专利名称：双向场效应晶体管和矩阵转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及可以控制电流双向流动的双向场效应晶体管和利用该晶体管的矩阵转换器。
背景技术：
图7a是示出常规的矩阵转换器的实例的电路图。图7b至7d是开关器件的电路图。矩阵转换器CV具有将具有一频率的AC(交变电流)功率转换到具有不同频率的另一AC功率的功能。
三相AC电源PS通过三条线R、S和T提供具有频率Fa的三相AC功率。三相AC电动机M通过具有另一频率Fb的另一三相AC功率驱动，该三相AC功率是通过三条线U、V和W提供的。
矩阵转换器CV包括输入线R、S和T，输出线U、V和W，和九个开关器件SW，它们以矩阵形式布置在各条线R、S和T和各条线U、V和W之间，用于控制共有线之间的开和关。通过可以用所希望的时序操作PWM(脉宽调节)的控制电路(未示出)驱动每个开关器件SW。
由于每个开关器件SW都必须打开和关闭正反向流动的AC电流，所以一般的功率晶体管不能执行该操作。因此，需要电路布置的某些灵活性。
在常规的矩阵转换器中，如图7c所示，具有IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件Q1和二极管器件D1的第一串联电路与具有IGBT器件Q2和二极管器件D2的第二串联电路彼此反平行连接，以组成单开关器件SW。由于IGBT器件可以仅控制单向电流，所以这种反平行连接可以控制双向电流。另外，IGBT器件具有低的反闭锁电压，因此，可以通过利用串联连接的二极管器件提高反闭锁电压。
然而，在上述的电路中，需要四个功率器件来构成单开关器件SW。在图7a所示的三相到三相转换的情况下，需要三十六个功率器件来构成九个开关器件SW。而且，每个功率器件都必须具有大额定的电压和电流，由此导致更大规模的电路和用于散逸大量热的更大的冷却机构。
为了解决这些问题，如图7d所示，已在以下的非专利文献1中提出了RB(反闭锁)-IGBT器件。
Proceedings of 2004 International Symposium onPower Semiconductor Devices & ICs，Kitakyushu，第121-124页。
发明内容
RB-IGBT器件，其与上面形成了IGBT器件的半导体衬底一侧上的二极管区域集成，在电路方面与具有如图7c所示的IGBT器件和二极管器件的串联电路等效。
然而，即使在利用RB-IGBT器件的情况下，两个RB-IGBT器件必须彼此反平行地连接以控制双向电流。因此，需要两个功率器件来构成单开关器件SW，导致更大规模的电路和更大的冷却机构。
本发明的目的是提供一种双向场效应晶体管，其可以借助单一器件控制双向流动的电流。
另外，本发明的另一目的是提供一种通过利用双向场效应晶体管的具有更小尺寸和更大容量的矩阵转换器。
为了实现该目的，根据本发明的双向场效应晶体管，包括半导体衬底；栅极区域，其形成在该半导体衬底上，该区域包括平行于衬底主表面的沟道和用于控制沟道导电性的栅电极；第一区域，其提供在沟道的第一侧上；和第二区域，其提供在沟道的第二侧上；其中通过施加到栅电极的栅电压控制从第一区域经过沟道流到第二区域的第一电流和从第二区域经过沟道流到第一区域的第二电流。
在本发明中优选该栅极区域设置在第一区域和第二区域的中心。
而且，在本发明中优选栅电极和存在于第一区域中的第一电极之间的间隔基本等于栅电极和存在于第二区域中的第二电极之间的另一间隔。
此外，在本发明中优选栅极区域的沟道和存在于第一区域中的第一接触层之间的间隔基本等于栅极区域的沟道和存在于第二区域中的第二接触层之间的另一间隔。
而且，在本发明中优选该晶体管是其中栅极区域包括p-n结的结型。
而且，在本发明中优选该晶体管是其中栅极区域包括金属层、绝缘层和半导体层的MIS(金属-绝缘体-半导体)型。
而且，在本发明中优选该晶体管是其中栅极区域包括金属和半导体的肖特基结的MES(金属-半导体)型。
而且，在本发明中优选半导体衬底由SiC形成。
