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      分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件及其制作方法與流程

      文檔序號:11252714
      分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件及其制作方法與流程

      本發明屬于微電子技術領域,涉及半導體器件,特別是分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件,可用于電力電子系統。

      技術背景

      功率半導體器件是電力電子技術的核心元件,隨著能源和環境問題的日益突出,研發新型高性能、低損耗功率器件就成為提高電能利用率、節約能源、緩解能源危機的有效途徑之一。而在功率器件研究中,高速、高壓與低導通電阻之間存在著嚴重的制約關系,合理、有效地改進這種制約關系是提高器件整體性能的關鍵。隨著微電子技術的發展,傳統第一代Si半導體和第二代GaAs半導體功率器件性能已接近其材料本身決定的理論極限。為了能進一步減少芯片面積、提高工作頻率、提高工作溫度、降低導通電阻、提高擊穿電壓、降低整機體積、提高整機效率,以GaN為代表的寬禁帶半導體材料,憑借其更大的禁帶寬度、更高的臨界擊穿電場和更高的電子飽和漂移速度,且化學性能穩定、耐高溫、抗輻射等突出優點,在制備高性能功率器件方面脫穎而出,應用潛力巨大。特別是采用GaN基異質結結構的橫向高電子遷移率晶體管,即橫向GaN基高電子遷移率晶體管HEMT器件,更是因其低導通電阻、高擊穿電壓、高工作頻率等特性,成為了國內外研究和應用的熱點、焦點。

      然而,在橫向GaN基HEMT器件中,為了獲得更高的擊穿電壓,需要增加柵漏間距,這會增大器件尺寸和導通電阻,減小單位芯片面積上的有效電流密度和芯片性能,從而導致芯片面積和研制成本的增加。此外,在橫向GaN基HEMT器件中,由高電場和表面態所引起的電流崩塌問題較為嚴重,盡管當前已有眾多抑制措施,但電流崩塌問題依然沒有得到徹底解決。為了解決上述問題,研究者們提出了垂直型GaN基電流孔徑異質結場效應器件,也是一種電流孔徑功率器件,參見AlGaN/GaN current aperture vertical electron transistors,IEEE Device Research Conference,pp.31-32,2002。GaN基電流孔徑異質結場效應器件可通過增加漂移層厚度提高擊穿電壓,避免了犧牲器件尺寸和導通電阻的問題,因此可以實現高功率密度芯片。而且在GaN基電流孔徑異質結場效應器件中,高電場區域位于半導體材料體內,這可以徹底地消除電流崩塌問題。2004年,Ilan Ben-Yaacov等人利用刻蝕后MOCVD再生長溝道技術研制出AlGaN/GaN電流孔徑異質結場效應器件,該器件未采用鈍化層,最大輸出電流為750mA/mm,跨導為120mS/mm,兩端柵擊穿電壓為65V,且電流崩塌效應得到顯著抑制,參見AlGaN/GaN current aperture vertical electron transistors with regrown channels,Journal of Applied Physics,Vol.95,No.4,pp.2073-2078,2004。2012年,Srabanti Chowdhury等人利用Mg離子注入電流阻擋層結合等離子輔助MBE再生長AlGaN/GaN異質結的技術,研制出基于GaN襯底的電流孔徑異質結場效應器件,該器件采用3μm漂移層,最大輸出電流為4kA·cm-2,導通電阻為2.2mΩ·cm2,擊穿電壓為250V,且抑制電流崩塌效果好,參見CAVET on Bulk GaN Substrates Achieved With MBE-Regrown AlGaN/GaN Layers to Suppress Dispersion,IEEE Electron Device Letters,Vol.33,No.1,pp.41-43,2012。同年,由Masahiro Sugimoto等人提出的一種增強型GaN基電流孔徑異質結場效應器件,參見Transistor,US8188514B2,2012。此外,2014年,Hui Nie等人基于GaN襯底研制出一種增強型GaN基電流孔徑異質結場效應器件,該器件閾值電壓為0.5V,飽和電流大于2.3A,擊穿電壓為1.5kV,導通電阻為2.2mΩ·cm2,參見1.5-kV and 2.2-mΩ-cm2Vertical GaN Transistors on Bulk-GaN Substrates,IEEE Electron Device Letters,Vol.35,No.9,pp.939-941,2014。

      上述傳統GaN基電流孔徑異質結場效應器件是基于GaN基寬禁帶半導體異質結結構,其包括:襯底1、漂移層2、孔徑層3、左、右兩個對稱的電流阻擋層4、孔徑5、溝道層6和勢壘層7;勢壘層7上的兩側淀積有兩個源極9,兩個源極9下方通過離子注入形成兩個注入區8,源極9之間的勢壘層上面淀積有柵極10,襯底1下面淀積有漏極11,如圖1所示。

