CN107068739B - 弧形栅场板电流孔径功率器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弧形栅场板电流孔径功率器件，主要解决现有垂直功率器件中场板结构无法有效调制器件中电场分布的问题。其包括：衬底(1)、漂移层(2)、孔径层(3)、二级台阶形的电流阻挡层(4)、沟道层(6)、势垒层(7)和钝化层(12)，沟道层和势垒层的两侧刻蚀有凹槽(8)，凹槽中淀积有源极(9)，源极之间的势垒层上淀积有栅极(10)，电流阻挡层之间形成孔径(5)，衬底下淀积有漏极(11)，钝化层包裹除漏极底部以外的所有区域，钝化层两边刻有弧形台阶(13)，弧形台阶处淀积有金属，形成弧形场板(14)，该弧形场板与栅极电气连接。本发明击穿电压高、工艺简单、导通电阻小、成品率高，可用于电力电子系统。

Description

弧形栅场板电流孔径功率器件
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，特别是弧形栅场板电流孔径功率器件，可用于电力电子系统。
技术背景
功率半导体器件是电力电子技术的核心元件，随着能源和环境问题的日益突出，研发新型高性能、低损耗功率器件就成为提高电能利用率、节约能源、缓解能源危机的有效途径之一。而在功率器件研究中，高速、高压与低导通电阻之间存在着严重的制约关系，合理、有效地改进这种制约关系是提高器件整体性能的关键。随着微电子技术的发展，传统第一代Si半导体和第二代GaAs半导体功率器件性能已接近其材料本身决定的理论极限。为了能进一步减少芯片面积、提高工作频率、提高工作温度、降低导通电阻、提高击穿电压、降低整机体积、提高整机效率，以GaN为代表的宽禁带半导体材料，凭借其更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和更高的电子饱和漂移速度，且化学性能稳定、耐高温、抗辐射等突出优点，在制备高性能功率器件方面脱颖而出，应用潜力巨大。特别是采用GaN基异质结结构的横向高电子迁移率晶体管，即横向GaN基高电子迁移率晶体管HEMT器件，更是因其低导通电阻、高击穿电压、高工作频率等特性，成为了国内外研究和应用的热点、焦点。
然而，在横向GaN基HEMT器件中，为了获得更高的击穿电压，需要增加栅漏间距，这会增大器件尺寸和导通电阻，减小单位芯片面积上的有效电流密度和芯片性能，从而导致芯片面积和研制成本的增加。此外，在横向GaN基HEMT器件中，由高电场和表面态所引起的电流崩塌问题较为严重，尽管当前已有众多抑制措施，但电流崩塌问题依然没有得到彻底解决。为了解决上述问题，研究者们提出了垂直型GaN基电流孔径异质结场效应器件，也是一种电流孔径功率器件，参见AlGaN/GaN current aperture vertical electrontransistors,IEEE Device Research Conference,pp.31-32,2002。GaN基电流孔径异质结场效应器件可通过增加漂移区厚度提高击穿电压，避免了牺牲器件尺寸和导通电阻的问题，因此可以实现高功率密度芯片。而且在GaN基电流孔径异质结场效应器件中，高电场区域位于半导体材料体内，这可以彻底地消除电流崩塌问题。2004年，Ilan Ben-Yaacov等人利用刻蚀后MOCVD再生长沟道技术研制出AlGaN/GaN电流孔径异质结场效应器件，该器件未采用钝化层，最大输出电流为750mA/mm，跨导为120mS/mm，两端栅击穿电压为65V，且电流崩塌效应得到显著抑制，参见AlGaN/GaN current aperture vertical electrontransistors with regrown channels,Journal of Applied Physics,Vol.95,No.4,pp.2073-2078,2004。