根据本发明的一种矩阵转换器，包括多条输入线，具有第一频率的交变电流在其中流动；多条输出线，具有第二频率的交变电流其中流动；多个开关器件，用于控制各输入线和各输出线之间的开和关；其中对于开关器件，使用上述的双向场效应晶体管。
根据本发明，在半导体衬底上，提供包括与衬底的主表面平行的沟道的栅极区域，分别在沟道的第一和第二侧上提供第一和第二区域，由此实现了可以在正向模式和反向模式工作的双向场效应晶体管，在正向模式下第一区域用作源极而第二区域用作漏极，在反向模式下第二区域用作源极而第一区域用作漏极。正向电流和反向电流可以通过施加到栅电极的栅电压控制。因此，可以仅借助单器件控制双向流动的交变电流，并且可以获得具有较小尺寸和较大容量的AC开关器件。
另外，在采用用于开关器件的双向场效应晶体管的矩阵转换器中，可以显著地减少这种功率器件的数量，由此与常规转换器相比降低了电路和冷却机构的规模并使它们简化。
图1a是示出根据本发明的矩阵转换器的实例的电路图。图1b和1c是示出开关器件的电路图。
图2是示出根据本发明的双向场效应晶体管的实例的截面图。
图3是示出根据本发明的双向场效应晶体管的另一实例的截面图。
图4是示出根据本发明的双向场效应晶体管的又一实例的截面图。
图5是示出根据本发明的双向场效应晶体管的又一实例的截面图。
图6是示出根据本发明的双向场效应晶体管的又一实例的截面图。
图7a是示出常规矩阵转换器的实例的电路图。图7b至7d是开关器件的电路图。
1衬底2缓冲层3沟道层4RESURF层10a 公共电极11a 第一电极11、12 N+接触层12a 第二电极13 P+层13a 栅电极13b 场电极14、16 绝缘层15 P层CV 矩阵转换器具体实施方式
(第一实施例)图1a是示出根据本发明的矩阵转换器的实例的电路图。图1b和1c是示出开关器件的电路图。矩阵转换器CV具有将具有一频率的AC功率转换成具有不同频率的另一AC功率的功能。在此，将说明三相到三相转换。但本发明还可以应用到三相到单相转换、三相到单相转换、单相到三相转换、单相到单相转换以及M相到N相转换。
三相AC电源PS通过三条线R、S和T提供具有频率Fa的三相AC功率。通过具有另一频率Fb的另一三相AC功率驱动三相AC电动机M，该三相AC功率是通过三条线U、V和W提供的。
矩阵转换器CV包括输入线R、S和T，输出线U、V和W，和九个开关器件SW，它们以矩阵形式布置在各条线R、S和T和各条线U、V和W之间，用于控制共有线之间的开和关。通过可以用所希望的时序操作PWM(脉宽调节)的控制电路(未示出)驱动每个开关器件SW。
在该实施例中，采用如图1c所示可以借助单器件控制双向流动的AC电流的双向场效应晶体管QA，用于这些开关器件SW。因此，一个功率器件足以组成一个单开关器件SW，以便可以相当多地减少矩阵转换器中功率器件的数量，由此相比常规转换器降低电路和冷却机构的规模并使它们简化。
(第二实施例)图2是示出根据本发明的双向场效应晶体管的实例的截面图。在此，将说明结型场效应晶体管(J-FET)。
在衬底1上形成的是缓冲层2，在缓冲层2上形成了沟道层3。在沟道层3中，存在包括与衬底1的主表面平行的沟道的栅极区域、提供在沟道第一侧(图的左侧)上的第一区域、和提供在沟道第二侧(图的右侧)上的第二区域。
在栅极区域中，提供了用于控制沟道导电性的栅电极13a。在第一区域中，提供了第一电极11a，其可以用作源电极或漏电极。在第二区域中，提供了第二电极12b，其可以用作漏电极或源电极，与第一电极11a相对。在栅极区域和第一区域之间以及在栅极区域和第二区域之间，形成了多数载流子可以通过的漂移区。
衬底1可以由半导体例如Si、SiC、GaN的晶片形成，在这里，其是由具有相对较高载流子浓度的n+层形成的。在衬底1的背面上，形成了一般接地的公共电极10a。
尤其是，衬底1和各层2和3优选由半导体材料SiC形成，其相比Si具有近似三倍大的能隙、近似十倍大的击穿电场、近似两倍高的饱和电子速度以及近似三倍大的导热性的优良物理性质，由此导致具有小尺寸和大容量的功率FET器件。