      經過十多年的理論和實驗研究,研究者們發現,上述傳統GaN基電流孔徑異質結場效應器件結構上存在固有缺陷,會導致器件中電場強度分布極不均勻,尤其是在電流阻擋層與孔徑區域交界面下方附近的半導體材料中存在極高的電場峰值,從而引起器件過早擊穿。這使得實際工藝中很難實現通過增加n型GaN漂移層的厚度來持續提高器件的擊穿電壓。因此,傳統結構GaN基電流孔徑異質結場效應器件的擊穿電壓普遍不高。為了獲得更高的器件擊穿電壓,并可以通過增加n型GaN漂移層的厚度來持續提高器件的擊穿電壓,2013年,Zhongda Li等人利用數值仿真技術研究了一種基于超結的增強型GaN基電流孔徑異質結場效應器件,研究結果表明超結結構可以有效調制器件內部的電場分布,使處于關態時器件內部各處電場強度趨于均勻分布,因此器件擊穿電壓可達5~20kV,且采用3μm半柱寬時擊穿電壓為12.4kV,而導通電阻僅為4.2mΩ·cm2,參見Design and Simulation of 5-20-kV GaN Enhancement-Mode Vertical Superjunction HEMT,IEEE Transactions on Electron Decices,Vol.60,No.10,pp.3230-3237,2013。采用超結的GaN基電流孔徑異質結場效應器件從理論上可以獲得高擊穿電壓,且可實現擊穿電壓隨n型GaN漂移層厚度的增加而持續提高,是目前國內外已報道文獻中擊穿電壓最高的一種非常有效的大功率器件結構。然而,超結結構的制造工藝難度非常大,尤其是厚n型GaN漂移層情況下,幾乎無法實現高性能超結結構的制作。此外,在采用超結結構的GaN基電流孔徑異質結場效應器件中,當器件導通時超結附近會產生額外的導通電阻,且該導通電阻會隨著漂移層厚度的增加而不斷增加,因此雖然器件的擊穿電壓隨著漂移層厚度的增加而提高,但是器件的導通電阻也會相應的增加,器件中擊穿電壓與導通電阻之間的矛盾并沒有徹底解決。因此,探索和研發制造工藝簡單、擊穿電壓高、導通電阻小的新型GaN基電流孔徑異質結場效應器件,非常必要、迫切,具有重要的現實意義。

      場板結構已成為橫向GaN基HEMT器件中用于提高器件擊穿電壓和可靠性的一種成熟、有效的場終端技術,且該技術可以實現器件擊穿電壓隨場板的長度和結構變化而持續增加。近年來,通過利用場板結構已使橫向GaN基HEMT器件的性能取得了突飛猛進的提升,參見High Breakdown Voltage AlGaN–GaN Power-HEMT Design and High Current Density Switching Behavior,IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.50,No.12,pp.2528-2531,2003,和High Breakdown Voltage AlGaN–GaN HEMTs Achieved by Multiple Field Plates,IEEE Electron Device Letters,Vol.25,No.4,pp.161-163,2004,以及High Breakdown Voltage Achieved on AlGaN/GaN HEMTs With Integrated Slant Field Plates,IEEE Electron Device Letters,Vol.27,No.9,pp.713-715,2006。因此,將場板結構引入GaN基電流孔徑異質結場效應器件中,以提高器件的擊穿電壓,具有非常重要的優勢。然而,截至目前國內外仍然沒有將場板結構成功應用于GaN基電流孔徑異質結場效應器件中的先例,這主要是由于GaN基電流孔徑異質結場效應器件結構上的固有缺陷,會導致器件漂移層中最強電場峰位于電流阻擋層與孔徑層交界面下方附近,該電場峰遠離漂移層兩側表面,因此場板結構幾乎無法發揮有效調制器件中電場分布的作用,即使在GaN基電流孔徑異質結場效應器件中采用了場板結構,器件性能也幾乎沒有任何提高。



      技術實現要素:

      本發明的目的在于針對上述已有技術的不足,提供一種分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件及其制作方法,以減小器件的制作難度,提高器件的擊穿電壓,并實現擊穿電壓的可持續增加,緩解器件擊穿電壓與導通電阻之間的矛盾,改善器件的擊穿特性和可靠性。

      為實現上述目的,本發明的技術方案是這樣實現的:

      一、器件結構

      一種分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件,包括:襯底1、漂移層2、孔徑層3、兩個對稱的電流阻擋層4、溝道層6和勢壘層7,勢壘層7上的兩側淀積有兩個源極9,兩個源極下方通過離子注入形成兩個注入區8,源極之間的勢壘層上面淀積有柵極10,襯底下面淀積有漏極11,在除漏極底部以外的所有區域完全包裹有鈍化層13,兩個電流阻擋層之間形成孔徑5,其特征在于:

      所述兩個電流阻擋層,采用由第一阻擋層41和第二阻擋層42構成的二級階梯結構,且第一阻擋層41位于第二阻擋層42的外側;

      所述鈍化層13,是由若干層絕緣介質材料自下而上堆疊而成,兩側的鈍化層內制作有分段柵場板12;

      所述分段柵場板12,是由m個浮空場板和一個柵場板構成,所有浮空場板相互獨立,柵場板與柵極10電氣連接,m根據器件實際使用要求確定,其值為大于等于1的整數;

      二、制作方法

      一種制作分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件的方法,包括:

      A.在襯底1上外延n-型GaN半導體材料,形成漂移層2;

      B.在漂移層2上外延n型GaN半導體材料,形成厚度h為0.5~3μm、摻雜濃度為1×1015~1×1018cm-3的孔徑層3;

      C.在孔徑層3上第一次制作掩膜,利用該掩膜在孔徑層內的兩側位置注入劑量為1×1015~1×1016cm-2的p型雜質,制作厚度a與孔徑層厚度h相同,寬度c為0.2~1μm的兩個第一阻擋層41;

      D.在孔徑層3和左右第一阻擋層41上第二次制作掩膜,利用該掩膜在左右第一阻擋層41之間的孔徑層內的兩側注入劑量為1×1015~1×1016cm-2的p型雜質,制作厚度b為0.3~1μm,寬度d為1.4~3.4μm的兩個第二阻擋層42,兩個第一阻擋層41與兩個第二阻擋層42構成兩個對稱的二級階梯結構的電流阻擋層4,左右電流阻擋層4之間形成孔徑5;

      E.在兩個第一阻擋層41、兩個第二阻擋層42和孔徑5上部外延GaN半導體材料,形成厚度為0.04~0.2μm的溝道層6;

      F.在溝道層6上部外延GaN基寬禁帶半導體材料,形成厚度為5~50nm的勢壘層7;

      G.在勢壘層7上部第三次制作掩模,利用該掩膜在勢壘層內兩側注入劑量為1×1015~1×1016cm-2的n型雜質,以制作注入區8,其中,兩個注入區的深度均大于勢壘層厚度,且小于溝道層6與勢壘層兩者的總厚度;