2012年，Srabanti Chowdhury等人利用Mg离子注入阻挡层结合等离子辅助MBE再生长AlGaN/GaN异质结的技术，研制出基于GaN衬底的电流孔径异质结场效应器件，该器件采用3μm漂移区，最大输出电流为4kA·cm-2，导通电阻为2.2mΩ·cm2，击穿电压为250V，且抑制电流崩塌效果好，参见CAVET on Bulk GaN Substrates Achieved WithMBE-Regrown AlGaN/GaN Layers to Suppress Dispersion,IEEE ElectronDeviceLetters,Vol.33,No.1,pp.41-43,2012。同年，由Masahiro Sugimoto等人提出的一种增强型GaN基电流孔径异质结场效应器件获得授权，参见Transistor,US8188514B2,2012。此外，2014年，Hui Nie等人基于GaN衬底研制出一种增强型GaN基电流孔径异质结场效应器件，该器件阈值电压为0.5V，饱和电流大于2.3A，击穿电压为1.5kV，导通电阻为2.2mΩ·cm2，参见1.5-kV and 2.2-mΩ-cm2Vertical GaN Transistors on Bulk-GaNSubstrates,IEEE Electron Device Letters,Vol.35,No.9,pp.939-941,2014。
传统GaN基电流孔径异质结场效应器件是基于GaN基宽禁带半导体异质结结构，其包括：衬底1、漂移层2、孔径层3、左、右两个对称的电流阻挡层4、孔径5、沟道层6、势垒层7和钝化层12；沟道层6和势垒层7的两侧刻蚀有凹槽8，两侧凹槽8中淀积有两个源极9，源极之间的势垒层上面淀积有栅极10，衬底1下面淀积有漏极11，钝化层12完全包裹除了漏极底部以外的所有区域，如图1所示。
经过十多年的理论和实验研究，研究者们发现，上述传统GaN基电流孔径异质结场效应器件结构上存在固有缺陷，会导致器件中电场强度分布极不均匀，尤其是在阻挡层与孔径区域交界面下方附近的半导体材料中存在极高的电场峰值，从而引起器件过早击穿。这使得实际工艺中很难实现通过增加n型GaN漂移层的厚度来持续提高器件的击穿电压。因此，传统结构GaN基电流孔径异质结场效应器件的击穿电压普遍不高。为了获得更高的器件击穿电压，并可以通过增加n型GaN漂移层的厚度来持续提高器件的击穿电压，2013年，Zhongda Li等人利用数值仿真技术研究了一种基于超结的增强型GaN基电流孔径异质结场效应器件，研究结果表明超结结构可以有效调制器件内部的电场分布，使处于关态时器件内部各处电场强度趋于均匀分布，因此器件击穿电压可达5～20kV，且采用3μm半柱宽时击穿电压为12.4kV，而导通电阻仅为4.2mΩ·cm2，参见Design and Simulation of 5-20-kVGaN Enhancement-Mode Vertical Superjunction HEMT,IEEE Transactions onElectron Decices,Vol.60,No.10,pp.3230-3237,2013。采用超结的GaN基电流孔径异质结场效应器件从理论上可以获得高击穿电压，且可实现击穿电压随n型GaN漂移层厚度的增加而持续提高，是目前国内外已报道文献中击穿电压最高的一种非常有效的大功率器件结构。然而，超结结构的制造工艺难度非常大，尤其是厚n型GaN漂移层情况下，几乎无法实现高性能超结结构的制作。因此，探索和研发制造工艺简单、击穿电压高、导通电阻小的新型GaN基电流孔径异质结场效应器件，非常必要、迫切，具有重要的现实意义。