利用化学汽相沉积(CVD)等外延生长缓冲层2，在这里，其是由具有相对低的载流子浓度的p-层形成。
也利用化学汽相沉积(CVD)等外延生长沟道层3，在这里，其是由具有正常载流子浓度的n层形成的。
在沟道层3的栅极区域中，通过扩散或离子注入p型掺杂剂形成具有较高载流子浓度的p+层13。在p+层13上，形成栅电极13a。在沟道层3的第一区域中，通过扩散或离子注入n型掺杂剂形成具有相对较高载流子浓度的n+接触层11。在n+接触层11上，形成第一电极11a。在沟道层3的第二区域中，通过扩散或离子注入n型掺杂剂形成具有相对较高载流子浓度的n+接触层12。在n+接触层12上，形成第二电极12a。
接下来，下面将描述该器件的操作。当利用公共电极10a的参考电压(＝0伏)，将正电压+V施加到第一电极11a并将负电压-V施加到第二电极12a时，正向电流流过从第一电极11a经由n+接触层11、左漂移区、右漂移区和n+接触层12到第二电极12a的该路径。在该状态下，将负栅电压施加到栅电极13a，以便在p+层13和n型沟道层3的p-n结周围出现耗尽层，以减小栅极区域内的沟道的导电性，由此增加了路径的电阻并抑制正向电流。
其间，当将负电压-V施加到第一电极11a以及将正电压+V施加到第二电极12a时，反向电流流过该路径从第二电极12a经由n+接触层12、右漂移区、栅极区域内的沟道、左漂移区和n+接触层11到第一电极11a。在该状态下，将负栅电压施加到栅电极13a，以便在p+层13和n型沟道层3的p-n结周围出现耗尽层，以减小栅极区域内的沟道的导电性，由此增加该路径的电阻并抑制反向电流。
由此，第一和第二电极11a和12a可以交替地用作源电极或漏电极，并且可以通过改变栅电压控制双向流动的AC电流。
在如同上述的矩阵转换器一样控制AC功率的情况下，优选双向场效应晶体管的正向特性和反向特性(例如，漏电流与漏-源电压、漏电流与栅-源电压、导通电阻、栅-源电容、反向电压等)彼此基本相等。
对于一种方式，包括栅电极13a的栅极区域优选设置在包括第一电极11a的第一区域和包括第二电极12a的第二区域的中心。由此，左漂移区的长度L1等于右漂移区的长度L2，由此使正向和反向特性彼此基本相等。
对于另一种方式，栅电极13a和第一电极11a之间的间隔优选基本等于栅电极13a和第二电极12a之间的另一间隔，由此使正向和反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，栅极区域的沟道和n+接触层11之间的间隔优选基本等于栅极区域的沟道和n+第二接触层12之间的另一间隔，由此使正向和反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，n+接触层11的载流子浓度优选基本等于n+接触层12的载流子浓度，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，n+接触层11的深度优选基本等于n+接触层12的深度，由此使正向和反向特性彼此基本相等。
(第三实施例)图3是示出根据本发明的双向场效应晶体管的另一实例的截面图。在这里，将说明具有RESURF(减小的表面场)层的结型场效应晶体管(J-FET)。
在衬底1上形成缓冲层2，在该缓冲层2上形成沟道层3。在沟道层上形成RESURF层4。在沟道层3和RESURF层4中，存在包括与衬底1的主表面平行的沟道的栅极区域、提供在沟道第一侧(图的左侧)上的第一区域、和提供在沟道第二侧(图的右侧)上的第二区域。
在栅极区域中，提供栅电极13a用于控制沟道的导电性。在第一区域中，提供第一电极11a，其可以用作源电极或漏电极。在第二区域中，提供第二电极12a，其可以用作漏电极或源电极，与第一电极11a相对。在栅极区域和第一区域之间以及在栅极区域和第二区域之间，形成多数载流子可以穿过的漂移区。
衬底1可以由半导体例如Si、SiC、GaN的晶片形成，在这里，其由具有相对高载流子浓度的n+层形成。在衬底1的背面上，形成一般接地的公共电极10a。