      H.在兩個注入區8上部和勢壘層7上部第四次制作掩模,利用該掩膜在兩個注入區上部淀積金屬,以制作源極9;

      I.在源極9上部和勢壘層7上部第五次制作掩模,利用該掩膜在左、右兩側源極9之間的勢壘層7上部淀積金屬,以制作柵極10;

      J.在整個襯底1的背面上淀積金屬,以制作漏極11;

      K.淀積絕緣介質材料,以包裹除了漏極11底部以外的所有區域,其中,在襯底1和漂移層2的左、右兩側所淀積的絕緣介質材料上邊界距離襯底1的上邊界的垂直距離W為5~10μm;

      L.在步驟K中淀積的絕緣介質材料上制作掩膜,利用該掩膜在左、右兩側的絕緣介質上淀積金屬,以制作第一浮空場板,第一浮空場板距離漂移層2的水平距離為T;

      M.在左、右兩側分別制作第二浮空場板、第三浮空場板至第m浮空場板:

      M1)在第一浮空場板和步驟K中淀積的絕緣介質材料上再淀積一層絕緣介質材料;

      M2)在步驟M1)淀積的絕緣介質材料上制作掩膜,利用該掩膜在左、右兩側的絕緣介質上淀積金屬,以制作第二浮空場板,第二浮空場板與第一浮空場板間距為S1,第二浮空場板距離漂移層2的水平距離為T;

      M3)在第二浮空場板和步驟M1)淀積的絕緣介質材料上再淀積一層絕緣介質材料;

      M4)在步驟M3)淀積的絕緣介質材料上制作掩膜,利用該掩膜在左、右兩側的絕緣介質上淀積金屬,以制作第三浮空場板,第三浮空場板與第二浮空場板間距為S2,第三浮空場板距離漂移層2的水平距離為T;

      依次類推,直至形成第m浮空場板,m根據器件實際使用要求確定,其值為大于等于1的整數;

      N.制作柵場板:

      N1)在第m浮空場板和左、右兩側的絕緣介質材料上再次淀積一層絕緣介質材料;

      N2)在步驟N1)淀積的左、右兩側的絕緣介質材料上制作掩膜,并利用該掩膜在左、右兩側的絕緣介質上淀積金屬,以制作柵場板,柵場板與第m浮空場板的間距為Sm,柵場板距離漂移層2的水平距離為T;

      N3)將柵場板與柵極電氣連接,第一浮空場板至第m浮空場板與柵場板共同構成分段柵場板12;

      O.淀積絕緣介質材料以覆蓋器件上部,所有淀積的絕緣介質材料共同形成鈍化層13,完成整個器件的制作。

      本發明器件與傳統GaN基電流孔徑異質結場效應器件比較,具有以下優點:

      a.實現擊穿電壓持續增加。

      本發明采用二級階梯形式的電流阻擋層,使器件內部的第一阻擋層、第二阻擋層與孔徑層交界面下方附近均會產生一個電場峰,且第一阻擋層對應的電場峰值大于第二阻擋層對應的電場峰值;由于第一阻擋層的電場峰非常接近漂移層兩側表面,便可以利用分段柵場板有效減弱漂移層兩側表面附近第一阻擋層對應的電場峰,并可以在各浮空場板和柵場板處漂移層兩側表面附近形成新的電場峰,且該電場峰數目與浮空場板和柵場板的數目相等;

      通過調整分段柵場板與漂移層之間鈍化層的厚度、電流阻擋層的尺寸和摻雜、各浮空場板之間的間距等,可以使得電流阻擋層與孔徑層交界面下方附近的電場峰值與分段柵場板對應的漂移層內各電場峰值相等,且小于GaN基寬禁帶半導體材料的擊穿電場,從而提高了器件的擊穿電壓,且通過增加浮空場板的數目可實現擊穿電壓的持續增加。

      b.在提高器件擊穿電壓的同時,器件導通電阻幾乎恒定。

      本發明通過在器件兩側采用分段柵場板的方法來提高器件擊穿電壓,由于場板不會影響器件導通電阻,當器件導通時,在器件內部漂移層只存在由電流阻擋層所產生的耗盡區,即高阻區,并未引入其它耗盡區,因此,隨著浮空場板數目增加,器件的擊穿電壓持續增加,而導通電阻幾乎保持恒定。

      c.工藝簡單,易于實現,提高了成品率。

      本發明器件結構中,分段柵場板的制作是通過在漂移層兩側多次淀積金屬而實現的,其工藝簡單,且不會對器件中半導體材料產生損傷,避免了采用超結的GaN基電流孔徑異質結場效應器件結構所帶來的工藝復雜化問題,大大提高了器件的成品率。

      以下結合附圖和實施例進一步說明本發明的技術內容和效果。

      附圖說明

      圖1是傳統GaN基電流孔徑異質結場效應器件的結構圖;

      圖2是本發明分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件的結構圖;

      圖3是本發明制作分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件的流程圖;

      圖4是對傳統器件和本發明器件仿真所得沿器件右側電流阻擋層左邊緣的縱向電場分布;

      圖5是對傳統器件和本發明器件仿真所得沿器件漂移層右側邊緣的縱向電場分布圖。

      具體實施方式

      參照圖2,本發明分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件是基于GaN基寬禁帶半導體異質結結構,其包括:襯底1、漂移層2、孔徑層3、孔徑層3內有左右兩個對稱的電流阻擋層4、溝道層6和勢壘層7,勢壘層7上的兩側淀積有兩個源極9,兩個源極9下方通過離子注入形成兩個注入區8,源極9之間的勢壘層上面淀積有柵極10,襯底1下面淀積有漏極11,除漏極11底部以外的所有區域包裹有鈍化層13,兩側的鈍化層內制作有分段柵場板12,兩個對稱的電流阻擋層4之間形成孔徑5,其中:

      所述襯底1,采用n+型GaN;

      所述漂移層2,位于襯底1上部,其摻雜濃度為1×1015~1×1018cm-3;

      所述孔徑層3,位于漂移層2上部,其厚度h為0.5~3μm、摻雜濃度為1×1015~1×1018cm-3;

      所述電流阻擋層4,是由第一阻擋層41和第二阻擋層42構成的二級階梯結構,其中:兩個第一阻擋層41位于孔徑層3內的左右兩側,兩個第二阻擋層42位于兩個第一阻擋層41的內側,各阻擋層均采用p型摻雜,p型雜質的注入劑量為1×1015~1×1016cm-2;該第一阻擋層41的厚度a為0.5~3μm,寬度c為0.2~1μm,該第二阻擋層42的厚度b為0.3~1μm,寬度d為1.4~3.4μm,且a>b,d≤3.5a,兩個對稱的電流阻擋層4之間形成孔徑5;

      所述溝道層6,位于兩個電流阻擋層4和孔徑5上部,其厚度為0.04~0.2μm;

      所述勢壘層7,位于溝道層6上部,其由若干層相同或不同的GaN基寬禁帶半導體材料組成,厚度為5~50nm;

      所述兩個注入區8,其深度均大于勢壘層厚度,且小于溝道層與勢壘層兩者的總厚度;

      所述柵極10,其與兩個電流阻擋層4在水平方向上的交疊長度大于0μm;

      所述鈍化層13,由若干層絕緣介質材料自下而上堆疊而成,絕緣介質材料可采用SiO2、SiN、Al2O3、Sc2O3、HfO2、TiO2中的任意一種或其它絕緣介質材料;

      所述分段柵場板12,是由m個浮空場板和一個柵場板構成的,左右兩側的分段柵場板完全對稱,m個浮空場板自下而上依次為第一浮空場板至第m浮空場板,所有浮空場板相互獨立,m根據器件實際使用要求確定,其值為大于等于1的整數,兩個柵場板與柵極10電氣連接;每個浮空場板的厚度L相同,為0.5~3μm,寬度R相同,為0.5~5μm,左右柵場板與漂移層2在垂直方向上的交疊長度等于L,且左右柵場板的寬度均為R;同一側的柵場板及各浮空場板,均相互平行,相鄰兩個場板之間的間距Si不同,且自下而上依次減小,第m浮空場板與柵場板的垂直間距Sm的范圍為0.1~1μm,i為整數且m≥i≥1;在分段柵場板12中,同一側的柵場板及各浮空場板均相互平行,且距離漂移層2的水平距離均為T,T近似滿足關系:d≤3.5a,其中,a為第一阻擋層41的厚度,d為第二阻擋層42的寬度;每個柵場板的上邊緣所在高度高于第一阻擋層41下邊緣所在高度。

      參照圖3,本發明制作分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件的過程,給出如下三種實施例:

      實施例一:制作鈍化層為SiN,且浮空場板數目為2的分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件。

      步驟1.在襯底1上外延n-型GaN,形成漂移層2,如圖3a。

      采用n+型GaN做襯底1,使用金屬有機物化學氣相淀積技術,在襯底1上外延摻雜濃度為1×1015cm-3的n-型GaN半導體材料,形成漂移層2,其中:

      外延采用的工藝條件為:溫度為950℃,壓強為40Torr,以SiH4為摻雜源,氫氣流量為4000sccm,氨氣流量為4000sccm,鎵源流量為100μmol/min。

      步驟2.在漂移層2上外延n型GaN,形成孔徑層3,如圖3b。

      使用金屬有機物化學氣相淀積技術,在漂移層2上外延厚度為0.5μm、摻雜濃度為1×1015cm-3的n型GaN半導體材料,形成孔徑層3,其中:

      外延采用的工藝條件為:溫度為950℃,壓強為40Torr,以SiH4為摻雜源,氫氣流量為4000sccm,氨氣流量為4000sccm,鎵源流量為100μmol/min。

      步驟3.制作第一阻擋層41,如圖3c。

      3a)在孔徑層3上第一次制作掩膜;

      3b)使用離子注入技術,在孔徑層內的兩側位置注入劑量為1×1015cm-2的p型雜質Mg,制作厚度a為0.5μm,寬度c為0.2μm的兩個第一阻擋層41。

      步驟4.制作第二阻擋層42,完成電流阻擋層4和孔徑5的制作,如圖3d。

      4a)在孔徑層3和兩個第一阻擋層41上第二次制作掩膜;

      4b)使用離子注入技術,在左、右第一阻擋層41之間的孔徑層3內兩側注入劑量為1×1015cm-2的p型雜質Mg,制作厚度b為0.3μm,寬度d為1.4μm的兩個第二阻擋層42,兩個第一阻擋層和兩個第二阻擋層構成兩個對稱的二級階梯結構的電流阻擋層4,左、右兩個電流阻擋層4之間形成孔徑5。

      步驟5.外延GaN材料制作溝道層6,如圖3e。

      使用分子束外延技術,在兩個第一阻擋層41、兩個第二阻擋層42和孔徑5的上部外延厚度為0.04μm的GaN材料,形成溝道層6,其中:

      分子束外延的工藝條件為:真空度小于等于1.0×10-10mbar,射頻功率為400W,反應劑采用N2、高純Ga源。

      步驟6.外延Al0.5Ga0.5N,制作勢壘層7,如圖3f。

      使用分子束外延技術在溝道層6上外延厚度為5nm的Al0.5Ga0.5N材料,形成勢壘層7,其中:

      分子束外延的工藝條件為:真空度小于等于1.0×10-10mbar,射頻功率為400W,反應劑采用N2、高純Ga源、高純Al源。

      步驟7.制作左、右兩個注入區8,如圖3g。

      7a)在勢壘層7上部第三次制作掩模;