场板结构已成为横向GaN基HEMT器件中用于提高器件击穿电压和可靠性的一种成熟、有效的场终端技术，且该技术可以实现器件击穿电压随场板的长度和结构变化而持续增加。近年来，通过利用场板结构已使横向GaN基HEMT器件的性能取得了突飞猛进的提升，参见High Breakdown Voltage AlGaN–GaN Power-HEMT Design and High CurrentDensity Switching Behavior,IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.50,No.12,pp.2528-2531,2003,和High Breakdown Voltage AlGaN–GaN HEMTs Achieved byMultiple 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 IntegratedSlant Field Plates,IEEE Electron Device Letters,Vol.27,No.9,pp.713-715,2006。然而，截至目前国内外仍然没有将场板结构成功应用于GaN基电流孔径异质结场效应器件中的先例，这主要是由于GaN基电流孔径异质结场效应器件结构上的固有缺陷，会导致器件漂移层中最强电场峰位于阻挡层与孔径层交界面下方附近，该电场峰远离漂移层两侧表面，因此场板结构几乎无法发挥有效调制器件中电场分布的作用，即使在GaN基电流孔径异质结场效应器件中采用了场板结构，器件性能也几乎没有任何提高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种弧形栅场板电流孔径功率器件，以减小器件的制作难度，实现击穿电压的可持续增加，缓解器件击穿电压与导通电阻之间的矛盾，改善器件的击穿特性和可靠性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一、器件结构
一种弧形栅场板电流孔径功率器件，包括：衬底、漂移层、孔径层、左、右两个对称的阻挡层、沟道层、势垒层和钝化层，沟道层和势垒层的两侧刻蚀有凹槽，两侧凹槽中淀积有两个源极，源极之间的势垒层上面淀积有栅极，衬底下面淀积有漏极，钝化层完全包裹在除漏极底部以外的所有区域，两个对称的阻挡层之间形成孔径，其特征在于：
所述两个阻挡层，采用由第一阻挡层和第二阻挡层构成的二级台阶结构，且第一阻挡层位于第二阻挡层的外侧；
所述钝化层，采用弧形结构，即在钝化层的两边刻有弧形台阶，弧形台阶上淀积有金属，形成左右两个对称的弧形场板，该弧形场板与栅极电气连接，形成弧形栅场板。
二、制作方法
本发明制作弧形栅场板电流孔径功率器件的方法，包括如下过程：
A.在衬底1上外延n-型GaN半导体材料，形成厚度为3～50μm、掺杂浓度为1×1015～1×1018cm-3的漂移层2；
B.在漂移层2上外延n型GaN半导体材料，形成厚度为1.2～3μm、掺杂浓度为1×1015～1×1018cm-3的孔径层3；
C.在孔径层3上第一次制作掩模，利用该掩模在孔径层内的两侧位置注入剂量为1×1015～1×1016cm-2的p型杂质，制作厚度a与孔径层厚度相同，宽度b为0.2～1μm的两个第一阻挡层41；