尤其是，衬底1和各层2和3优选由半导体材料SiC形成，其相比Si具有近似三倍大的能隙、近似十倍高的击穿电场、近似两倍高的饱和电子速度和近似三倍大的热传导性的优良物理性质，由此导致具有小尺寸和大容量的功率FET器件。
利用化学汽相沉积(CVD)等外延生长缓冲层2，在这里，其是由具有相对较低载流子浓度的p-层形成的。
还利用化学汽相沉积(CVD)等外延生长沟道层3和RESURF层4。在这里，沟道层3由具有正常载流子浓度的n层形成。
RESURF层4由通过扩散或离子注入p型掺杂剂具有正常载流子浓度的p层形成。因此，漂移区也可包含p-n结以减缓表面附近的电场的浓度，由此提高反向电压性质。
在栅极区域中，通过扩散或离子注入p型掺杂剂形成具有相对较高载流子浓度的p+层13。在p+层13上，形成栅电极13a。在第一区域中，通过扩散或离子注入p型掺杂剂形成具有相对较高载流子浓度的n+接触层11。在n+接触层11上，形成第一电极11a。在第二区域中，通过扩散或离子注入n型掺杂剂形成具有相对较高载流子浓度的n+接触层12。在n+接触层12上，形成第二电极12a。
接下来，下面将描述该器件的操作。当利用公共电极10a的参考电压(＝0伏)，将正电压+V施加到第一电极11a并将负电压-V施加到第二电极12a时，正向电流流过该路径从第一电极11a经由n+接触层11、左漂移区、栅极区域内的沟道区、右漂移区和n+接触层12到第二电极12a。在该状态下，将负栅电压施加到栅电极13a，以便在p+层13和n型沟道层3的p-n结周围出现耗尽层，以减小栅极区域内的沟道的导电性，由此增加了路径的电阻并抑制正向电流。
其间，当将负电压-V施加到第一电极11a并将正电压+V施加到第二电极12a时，反向电流流过该路径从第二电极12a经由n+接触层12、右漂移区、栅极区域内的沟道、左漂移区和n+接触层11到第一电极11a。在该状态下，将负栅电压施加到栅电极13a，以便在p+层13和n型沟道层3的p-n结周围出现耗尽层，以减小栅极区域内的沟道的导电性，由此增加了该路径的电阻并抑制反向电流。
由此，第一和第二电极11a和12a可以交替地用作源电极或漏电极，并且可以通过改变栅电压控制双向流动的AC电流。
在如同以上提到的矩阵转换器一样控制AC功率的情况下，优选双向场效应晶体管的正向特性和反向特性(例如，漏电流与漏-源电压、漏电流与栅-源电压、导通电阻、栅-源电容、反向电压等)彼此基本相等。
对于一种方式，包括栅电极13a的栅极区域优选设置在包括第一电极11a的第一区域和包括第二电极12a的第二区域的中心。由此，左漂移区的长度L1等于右漂移区的长度L2，由此使正反特性彼此基本相等。
对于另一种方式，栅电极13a和第一电极11a之间的间隔优选基本等于栅电极13a和第二电极12a之间的另一间隔，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，栅极区域的沟道和n+接触层11之间的间隔优选基本等于栅极区域的沟道和n+第二接触层12之间的另一间隔，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，n+接触层11的载流子浓度优选基本等于n+接触层12的载流子浓度，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，n+接触层11的深度优选基本等于n+接触层12的深度，由此使正反向特性彼此基本相等。
(第四实施例)图4是示出根据本发明的双向场效应晶体管的又一实例的截面图。在这里，将说明在栅极区域中具有金属层、氧化层和半导体层的MOS(金属-氧化物-半导体)FET。当利用一般的电绝缘层代替氧化层时，可以配置一般的MIS(金属-绝缘体-半导体)FET。在MIS-FET的情况下，偏置电压施加到金属层会在半导体层和绝缘层之间的界面周围产生反型层(inversion layer)。反型层可用作载流子的沟道。