      7b)使用離子注入技術,在勢壘層7內的兩側注入劑量為1×1015cm-2的n型雜質Si,形成深度為0.01μm的注入區8;

      7c)在1200℃溫度下進行快速熱退火。

      步驟8.制作源極9,如圖3h。

      8a)在兩個注入區8上部和勢壘層7上部第四次制作掩模;

      8b)使用電子束蒸發技術,在兩個注入區上部淀積Ti/Au/Ni組合金屬,形成源極9,其中:所淀積的金屬,自下而上,Ti的厚度為0.02μm、Au的厚度為0.3μm、Ni的厚度為0.05μm;

      電子束蒸發的工藝條件為:真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于

      步驟9.制作柵極10,如圖3i。

      9a)在源極9上部和勢壘層7上部第五次制作掩模;

      9b)使用電子束蒸發技術,在勢壘層7上淀積Ni/Au/Ni組合金屬,形成柵極10,其中:所淀積的金屬,自下而上,Ni的厚度為0.02μm、Au的厚度為0.2μm、Ni的厚度為0.04μm,柵極10與兩個電流阻擋層4在水平方向上的交疊長度均為0.3μm;

      電子束蒸發的工藝條件為:真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于

      步驟10.制作漏極11,如圖3j。

      使用電子束蒸發技術,在整個襯底1的背面上依次淀積金屬Ti、Au、Ni,形成漏極11,其中:所淀積的金屬,Ti的厚度為0.02μm,Au的厚度為0.7μm,Ni的厚度為0.05μm;

      淀積金屬所采用的工藝條件為:真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于

      步驟11.淀積SiN絕緣介質材料,如圖3k。

      使用等離子體增強化學氣相淀積技術,淀積SiN絕緣介質材料,以包裹除了漏極11底部以外的所有區域,其中,左、右兩側的SiN絕緣介質材料上邊界距離襯底1上邊界的垂直距離W為5μm;

      淀積SiN絕緣介質材料的工藝條件是:氣體為NH3、N2及SiH4,氣體流量分別為2.5sccm、950sccm和250sccm,溫度、射頻功率和壓強分別為300℃、25W和950mTorr。

      步驟12.制作第一浮空場板,如圖3l。

      12a)在步驟11中淀積的SiN絕緣介質材料上制作掩膜;

      12b)使用電子束蒸發技術,在左、右兩側的SiN絕緣介質材料上淀積金屬Ti,以制作厚度L為3μm,寬度R為0.5μm的第一浮空場板,且第一浮空場板距離漂移層2的水平距離T為0.49μm;

      電子束蒸發的工藝條件為:真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于

      步驟13.淀積SiN絕緣介質材料和金屬,以制作第二浮空場板,如圖3m。

      13a)使用等離子體增強化學氣相淀積技術,在第一浮空場板和步驟11中淀積的SiN絕緣介質材料上再淀積一層SiN絕緣介質材料;

      13b)在步驟13a)淀積的SiN絕緣介質材料上制作掩膜;

      13c)使用電子束蒸發技術,在左、右兩側的SiN絕緣介質上淀積金屬Ti,以制作厚度L為3μm,寬度R為0.5μm的第二浮空場板,且第二浮空場板與第一浮空場板間距S1為0.105μm,第二浮空場板距離漂移層2的水平距離T為0.49μm;

      淀積SiN絕緣介質材料的工藝條件是:氣體為NH3、N2及SiH4,氣體流量分別為2.5sccm、950sccm和250sccm,溫度、射頻功率和壓強分別為300℃、25W和950mTorr;

      電子束蒸發的工藝條件為:真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于

      步驟14.淀積SiN絕緣介質材料和金屬,以制作柵場板,如圖3n。

      14a)使用等離子體增強化學氣相淀積技術,在第二浮空場板和步驟13a)中淀積的絕緣介質材料上再淀積一層SiN絕緣介質材料;

      14b)在步驟14a)淀積的SiN絕緣介質材料上制作掩膜;

      14c)使用電子束蒸發技術,在左、右兩側的SiN絕緣介質材料上淀積金屬Ti,以制作寬度R為0.5μm的柵場板,該柵場板與漂移層2在垂直方向上的交疊長度等于3μm,柵場板上邊緣所在高度高于第一阻擋層41下邊緣所在高度0.3μm;柵場板與第二浮空場板間距S2為0.1μm,與漂移層2的水平距離T為0.49μm;

      14d)將柵場板與柵極電氣連接,該柵場板與第一浮空場板、第二浮空場板形成分段柵場板12;

      淀積SiN絕緣介質材料的工藝條件是:氣體為NH3、N2及SiH4,氣體流量分別為2.5sccm、950sccm和250sccm,溫度、射頻功率和壓強分別為300℃、25W和950mTorr;

      電子束蒸發的工藝條件為:真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于

      步驟15.淀積SiN絕緣介質材料,以完成鈍化層13的制作,如圖3o。

      使用等離子體增強化學氣相淀積技術,淀積SiN絕緣介質材料以覆蓋器件上部,所有淀積的絕緣介質材料共同形成鈍化層13,完成整個器件的制作;

      淀積SiN絕緣介質材料的工藝條件是:氣體為NH3、N2及SiH4,氣體流量分別為2.5sccm、950sccm和250sccm,溫度、射頻功率和壓強分別為300℃、25W和950mTorr。

      實施例二:制作鈍化層為SiO2,且浮空場板數目為2的分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件。

      第一步.在襯底1上外延n-型GaN,形成漂移層2,如圖3a。

      在溫度為950℃,壓強為40Torr,以SiH4為摻雜源,氫氣流量為4000sccm,氨氣流量為4000sccm,鎵源流量為100μmol/min的工藝條件下,采用n+型GaN做襯底1,使用金屬有機物化學氣相淀積技術,在襯底1上外延摻雜濃度為1×1016cm-3的n-型GaN材料,完成漂移層2的制作。