D.在孔径层3和第一阻挡层41上第二次制作掩模，利用该掩模在左右第一阻挡层41之间的孔径层内的两侧注入剂量为1×1015～1×1016cm-2的p型杂质，制作厚度d为0.3～1μm，宽度e为1.32～3.3μm的两个第二阻挡层42，两个第一阻挡层41和两个第二阻挡层42构成两个对称的二级台阶结构的电流阻挡层4，该两个电流阻挡层4之间形成孔径5；
E.在两个第一阻挡层41、两个第二阻挡层42和孔径5上部外延GaN半导体材料，形成厚度为0.04～0.2μm的沟道层6；
F.在沟道层6上部外延GaN基宽禁带半导体材料，形成厚度为5～50nm的势垒层7；
G.在势垒层7上第三次制作掩模，利用该掩模在势垒层7左、右两侧进行刻蚀，且刻蚀至两个电流阻挡层4的上表面为止，形成左、右两个凹槽8；
H.在两个凹槽8上部和势垒层7的上部第四次制作掩模，利用该掩模在两个凹槽中淀积金属，且所淀积金属的厚度大于凹槽8的深度，以制作源极9；
I.在源极9上部和势垒层7上部第五次制作掩模，利用该掩模在左、右两侧源极9之间的势垒层7上部淀积金属，以制作栅极10，栅极10与两个电流阻挡层4之间均存在水平方向上的交叠，交叠长度大于0μm；
J.在衬底1的背面上淀积金属，以制作漏极11；
K.在除了漏极11底部以外的其他所有区域淀积绝缘介质材料，形成包裹的钝化层12；
L.在钝化层12上部制作第六次掩模，利用该掩模在钝化层12的左右两边内进行刻蚀，形成弧形台阶13，该弧形台阶13在垂直方向上低于第一阻挡层41下边缘的弧形台阶表面任意一点，与第一阻挡层41下边缘的垂直距离为h，与漂移层2的水平距离为m，且近似满足关系h＝9.5-10.5exp(-0.6m)，0μm<h≤9μm；该弧形台阶13表面与第一阻挡层41下边缘处于同一水平高度的部位，距离漂移层2的水平间距t为0.18μm；
M.在钝化层12的上部制作第七次掩模，利用该掩模在左右两边的弧形台阶13上淀积金属，形成左右对称的两个弧形场板14，该弧形场板14的上边缘所在高度等于或高于第一阻挡层41下边缘所在高度，并将该两侧的弧形场板14与栅极10电气连接，完成整个器件的制作。
本发明器件与传统GaN基电流孔径异质结场效应器件比较，具有以下优点：
a.实现击穿电压持续增加。
本发明采用二级台阶形式的电流阻挡层，使器件内部的第一阻挡层、第二阻挡层与孔径层交界面下方附近均会产生一个电场峰值，且前者电场峰值大于后者电场峰值；由于前者电场峰值非常接近漂移层两侧表面，便可以利用弧形场板有效调制漂移层两侧表面附近的电场峰值，以在弧形场板处漂移层两侧表面附近形成连续平缓的较高电场区；
通过调整弧形场板与漂移层之间钝化层的厚度、电流阻挡层的尺寸和掺杂等，可使得电流阻挡层与孔径层交界面下方附近的电场峰值与弧形场板对应的漂移层内各电场峰值相等，且小于GaN基宽禁带半导体材料的击穿电场，从而提高了器件的击穿电压，且通过增加弧形场板的长度可实现击穿电压的持续增加。
b.在提高器件击穿电压的同时，器件导通电阻几乎恒定。
本发明通过在器件两侧采用弧形场板的方法来提高器件击穿电压，由于场板不会影响器件导通电阻，当器件导通时，在器件内部漂移层只存在由电流阻挡层所产生的耗尽区，并未引入其它耗尽区，因此，随着弧形场板长度增加，器件的击穿电压持续增加，而导通电阻几乎保持恒定。
c.工艺简单，易于实现，提高了成品率。
本发明器件结构中，弧形场板的制作是通过在漂移层两侧的钝化层中刻蚀弧形台阶并淀积金属而实现的，其工艺简单，且不会对器件中半导体材料产生损伤，避免了采用超结的GaN基电流孔径异质结场效应器件结构所带来的工艺复杂化问题，大大提高了器件的成品率。
以下结合附图和实施例进一步说明本发明的技术内容和效果。