在衬底1上形成缓冲层2，在该缓冲层2上形成沟道层3。在沟道层3中，存在包括与衬底1的主表面平行的沟道的栅极区域、提供在沟道第一侧(图的左侧)上的第一区域、和提供在沟道第二侧(图的右侧)上的第二区域。
在栅极区域中，提供了形成在沟道层3上的绝缘层14和用于控制沟道导电性的栅电极13a。在第一区域中，提供了第一电极11a，其可以用作源电极或漏电极。在第二区域中，提供了第二电极12b，其可以用作漏电极或源电极，与第一电极11a相对。在栅极区域和第一区域之间以及在栅极区域和第二区域之间，形成了多数载流子可以通过的漂移区。
衬底1可以由半导体例如Si、SiC、GaN的晶片形成，在这里，其是由具有相对较高载流子浓度的n+层形成的。在衬底1的背面上，形成了一般接地的公共电极10a。
尤其是，衬底1和各层2和3优选由半导体材料SiC形成，其相比Si具有近似三倍大的能隙、近似十倍大的击穿电场、近似两倍高的饱和电子速度以及近似三倍大的导热性的优良物理性质，由此导致具有小尺寸和大容量的功率FET器件。另外，当沟道层3由SiC形成时，与Si基的MOS-FET相似，绝缘层14可以通过利用具有预定开口的掩模的氧化工艺由SiO2形成。
利用化学汽相沉积(CVD)等外延生长缓冲层2，在这里，其是由具有相对低的载流子浓度的p-层形成。
还利用化学汽相沉积(CVD)等外延生长沟道层3，在这里，其是由具有正常载流子浓度的n层形成的。
在栅极区域中，通过扩散或离子注入p型掺杂剂形成具有正常载流子浓度的p层15。在p层15上，形成栅电极13a。在第一区域中，通过扩散或离子注入n型掺杂剂形成具有相对较高载流子浓度的n+接触层11。在n+接触层11上，形成第一电极11a。在第二区域中，通过扩散或离子注入n型掺杂剂形成具有相对较高载流子浓度的n+接触层12。在n+接触层12上，形成第二电极12a。
接下来，下面将描述该器件的操作。当利用公共电极10a的参考电压(＝0伏)，将正栅电压施加到栅电极13a时，导致产生可以用作沟道的反型层。在该状态下，当将正电压+V施加到第一电极11a并将负电压-V施加到第二电极12a时，正向电流流过该路径从第一电极11a经由n+接触层11、左漂移区、栅极区域内的沟道、右漂移区和n+接触层12到第二电极12a。接下来，将负栅电压施加到栅电极13a，以便反型层消失以减小沟道的导电性，由此增加该路径的电阻并抑制正向电流。
其间，在将正栅电压施加到栅电极13a的状态下，当将负电压-V施加到第一电极11a并将正电压+V施加到第二电极12a时，反向电流流过该路径从第二电极12a经由n+接触层12、右漂移区、栅极区域内的沟道、左漂移区和n+接触层11到第一电极11a。接下来，将负栅电压施加到栅电极13a以减小沟道的导电性，由此增加该路径的电阻并抑制反向电流。
由此，第一和第二电极11a和12a可以交替地用作源电极或漏电极，并且可以通过改变栅电压控制双向流动的AC电流。顺便提及，可根据增强或耗尽模式的MOS-FET的特性任选地设计将被改变的栅电压的范围。
在如同以上提到的矩阵转换器一样控制AC功率的情况下，优选双向场效应晶体管的正向特性和反向特性(例如，漏电流与漏-源电压、漏电流与栅-源电压、导通电阻、栅-源电容、反向电压等)彼此基本相等。
对于一种方式，包括栅电极13a的栅极区域优选设置在包括第一电极11a的第一区域和包括第二电极12a的第二区域的中心。由此，左漂移区的长度L1等于右漂移区的长度L2，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于另一种方式，栅电极13a和第一电极11a之间的间隔优选基本等于栅电极13a和第二电极12a之间的另一间隔，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，栅极区域的沟道和n+接触层11之间的间隔优选基本等于栅极区域的沟道和n+第二接触层12之间的另一间隔，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，n+接触层11的载流子浓度优选基本等于n+接触层12的载流子浓度，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，n+接触层11的深度优选基本等于n+接触层12的深度，由此使正反向特性彼此基本相等。