      第二步.在漂移層2上外延n型GaN,形成孔徑層3,如圖3b。

      在溫度為1000℃,壓強為45Torr,以SiH4為摻雜源,氫氣流量為4400sccm,氨氣流量為4400sccm,鎵源流量為110μmol/min的工藝條件下,使用金屬有機物化學氣相淀積技術,在漂移層2上外延厚度h為1.5μm、摻雜濃度為1×1016cm-3的n型GaN材料,完成孔徑層3的制作。

      第三步.制作第一阻擋層41,如圖3c。

      3.1)在孔徑層3上第一次制作掩膜;

      3.2)使用離子注入技術,在孔徑層內的兩側位置注入劑量為5×1015cm-2的p型雜質Mg,制作厚度a為1.5μm,寬度c為0.4μm的兩個第一阻擋層41。

      第四步.制作第二阻擋層42,完成電流阻擋層4和孔徑5的制作,如圖3d。

      4.1)在孔徑層3和兩個第一阻擋層41上第二次制作掩膜;

      4.2)使用離子注入技術,在左、右第一阻擋層41之間的孔徑層3內兩側注入劑量為5.5×1015cm-2的p型雜質Mg,形成厚度b為0.55μm,寬度d為2μm的兩個第二阻擋層42,兩個第一阻擋層和兩個第二阻擋層構成兩個對稱二級階梯結構的電流阻擋層4,左、右兩個電流阻擋層4之間形成孔徑5。

      第五步.外延GaN材料制作溝道層6,如圖3e。

      在真空度小于等于1.0×10-10mbar,射頻功率為400W,反應劑采用N2、高純Ga源的工藝條件下,使用分子束外延技術,在兩個第一阻擋層41、兩個第二阻擋層42和孔徑5的上部外延厚度為0.1μm的GaN材料,形成溝道層6。

      第六步.外延Al0.35Ga0.65N,制作勢壘層7,如圖3f。

      在真空度小于等于1.0×10-10mbar,射頻功率為400W,反應劑采用N2、高純Ga源、高純Al源的工藝條件下,使用分子束外延技術,在溝道層6上外延厚度為20nm的Al0.35Ga0.65N材料,完成勢壘層7的制作。

      第七步.制作左、右兩個注入區8,如圖3g。

      先在勢壘層7上部第三次制作掩模;再使用離子注入技術,在勢壘層內的兩側注入劑量為7×1015cm-2的n型雜質Si,制作深度為0.03μm的注入區8;然后在1200℃溫度下進行快速熱退火。

      第八步.制作源極9,如圖3h。

      先在兩個注入區8上部和勢壘層7上部第四次制作掩模;再在真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于的工藝條件下,使用電子束蒸發技術,在兩個注入區上部淀積Ti/Au/Ni組合金屬,完成源極9的制作,該組合金屬的厚度自下而上是:Ti的厚度為0.02μm、Au的厚度為0.3μm、Ni的厚度為0.05μm。

      第九步.制作柵極10,如圖3i。

      先在兩個源極9上部與勢壘層7上部第五次制作掩模;再在真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于的工藝條件下,使用電子束蒸發技術,在勢壘層7上淀積Ni/Au/Ni組合金屬,完成柵極10的制作,該組合金屬自下而上的厚度是:Ni為0.02μm、Au為0.2μm、Ni為0.04μm,柵極10與兩個電流阻擋層4在水平方向上的交疊長度均為0.4μm。

      第十步.制作漏極11,如圖3j。

      在真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于的工藝條件下,使用電子束蒸發技術,在整個襯底1的背面上依次淀積金屬Ti、Au、Ni,形成漏極11,其中:所淀積的金屬,Ti的厚度為0.02μm,Au的厚度為0.7μm,Ni的厚度為0.05μm。

      第十一步.淀積SiO2絕緣介質材料,如圖3k。

      使用等離子體增強化學氣相淀積技術,淀積SiO2絕緣介質材料,以包裹除了漏極11底部以外的所有區域,其中,左、右兩側的SiO2絕緣介質材料上邊界距離襯底1上邊界的垂直距離W為6μm;

      淀積SiO2絕緣介質材料的工藝條件是:N2O流量為850sccm,SiH4流量為200sccm,溫度為250℃,射頻功率為25W,壓強為1100mTorr。

      第十二步.制作第一浮空場板,如圖3l。

      12.1)在第十一步中淀積的SiO2絕緣介質材料上制作掩膜;

      12.1)使用電子束蒸發技術,在左、右兩側的SiO2絕緣介質材料上淀積金屬Ni,以制作厚度L為1μm,寬度R為2μm的第一浮空場板,且第一浮空場板距離漂移層2的水平距離T為0.19μm;

      電子束蒸發的工藝條件為:真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于

      第十三步.淀積SiO2絕緣介質材料和金屬,以制作第二浮空場板,如圖3m。

      13.1)使用等離子體增強化學氣相淀積技術,在第一浮空場板和第十一步中淀積的SiO2絕緣介質材料上再淀積一層SiO2絕緣介質材料;

      13.2)在步驟13.1)淀積的SiO2絕緣介質材料上制作掩膜;

      13.3)使用電子束蒸發技術,在左、右兩側的SiO2絕緣介質上淀積金屬Ni,以制作厚度L為1μm,寬度R為2μm的第二浮空場板,且第二浮空場板與第一浮空場板間距S1為0.23μm,第二浮空場板距離漂移層2的水平距離T為0.19μm;

      淀積SiO2絕緣介質材料的工藝條件是:N2O流量為850sccm,SiH4流量為200sccm,溫度為250℃,射頻功率為25W,壓強為1100mTorr;