附图说明
图1是传统GaN基电流孔径异质结场效应器件的结构图；
图2是本发明弧形栅场板电流孔径功率器件的结构图；
图3是本发明制作弧形栅场板电流孔径功率器件的流程图；
图4是对传统器件和本发明器件仿真所得的二维电场分布图；
图5是沿图4中各器件右侧电流阻挡层左边缘的纵向电场分布；
图6是沿图4中各器件漂移层右侧边缘的纵向电场分布图。
具体实施方式
参照图2，本发明是基于GaN基宽禁带半导体异质结结构，其包括：衬底1、漂移层2、孔径层3、左右两个对称的电流阻挡层4、孔径5、沟道层6、势垒层7和钝化层12，沟道层6和势垒层7的两侧刻蚀有凹槽8，两侧凹槽8中淀积有两个源极9，源极9之间的势垒层上面淀积有栅极10，衬底1下面淀积有漏极11，钝化层12完全包裹在除漏极11底部以外的所有区域。其中：
所述漂移层2，位于衬底1上部，其厚度为3～50μm、掺杂浓度为1×1015～1×1018cm-3；
所述孔径层3，位于漂移层2上部，其厚度为1.2～3μm、掺杂浓度为1×1015～1×1018cm-3；
所述电流阻挡层4，是由第一阻挡层41和第二阻挡层42构成得的二级台阶结构，其中：两个第一阻挡层位于孔径层3内的左右两侧，两个第二阻挡层42位于两个第一阻挡层41内侧，各阻挡层均采用p型掺杂；该第一阻挡层41的厚度a为1.2～3μm，宽度b为0.2～1μm，该第二阻挡层42的厚度d为0.3～1μm，宽度e为1.32～3.3μm，且a>d，e＝1.1a；
所述孔径5，位于两个电流阻挡层4之间；
所述沟道层6，位于两个电流阻挡层4和孔径5上部，其厚度为0.04～0.2μm；
所述势垒层7，位于沟道层6上部，其由若干层相同或不同的GaN基宽禁带半导体材料组成，厚度为5～50nm；
所述凹槽8，其深度等于沟道层6与势垒层7的总厚度；
所述源极9，其金属厚度大于凹槽8的深度；
所述栅极10，其与左右两个电流阻挡层均存在水平方向上的交叠，交叠长度大于0μm；
所述器件两边的钝化层12，其上刻有弧形台阶13，该弧形台阶13在垂直方向上低于第一阻挡层41下边缘的弧形台阶表面任意一点，与第一阻挡层41下边缘的垂直距离为h，与漂移层2的水平距离为m，且近似满足关系h＝9.5-10.5exp(-0.6m)，0μm<h≤9μm；该弧形台阶13表面与第一阻挡层41下边缘处于同一水平高度的部位，距离漂移层2的水平间距t为0.18μm，t≤m；钝化层12可采用SiO2、SiN、Al2O3、Sc2O3、HfO2、TiO2中的任意一种或其它绝缘介质材料；
所述弧形场板14，其上边缘所在高度等于或高于第一阻挡层41下边缘所在高度，两个弧形场板14与栅极10电气连接，形成弧形栅场板。
参照图3，本发明制作弧形栅场板电流孔径功率器件的过程，给出如下三种实施例：
实施例一：制作钝化层为SiN的弧形栅场板电流孔径功率器件。
步骤1.在衬底1上外延n-型GaN，形成漂移层2，如图3a。
采用n+型GaN做衬底1，使用金属有机物化学气相淀积技术，在衬底1上外延厚度为3μm、掺杂浓度为1×1015cm-3的n-型GaN材料，形成漂移层2，其中：
外延采用的工艺条件为：温度为950℃，压强为40Torr，以SiH4为掺杂源，氢气流量为4000sccm，氨气流量为4000sccm，镓源流量为100μmol/min。
步骤2.在漂移层上外延n型GaN，形成孔径层3，如图3b。
使用金属有机物化学气相淀积技术，在漂移层2上外延厚度为1.2μm、掺杂浓度为1×1015cm-3的n型GaN材料，形成孔径层3，其中：
外延采用的工艺条件为：温度为950℃，压强为40Torr，以SiH4为掺杂源，氢气流量为4000sccm，氨气流量为4000sccm，镓源流量为100μmol/min。