(第五实施例)图5是示出根据本发明的双向场效应晶体管的另一实例的截面图。在这里，将说明具有金属和半导体的肖特基结的MES(金属-半导体)FET。在MES-FET的情况下，由肖特基结引起的耗尽层能改变沟道的导电性。
在衬底1上形成缓冲层2，在该缓冲层2上形成沟道层3。在沟道层3中，存在包括与衬底1的主表面平行的沟道的栅极区域、提供在沟道第一侧(图的左侧)上的第一区域、和提供在沟道第二侧(图的右侧)上的第二区域。
在栅极区域中，提供了用于控制沟道导电性的栅电极13a。在第一区域中，提供了第一电极11a，其可以用作源电极或漏电极。在第二区域中，提供了第二电极12a，其可以用作漏电极或源电极，与第一电极11a相对。在栅极区域和第一区域之间以及在栅极区域和第二区域之间，形成了多数载流子可以通过的漂移区。
衬底1可以由半导体例如Si、SiC、GaN的晶片形成，在这里，其是由具有相对较高载流子浓度的n+层形成的。在衬底1的背面上，形成了一般接地的公共电极10a。
尤其是，衬底1和各层2和3优选由半导体材料SiC形成，其相比Si具有近似三倍大的能隙、近似十倍大的击穿电场、近似两倍高的饱和电子速度以及近似三倍大的导热性的优良物理性质，由此导致具有小尺寸和大容量的功率FET器件。
利用化学汽相沉积(CVD)等外延生长缓冲层2，在这里，其是由具有相对低的载流子浓度的p-层形成。
还利用化学汽相沉积(CVD)等外延生长沟道层3，在这里，其是由具有正常载流子浓度的n层形成的。
在栅极区域中，在沟道层3上直接形成栅电极13a。在第一区域中，通过扩散或离子注入n型掺杂剂形成具有相对较高载流子浓度的n+接触层11。在n+接触层11上，形成第一电极11a。在第二区域中，通过扩散或离子注入n型掺杂剂形成具有相对较高载流子浓度的n+接触层12。在n+接触层12上，形成第二电极12a。
接下来，下面将描述该器件的操作。当利用公共电极10a的参考电压(＝0伏)，将正栅电压施加到栅电极13a时，栅极区域中的耗尽层减少。在该状态下，当将正电压+V施加到第一电极11a并将负电压-V施加到第二电极12a时，正向电流流过该路径从第一电极11a经由n+接触层11、左漂移区、栅极区域内的沟道、右漂移区和n+接触层12到第二电极12a。接下来，将负栅电压施加到栅电极13a，以便增加耗尽层以减小沟道的导电性，由此增加该路径的电阻并抑制正向电流。
其间，在将正栅电压施加到栅电极13a的状态下，当将负电压-V施加到第一电极11a并将正电压+V施加到第二电极12a时，反向电流流过该路径从第二电极12a经由n+接触层12、右漂移区、栅极区域内的沟道、左漂移区和n+接触层11到第一电极11a。接下来，将负栅电压施加到栅电极13a以减小沟道的导电性，由此增加该路径的电阻并抑制反向电流。
由此，第一和第二电极11a和12a可以交替地用作源电极或漏电极，并且通过改变栅电压可以控制双向流动的AC电流。
在如同以上提到的矩阵转换器一样控制AC功率的情况下，优选双向场效应晶体管的正向特性和反向特性(例如，漏电流与漏-源电压、漏电流与栅-源电压、导通电阻、栅-源电容、反向电压等)彼此基本相等。
对于一种方式，包括栅电极13a的栅极区域优选设置在包括第一电极11a的第一区域和包括第二电极12a的第二区域的中心，也就是如图5所示，栅极区域的中心线S和第一区域之间的距离L1优选等于栅极区域的中心线S和第二区域的长度L2。