式晶體管具有第一擊穿電壓和第一最大電流水平。所述損耗模式晶體管包括源電極、柵電極、漏電極、半導(dǎo)體材料層和所述半導(dǎo)體材料層中的溝道。該電子元件進一步包括增強模式晶體管，該增強模式晶體管具有第二擊穿電壓和第二最大電流水平，所述增強模式晶體管包括源電極、柵電極和漏電極。所述損耗模式晶體管的源電極電連接到所述增強模式晶體管的漏電極，并且所述損耗模式晶體管的柵電極電耦合到所述增強模式晶體管的源電極。當(dāng)相對于所述損耗模式晶體管的源電極向所述損耗模式晶體管的柵電極施加OV時，所述溝道的導(dǎo)電率或電荷密度在所述損耗模式晶體管的柵極區(qū)域中小于在所述損耗模式晶體管的存取區(qū)域中。
[0010]在又一方面，描述了一種電子元件，該電子元件包括損耗模式晶體管，該損耗模式晶體管具有第一擊穿電壓和第一最大電流水平。所述損耗模式晶體管包括源電極、柵電極、漏電極、包括在所述源極和漏極之間的柵極區(qū)域以及在所述柵極區(qū)域的相對側(cè)上的多個存取區(qū)域的半導(dǎo)體材料層、和所述半導(dǎo)體材料層中的溝道。該電子元件進一步包括增強模式晶體管，該增強模式晶體管具有第二擊穿電壓和第二最大電流水平，所述增強模式晶體管包括源電極、柵電極和漏電極。所述損耗模式晶體管的源電極電連接到所述增強模式晶體管的漏電極，并且所述損耗模式晶體管的柵電極電耦合到所述增強模式晶體管的源電極。所述損耗模式晶體管包括在所述柵極區(qū)域中的一個或多個隔離區(qū)域，所述一個或多個隔離區(qū)域被配置為:與缺少所述一個或多個隔離區(qū)域的類似器件相比，減小所述第一最大電流水平，而不實質(zhì)上增加所述損耗模式晶體管的存取電阻。而且，所述第一最大電流水平小于所述第二最大電流水平。
[0011]這里描述的每個電子元件可以包括如下特征中的一個或多個。所述第二擊穿電壓可以小于所述第一擊穿電壓。所述損耗模式晶體管可以是高電壓器件而所述增強模式晶體管可以是低電壓器件。所述電子元件可以被配置為起到基本類似于單個高電壓增強模式晶體管的作用。所述電子元件的最大電流水平可以大約與所述增強模式晶體管的最大電流水平相同或小于所述增強模式晶體管的最大電流水平。所述增強模式晶體管的導(dǎo)通電阻可以小于所述損耗模式晶體管的導(dǎo)通電阻的一半。所述增強模式晶體管的最大電流水平可以小于所述損耗模式晶體管的最大電流水平的一半。所述增強模式晶體管的最大電流水平可以約為35安培或更小。所述損耗模式晶體管的最大電流水平可以約為60安培或更大。
[0012]所述增強模式晶體管可以是硅器件。所述損耗模式晶體管可以是II1-N器件。所述增強模式晶體管可以是硅器件或II1-N器件。所述損耗模式晶體管的柵電極可以電連接到所述增強模式晶體管的源電極。所述增強模式晶體管可以進一步包括半導(dǎo)體材料并且在所述半導(dǎo)體材料和所述增強模式晶體管的柵極之間包括溝道損耗電介質(zhì)。所述第一最大電流水平可以小于所述第二最大電流水平。所述損耗模式晶體管的所述半導(dǎo)體材料層可以在所述柵極區(qū)域中凹陷。
[0013]所述一個或多個隔離區(qū)域可以包含摻雜物，并且所述摻雜物可以是選自由Mg、Al和Fe組成的組中。所述一個或多個隔離區(qū)域可以形成所述溝道中的間斷。所述一個或多個隔離區(qū)域可以包括在所述半導(dǎo)體材料層的所述柵極區(qū)域中形成的凹陷。所述凹陷可以被形成為通過所述溝道。
[0014]在又一方面中，描述了操作這里所描述的任何一個電子元件的方法。所述方法包括相對于所述增強模式晶體管的源電極，向所述增強模式晶體管的柵電極施加正電壓，以及相對于所述增強模式晶體管的源電極，向所述損耗模式晶體管的漏電極施加實質(zhì)正電壓，導(dǎo)致在所述增強模式晶體管的源電極和所述損耗模式晶體管的漏電極之間流動的所述電子元件的最大電流水平，其中，所述電子元件的最大電流水平小于或等于所述第一最大電流水平。
[0015]可以實現(xiàn)本說明書中所描述的主題的特定實施例，從而實現(xiàn)下面優(yōu)點中的一個或多個。與一些常規(guī)電子元件相比，這里描述的電子元件能夠具有相似的電壓阻止能力和導(dǎo)通電阻，同時具有更低的最大電流水平，這可以使得電子元件具有更長的短路挽救時間。
【附圖說明】
[0016]圖1是封裝中混合晶體管器件的示意電路圖。
[0017]圖2是封裝中晶體管器件的示意電路圖。
[0018]圖3是封裝中另一混合晶體管器件的示意電路圖。
[0019]圖4是具有不同柵極寬度的兩個晶體管的平面圖。
[0020]圖5A-5C是晶體管的截面圖。
[0021]圖6是封裝中又一混合晶體管器件的示意電路圖。
[0022]圖7是具有多個隔離區(qū)域的晶體管的平面圖。
[0023]圖8是圖7的晶體管沿虛線8的截面圖。
[0024]圖9是圖9的晶體管沿虛線9的截面圖。
[0025]圖10是圖7的晶體管沿虛線9的另外的截面圖。
[0026]圖11是具有集成的限流器的晶體管器件的平面圖。
[0027]圖12是圖11的晶體管沿虛線90的截面圖。
[0028]各個圖中類似的參考符號表示相似的元素。
【具體實施方式】
[0029]這里描述的是高電壓增強模式器件，該高電壓增強模式器