步骤3.制作第一阻挡层41，如图3c。
先在孔径层3上第一次制作掩模；
再使用离子注入技术，在孔径层内的两侧位置注入剂量为1×1015cm-2的p型杂质Mg，制作厚度a为1.2μm，宽度b为0.2μm的两个第一阻挡层41。
步骤4.制作第二阻挡层42，如图3d。
先在孔径层3和两个第一阻挡层41上第二次制作掩模；
再使用离子注入技术，在左、右两个第一阻挡层41之间的孔径层内两侧注入剂量为1×1015cm-2的p型杂质Mg，制作厚度d为0.3μm，宽度e为1.32μm的两个第二阻挡层42，两个第一阻挡层41和两个第二阻挡层42构成两个对称的电流阻挡层4，两个对称的二级台阶结构的电流阻挡层4之间形成孔径5。
步骤5.外延GaN材料制作沟道层6，如图3e。
使用分子束外延技术，在两个第一阻挡层41、两个第二阻挡层42和孔径5的上部外延厚度为0.04μm的GaN材料，形成沟道层6。
所述分子束外延技术，其工艺条件为：真空度小于等于1.0×10-10mbar，射频功率为400W，反应剂采用N2、高纯Ga源。
步骤6.外延Al0.5Ga0.5N，制作势垒层7，如图3f。
使用分子束外延技术在沟道层6上外延厚度为5nm的Al0.5Ga0.5N材料，形成势垒层7，其中：
分子束外延的工艺条件为：真空度小于等于1.0×10-10mbar，射频功率为400W，反应剂采用N2、高纯Ga源、高纯Al源。
步骤7.在势垒层7和沟道层6左右两侧刻蚀制作凹槽8，如图3g。
在势垒层7上第三次制作掩模，使用反应离子刻蚀技术，在势垒层7和沟道层6的左、右两侧进行刻蚀，且刻蚀深度等于0.045μm，形成左、右两个凹槽8；
反应离子刻蚀的工艺条件为：Cl2流量为15sccm，压强为10mTorr，功率为100W。
步骤8.制作源极9，如图3h。
先在两个凹槽8上部和势垒层7的上部第四次制作掩模；
再使用电子束蒸发技术，在两个凹槽8上部淀积Ti/Au/Ni组合金属，形成源极9，其中：所淀积的金属，自下而上，Ti的厚度为0.02μm、Au的厚度为0.3μm、Ni的厚度为0.05μm；
电子束蒸发的工艺条件为：真空度小于1.8×10-3Pa，功率范围为200～1000W，蒸发速率小于
步骤9.制作栅极10，如图3i。
9.1)在源极9上部和势垒层7的上部第五次制作掩模；
9.2)使用电子束蒸发技术，在势垒层7上淀积Ni/Au/Ni组合金属，形成栅极10，栅极10与两个电流阻挡层4在水平方向上的交叠长度均为0.45μm；
其中：所淀积的金属自下而上，Ni的厚度为0.02μm、Au的厚度为0.2μm、Ni的厚度为0.04μm；
电子束蒸发的工艺条件为：真空度小于1.8×10-3Pa，功率范围为200～1000W，蒸发速率小于
步骤10.制作漏极11，如图3j。
使用电子束蒸发技术，在整个衬底1的背面上依次淀积金属Ti、Au、Ni，形成漏极11，其中：所淀积的金属，Ti的厚度为0.02μm，Au的厚度为0.7μm，Ni的厚度为0.05μm；
淀积金属所采用的工艺条件为：真空度小于1.8×10-3Pa，功率范围为200～1000W，蒸发速率小于
步骤11.淀积SiN绝缘介质材料，形成包裹的钝化层12，如图3k。
使用等离子体增强化学气相淀积技术，在除了漏极11底部以外的其他所有区域淀积SiN绝缘介质材料，形成包裹的钝化层12，其中：
淀积钝化层的工艺条件是：气体为NH3、N2及SiH4，气体流量分别为2.5sccm、950sccm和250sccm，温度、射频功率和压强分别为300℃、25W和950mTorr。