      電子束蒸發的工藝條件為:真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于

      第十四步.淀積SiO2絕緣介質材料和金屬,以制作柵場板,如圖3n。

      14.1)在N2O流量為850sccm,SiH4流量為200sccm,溫度為250℃,射頻功率為25W,壓強為1100mTorr的工藝條件下,使用等離子體增強化學氣相淀積技術,在第二浮空場板和步驟13.1)中淀積的絕緣介質材料上再淀積一層SiO2絕緣介質材料;

      14.2)在步驟14.1)淀積的SiO2絕緣介質材料上制作掩膜;

      14.3)在真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于的工藝條件下,使用電子束蒸發技術,在左、右兩側的SiO2絕緣介質上淀積金屬Ni,以制作寬度R為2μm的柵場板,該柵場板與漂移層2在垂直方向上的交疊長度等于1μm,柵場板上邊緣所在高度高于第一阻擋層41下邊緣所在高度0.4μm;柵場板與第二浮空場板間距S2為0.15μm,與漂移層2的水平距離T為0.19μm;

      14.4)將柵場板與柵極電氣連接,該柵場板與第一浮空場板和第二浮空場板形成分段柵場板12。

      第十五步.覆蓋SiO2絕緣介質材料,以制作鈍化層13,如圖3o。

      在N2O流量為850sccm,SiH4流量為200sccm,溫度為250℃,射頻功率為25W,壓強為1100mTorr的工藝條件下,使用等離子體增強化學氣相淀積技術,在除漏極11底部以外的整個器件上部淀積一層薄的SiO2絕緣介質材料,由所有淀積的SiO2形成鈍化層13,完成整個器件的制作。

      實施例三:制作鈍化層為SiN,且浮空場板數目為4的分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件。

      步驟A.采用溫度為950℃,壓強為40Torr,以SiH4為摻雜源,氫氣流量為4000sccm,氨氣流量為4000sccm,鎵源流量為100μmol/min的工藝條件,采用n+型GaN材料做襯底1,使用金屬有機物化學氣相淀積技術,在襯底上外延摻雜濃度為1×1018cm-3的n-型GaN材料,制作漂移層2,如圖3a。

      步驟B.采用溫度為950℃,壓強為40Torr,以SiH4為摻雜源,氫氣流量為4000sccm,氨氣流量為4000sccm,鎵源流量為100μmol/min的工藝條件,使用金屬有機物化學氣相淀積技術,在漂移層2上外延厚度為3μm、摻雜濃度為1×1018cm-3的n型GaN材料,制作孔徑層3,如圖3b。

      步驟C.在孔徑層3上第一次制作掩膜,再使用離子注入技術,在孔徑層內的兩側位置注入劑量為1×1016cm-2的p型雜質Mg,制作厚度a為3μm,寬度c為1μm的兩個第一阻擋層41,如圖3c。

      步驟D.在孔徑層3和兩個第一阻擋層41上第二次制作掩膜,再使用離子注入技術,在左、右第一阻擋層41之間的孔徑層3內兩側位置注入劑量為1×1016cm-2的p型雜質Mg,制作厚度b為1μm,寬度d為3.4μm的兩個第二阻擋層42,兩個第一阻擋層41與兩個第二阻擋層42構成兩個對稱的二級階梯結構的電流阻擋層4,左右電流阻擋層4之間形成孔徑5,如圖3d。

      步驟E.采用真空度小于等于1.0×10-10mbar,射頻功率為400W,反應劑采用N2、高純Ga源,使用分子束外延技術,在兩個第一阻擋層41、兩個第二阻擋層42和孔徑5的上部外延厚度為0.2μm的GaN材料,形成溝道層6,如圖3e。

      步驟F.采用真空度小于等于1.0×10-10mbar,射頻功率為400W,反應劑采用N2、高純Ga源、高純Al源的工藝條件,使用分子束外延技術在溝道層6上外延厚度為50nm的Al0.1Ga0.9N材料,形成勢壘層7,如圖3f。

      步驟G.在勢壘層7上部第三次制作掩模,再使用離子注入技術,在勢壘層內兩側注入劑量為1×1016cm-2的n型雜質Si,制作深度為0.06μm的兩個注入區8;然后,在1200℃下進行快速熱退火,如圖3g。

      步驟H.在兩個注入區8上部和勢壘層7上部第四次制作掩模;再采用真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于的工藝條件,使用電子束蒸發技術,在兩側的注入區上部淀積金屬,制作源極9,其中所淀積的金屬為Ti/Au/Ni金屬組合,即自下而上,Ti的厚度為0.02μm、Au的厚度為0.3μm、Ni的厚度為0.05μm,如圖3h。

      步驟I.在源極9上部和勢壘層7上部第五次制作掩模;再采用真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于的工藝條件,使用電子束蒸發技術,在勢壘層上淀積Ni/Au/Ni組合金屬,制作柵極10,其中:所淀積的金屬自下而上,Ni的厚度為0.02μm、Au的厚度為0.2μm、Ni的厚度為0.04μm,柵極10與兩個電流阻擋層4在水平方向上的交疊長度均為0.5μm,如圖3i。

      步驟J.采用真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于的工藝條件,使用電子束蒸發技術,在整個襯底1的背面上依次淀積金屬Ti、Au、Ni,形成漏極11,其中所淀積的金屬厚度是:Ti的厚度為0.02μm,Au的厚度為0.7μm,Ni的厚度為0.05μm,如圖3j。

      步驟K.淀積SiN絕緣介質材料,如圖3k。

      使用等離子體增強化學氣相淀積技術,淀積SiN絕緣介質材料,以包裹除了漏極11底部以外的所有區域,其中,左、右兩側的SiN絕緣介質材料上邊界距離襯底1上邊界的垂直距離W為10μm;

      淀積SiN絕緣介質材料的工藝條件是:氣體為NH3、N2及SiH4,氣體流量分別為2.5sccm、950sccm和250sccm,溫度、射頻功率和壓強分別為300℃、25W和950mTorr。