由此，左漂移区的长度L1等于右漂移区的长度L2，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于另一种方式，栅电极13a和第一电极11a之间的间隔优选基本等于栅电极13a和第二电极12a之间的另一间隔，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，栅极区域的沟道和n+接触层11之间的间隔优选基本等于栅极区域的沟道和n+第二接触层12之间的另一间隔，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，n+接触层11的载流子浓度优选基本等于n+接触层12的载流子浓度，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，n+接触层11的深度优选基本等于n+接触层12的深度，由此使正反向特性彼此基本相等。
(第六实施例)图6是示出根据本发明的双向场效应晶体管的另一实例的截面图。在这里，将说明具有场电极(field plate)结构的MES-FET。提供这种场电极结构用于减轻半导体内部的电场集中并提高击穿电压。在这里，说明了场电极结构位于栅电极附近，但可位于源或漏电极附近。
在衬底1上形成缓冲层2，在该缓冲层2上形成沟道层3。在沟道层3中，存在包括与衬底1的主表面平行的沟道的栅极区域、提供在沟道第一侧(图的左侧)上的第一区域、和提供在沟道第二侧(图的右侧)上的第二区域。
在栅极区域中，提供了用于控制沟道导电性的栅电极13a。在第一区域中，提供了第一电极11a，其可以用作源电极或漏电极。在第二区域中，提供了第二电极12b，其可以用作漏电极或源电极，与第一电极11a相对。在栅极区域和第一区域之间以及在栅极区域和第二区域之间，形成了多数载流子可以通过的漂移区。
衬底1可以由半导体例如Si、SiC、GaN的晶片形成，在这里，其是由具有相对较高载流子浓度的n+层形成的。在衬底1的背面上，形成了一般接地的公共电极10a。
尤其是，衬底1和各层2和3优选由半导体材料SiC形成，其相比Si具有近似三倍大的能隙、近似十倍大的击穿电场、近似两倍高的饱和电子速度以及近似三倍大的导热性的优良物理性质，由此导致具有小尺寸和大容量的功率FET器件。
利用化学汽相沉积(CVD)等外延生长缓冲层2，在这里，其是由具有相对低的载流子浓度的p-层形成。
也利用化学汽相沉积(CVD)等外延生长沟道层3，在这里，其是由具有正常载流子浓度的n层形成的。在沟道层3上，除电极的每个位置外，形成SiO2的绝缘层16。
在栅极区域中，在沟道层3上直接形成栅电极13a，并且在绝缘层16上提供导电场电极13b，以围绕栅电极13a的外围边缘。由于电场集中发生在沟道层3内部栅电极13a的边缘附近，所以场电极13b可以起作用，以减轻边缘附近的电场集中。
在第一区域中，通过扩散或离子注入n型掺杂剂形成具有相对较高载流子浓度的n+接触层11。在n+接触层11上，形成第一电极11a。在第二区域中，通过扩散或离子注入n型掺杂剂形成具有相对较高载流子浓度的n+接触层12。在n+接触层12上，形成第二电极12a。
接下来，下面将描述该器件的操作。当利用公共电极10a的参考电压(＝0伏)，将正栅电压施加到栅电极13a时，栅极区域中的耗尽层减少。在该状态下，当将正电压+V施加到第一电极11a而将负电压-V施加到第二电极12a时，正向电流流过该路径从第一电极11a经由n+接触层11、左漂移区、栅极区域内的沟道、右漂移区和n+接触层12到第二电极12a。接下来，将负栅电压施加到栅电极13a，以便增加耗尽层以减小沟道的导电性，由此增加该路径的电阻并抑制正向电流。
其间，在将正栅电压施加到栅电极13a的状态下，当将负电压-V施加到第一电极11a而将正电压+V施加到第二电极12a时，反向电流流过该路径从第二电极12a经由n+接触层12、右漂移区、栅极区域内的沟道、左漂移区和n+接触层11到第一电极11a。接下来，将负栅电压施加到栅电极13a以减小沟道的导电性，由此增加该路径的电阻并抑制反向电流。
由此，第一和第二电极11a和12a可以交替地用作源电极或漏电极，并且通过改变栅电压可以控制双向流动的AC电流。
在如同以上提到的矩阵转换器一样控制AC功率的情况下，优选双向场效应晶体管的正向特性和反向特性(例如，漏电流与漏-源电压、漏电流与栅-源电压、导通电阻、栅-源电容、反向电压等)彼此基本相等。