步骤12.在钝化层内的左、右两边刻蚀弧形台阶13，如图3l。
在钝化层12的上部制作第六次掩模，使用反应离子刻蚀技术在钝化层12左右两边内进行刻蚀，形成弧形台阶13，该弧形台阶13在垂直方向上低于第一阻挡层41下边缘的弧形台阶表面任意一点，与第一阻挡层41下边缘的垂直距离为h，与漂移层2的水平距离为m，近似满足关系：h＝9.5-10.5exp(-0.6m)，h最大为1.5μm，该弧形台阶13表面与第一阻挡层41下边缘处于同一水平高度的部位，距离漂移层2的水平间距t为0.18μm，m≥0.18μm，其中：
反应离子刻蚀的工艺条件为：CF4流量为45sccm，O2流量为5sccm，压强为15mTorr，功率为250W。
步骤13.制作弧形场板14，如图3m。
13.1)在带有弧形台阶13的钝化层12上部制作第七次掩模；
13.2)使用电子束蒸发技术，即在真空度小于1.8×10-3Pa，功率范围为200～1000W，蒸发速率小于的工艺条件下，对左、右两边的弧形台阶进行金属淀积Ti，制作左、右对称的两个弧形场板14，且该弧形场板14的上边缘所在高度等于第一阻挡层41下边缘所在高度，并将该两侧的弧形场板14与栅极电气连接，完成整个器件的制作；
实施例二：制作钝化层为SiO2的弧形栅场板电流孔径功率器件。
第一步.在衬底上外延n-型GaN，形成漂移层2，如图3a。
在温度为1000℃，压强为45Torr，掺杂源为SiH4，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为110μmol/min的工艺条件下，采用n+型GaN做衬底1，使用金属有机物化学气相淀积技术，在衬底1上外延厚度为40μm、掺杂浓度为7×1016cm-3的n-型GaN材料，完成漂移层2的制作。
第二步.在漂移层上外延n型GaN，形成孔径层3，如图3b。
在温度为1000℃，压强为45Torr，掺杂源为SiH4，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为110μmol/min的工艺条件下，使用金属有机物化学气相淀积技术，在漂移层2上外延厚度为1.5μm、掺杂浓度为1×1017cm-3的n型GaN材料，完成孔径层3的制作。
第三步.制作第一阻挡层41，如图3c。
3.1)在孔径层3上第一次制作掩模；
3.2)使用离子注入技术，在孔径层内的两侧位置注入剂量为6×1015cm-2的p型杂质Mg，形成厚度a为1.5μm，宽度b为0.4μm的两个第一阻挡层41。
第四步.制作第二阻挡层42，如图3d。
4.1)在孔径层3和两个第一阻挡层41上第二次制作掩模；
4.2)使用离子注入技术，在左、右第一阻挡层41之间的孔径层内两侧位置注入剂量为7×1015cm-2的p型杂质Mg，形成厚度d为0.6μm，宽度e为1.65μm的两个第二阻挡层42，两个第一阻挡层41和两个第二阻挡层42构成两个对称的电流阻挡层4，两个对称的二级台阶形的电流阻挡层4之间形成孔径5。
第五步.外延GaN材料，制作沟道层6，如图3e。
在真空度小于等于1.0×10-10mbar，射频功率为400W，反应剂采用N2、高纯Ga源的工艺条件下，使用分子束外延技术，在两个第一阻挡层41、两个第二阻挡层42和孔径5上部，外延厚度为0.1μm的GaN材料，完成沟道层6的制作。
第六步.外延Al0.3Ga0.7N，制作势垒层7，如图3f。
在真空度小于等于1.0×10-10mbar，射频功率为400W，反应剂采用N2、高纯Ga源、高纯Al源的工艺条件下，使用分子束外延技术，在沟道层6上外延厚度为35nm的Al0.3Ga0.7N材料，完成势垒层7的制作。