      步驟L.制作第一浮空場板,如圖3l。

      K1)在步驟K中淀積的SiN絕緣介質材料上制作掩膜;

      K2)使用電子束蒸發技術,在左、右兩側的SiN絕緣介質材料上淀積金屬Au,以制作厚度L為3μm,寬度R為5μm的第一浮空場板,且第一浮空場板距離漂移層2的水平距離T為0.18μm;

      電子束蒸發的工藝條件為:真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于

      步驟M.淀積SiN絕緣介質材料和金屬,以制作第二浮空場板至第四浮空場板,如圖3m。

      M1)使用等離子體增強化學氣相淀積技術,在第一浮空場板和步驟K中淀積的絕緣介質材料上再淀積一層SiN絕緣介質材料;

      M2)在步驟M1)淀積的SiN絕緣介質材料上制作掩膜;

      M3)使用電子束蒸發技術,在左、右兩側的SiN絕緣介質上淀積金屬Au,以制作厚度L為0.5μm,寬度R為5μm的第二浮空場板,且第二浮空場板與第一浮空場板間距S1為1.15μm,第二浮空場板距離漂移層2的水平距離T為0.18μm;

      M4)使用等離子體增強化學氣相淀積技術,在第二浮空場板和步驟M1)中淀積的絕緣介質材料上再淀積一層SiN絕緣介質材料;

      M5)在步驟M4)淀積的SiN絕緣介質材料上制作掩膜;

      M6)使用電子束蒸發技術,在左、右兩側的SiN絕緣介質上淀積金屬Au,以制作厚度L為0.5μm,寬度R為5μm的第三浮空場板,且第三浮空場板與第二浮空場板間距S2為1.1μm,第三浮空場板距離漂移層2的水平距離T為0.18μm。

      M7)使用等離子體增強化學氣相淀積技術,在第三浮空場板和步驟M4)中淀積的絕緣介質材料上再淀積一層SiN絕緣介質材料;

      M8)在步驟M7)淀積的SiN絕緣介質材料上制作掩膜;

      M9)使用電子束蒸發技術,在左、右兩側的SiN絕緣介質上淀積金屬Au,以制作厚度L為0.5μm,寬度R為5μm的第四浮空場板,且第四浮空場板與第三浮空場板間距S3為1.05μm,第四浮空場板距離漂移層2的水平距離T為0.18μm;

      淀積SiN絕緣介質材料的工藝條件是:氣體為NH3、N2及SiH4,氣體流量分別為2.5sccm、950sccm和250sccm,溫度、射頻功率和壓強分別為300℃、25W和950mTorr;

      電子束蒸發的工藝條件為:真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于

      步驟N.淀積SiN絕緣介質材料和金屬,以制作柵場板,如圖3n。

      N1)使用等離子體增強化學氣相淀積技術,在第四浮空場板和步驟M7)中淀積的絕緣介質材料上再淀積一層SiN絕緣介質材料;

      N2)在步驟N1)淀積的SiN絕緣介質材料上制作掩膜;

      N3)使用電子束蒸發技術,在左、右兩側的SiN絕緣介質上淀積金屬Au,以制作寬度R為5μm的柵場板,該柵場板與漂移層2在垂直方向上的交疊長度等于0.5μm,柵場板上邊緣所在高度高于第一阻擋層41下邊緣所在高度0.5μm;柵場板與第四浮空場板間距S4為1μm,與漂移層2的水平距離T為0.18μm;

      N4)將柵場板與柵極電氣連接,該柵場板與第一浮空場板、第二浮空場板、第三浮空場板、第四浮空場板形成分段柵場板12;

      淀積SiN絕緣介質材料的工藝條件是:氣體為NH3、N2及SiH4,氣體流量分別為2.5sccm、950sccm和250sccm,溫度、射頻功率和壓強分別為300℃、25W和950mTorr;

      電子束蒸發的工藝條件為:真空度小于1.8×10-3Pa,功率范圍為200~1000W,蒸發速率小于

      步驟O.采用氣體為NH3、N2及SiH4,氣體流量分別為2.5sccm、950sccm和250sccm,溫度、射頻功率和壓強分別為300℃、25W和950mTorr的工藝條件,使用等離子體增強化學氣相淀積技術,淀積SiN絕緣介質材料以覆蓋器件上部,所有淀積的SiN絕緣介質材料共同形成鈍化層13,完成整個器件的制作,如圖3o。

      本發明的效果可通過以下仿真進一步說明:

      仿真:對傳統GaN基電流孔徑異質結場效應器件和本發明器件在擊穿情況下沿器件右側電流阻擋層左邊緣的縱向電場分布進行仿真,結果如圖4;對傳統GaN基電流孔徑異質結場效應器件和本發明器件在擊穿情況下沿器件漂移層右側邊緣的縱向電場分布進行仿真,結果如圖5;在圖4和圖5中,傳統器件擊穿電壓為400V,本發明器件采用了4個浮空場板,器件的擊穿電壓為1410V。

      結合圖4和圖5所示的縱向電場分布可以明顯地看出,采用二級階梯形式的電流阻擋層后,本發明器件結構可以更加有效地調制器件內部和漂移層兩側表面附近的電場分布,增加器件內高場區的范圍,且使得器件內部和漂移層兩側表面附近的電場分布更加平坦,因此本發明器件的擊穿電壓遠大于傳統器件的擊穿電壓。

      以上描述僅是本發明的幾個具體實施例,并不構成對本發明的限制,顯然對于本領域的專業人員來說,在了解了本發明內容和原理后,能夠在不背離本發明的原理和范圍的情況下,根據本發明的方法進行形式和細節上的各種修正和改變,但是這些基于本發明的修正和改變仍在本發明的權利要求保護范圍之內。

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