对于一种方式，包括栅电极13a的栅极区域优选设置在包括第一电极11a的第一区域和包括第二电极12a的第二区域的中心，也就是如图6所示，栅极区域的中心线S和第一区域之间的距离L1优选等于栅极区域的中心线S和第二区域的长度L2。由此，左漂移区的长度L1等于右漂移区的长度L2，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于另一种方式，栅电极13a和第一电极11a之间的间隔优选基本等于栅电极13a和第二电极12a之间的另一间隔，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，栅极区域的沟道和n+接触层11之间的间隔优选基本等于栅极区域的沟道和n+第二接触层12之间的另一间隔，由此使正反特性彼此基本相等。
对于又一种方式，n+接触层11的载流子浓度优选基本等于n+接触层12的载流子浓度，由此使正反向特性彼此基本相等。
对于又一种方式，n+接触层11的深度优选基本等于n+接触层12的深度，由此使正反向特性彼此基本相等。
顺便提及，在每一个上述实施例中，衬底1和沟道层3是n型的，而缓冲层2、RESURF层4(图3)和p层15(图4)是p型的。但本发明也可以应用到具有相反导电型的各层的情况。
本发明提出了新的双向场效应晶体管，它们在各种AC功率控制装置(例如矩阵转换器)规模缩小和提高容量方面非常有用。
权利要求
1.一种双向场效应晶体管，包括半导体衬底；栅极区域，其形成在该半导体衬底上，该区域包括平行于衬底主表面的沟道，和用于控制该沟道导电性的栅电极；第一区域，其提供在该沟道的第一侧上；和第二区域，其提供在该沟道的第二侧上；其中通过施加到栅电极的栅电压来控制从第一区域经过沟道流到第二区域的第一电流和从第二区域经过沟道流到第一区域的第二电流。
2.根据权利要求1的双向场效应晶体管，其中该栅极区域设置在该第一区域和第二区域的中心。
3.根据权利要求1的双向场效应晶体管，其中该栅电极和居于该第一区域中的第一电极之间的间隔基本等于该栅电极和居于该第二区域中的第二电极之间的另一间隔。
4.根据权利要求1的双向场效应晶体管，其中该栅极区域的沟道和居于该第一区域中的第一接触层之间的间隔基本等于该栅极区域的沟道和居于该第二区域中的第二接触层之间的另一间隔。
5.根据权利要求1的双向场效应晶体管，其中该晶体管是其中栅极区域包括p-n结的结型。
6.根据权利要求1的双向场效应晶体管，其中该晶体管是其中栅极区域包括金属层、绝缘层和半导体层的MIS型。
7.根据权利要求1的双向场效应晶体管，其中该晶体管是其中栅极区域包括金属和半导体的肖特基结的MES型。
8.根据权利要求1的双向场效应晶体管，其中该半导体衬底由SiC形成。
9.一种矩阵转换器，包括多条输入线，具有第一频率的交变电流在其中流动；多条输出线，具有第二频率的交变电流在其中流动；多个开关器件，用于控制各输入线和各输出线之间的开和关；其中对于开关器件，使用根据权利要求1至8中任一项所述的双向场效应晶体管。
全文摘要
本发明提供一种双向场效应晶体管和使用该晶体管的矩阵转换器，其中可以借助单个器件控制双向流动的电流。该双向场效应晶体管包括半导体衬底(1)；栅极区域，其设置在半导体衬底(1)上，具有平行于衬底(1)的主表面的沟道和用于控制沟道导电性的栅电极；第一区域，其设置在沟道的第一侧上；和第二区域，其设置在沟道的第二侧上；其中可以通过施加到栅电极(13a)的栅电压，来控制从第一区域的第一电极(11a)经过该沟道流到第二区域的第二电极(12a)的正向电流和从第二电极(12a)经过该沟道流到第一电极(11a)的反向电流。
文档编号H01L29/808GK101076882SQ20058004252
公开日2007年11月21日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年12月9日
发明者藤川一洋 申请人:住友电气工业株式会社