第七步.在势垒层7和沟道层6的左右两侧刻蚀制作凹槽8，如图3g。
在势垒层7上第三次制作掩模，在Cl2流量为15sccm，压强为10mTorr，功率为100W的工艺条件下，使用反应离子刻蚀技术，在势垒层7和沟道层6的左、右两侧进行刻蚀，形成左、右两个凹槽8，凹槽深度为0.135μm。
第八步.制作源极9，如图3h。
8.1)在两个凹槽8上部和势垒层7的上部第四次制作掩模；
8.2)在真空度小于1.8×10-3Pa，功率范围为200～1000W，蒸发速率小于的工艺条件下，使用电子束蒸发技术，在两个凹槽8上部淀积Ti/Au/Ni组合金属，形成源极9，其中：所淀积的金属自下而上，Ti的厚度为0.02μm、Au的厚度为0.3μm、Ni的厚度为0.05μm。
第九步.制作栅极10，如图3i。
9.1)在两个源极9上部和势垒层7上部第五次制作掩模；
9.2)在真空度小于1.8×10-3Pa，功率范围为200～1000W，蒸发速率小于的工艺条件下，使用电子束蒸发技术，在势垒层7上淀积Ni/Au/Ni组合金属，完成栅极10的制作，且自下而上，Ni的厚度为0.02μm、Au的厚度为0.2μm、Ni的厚度为0.04μm，栅极10与两个电流阻挡层4在水平方向上的交叠长度为0.5μm。
第十步.制作漏极11，如图3j。
在真空度小于1.8×10-3Pa，功率范围为200～1000W，蒸发速率小于的工艺条件下，使用电子束蒸发技术，在整个衬底1的背面依次淀积金属Ti、Au、Ni，形成漏极11，其中：所淀积的金属，Ti的厚度为0.02μm，Au的厚度为0.7μm，Ni的厚度为0.05μm。
第十一步.淀积SiO2绝缘介质材料，形成包裹的钝化层12，如图3k。
在N2O流量为850sccm，SiH4流量为200sccm，温度为250℃，射频功率为25W，压力为1100mTorr的工艺条件下，使用等离子体增强化学气相淀积技术，淀积SiO2绝缘介质材料，以包裹除了漏极11底部以外的其他所有区域，完成钝化层12的制作。
第十二步.在钝化层内的左、右两侧刻蚀弧形台阶13，如图3l。
12.1)在钝化层12上部制作第六次掩模；
12.2)在CF4流量为20sccm，O2流量为2sccm，压强为20mTorr，偏置电压为100V的工艺条件下，使用反应离子刻蚀技术，在左、右两边钝化层内进行刻蚀，完成弧形台阶13的制作，该弧形台阶13在垂直方向上低于第一阻挡层41下边缘的弧形台阶表面任意一点，与第一阻挡层41下边缘的垂直距离为h，与漂移层2的水平距离为m，近似满足关系：h＝9.5-10.5exp(-0.6m)，h最大为7μm，该弧形台阶13表面与第一阻挡层41下边缘处于同一水平高度的部位，距离漂移层2的水平间距t为0.18μm，m≥0.18μm。
第十三步.制作弧形场板14，如图3m。
13.1)在钝化层12的上部制作第七次掩模；
13.2)在真空度小于1.8×10-3Pa，功率范围为200～1000W，蒸发速率小于的工艺条件下，使用电子束蒸发技术，在钝化层12左、右两边的弧形台阶13上淀积金属Ti/Au，完成弧形场板14的制作，且该弧形场板14的上边缘所在高度高于第一阻挡层41下边缘所在高度0.3μm，并将弧形场板14与栅极电气连接，从而完成整个器件的制作。
实施例三：制作钝化层为SiO2的弧形栅场板电流孔径功率器件。
步骤A.选用n+型GaN做衬底1，采用温度为950℃，压强为40Torr，以SiH4为掺杂源，氢气流量为4000sccm，氨气流量为4000sccm，镓源流量为100μmol/min的工艺条件，使用金属有机物化学气相淀积技术，在衬底上外延厚度为50μm、掺杂浓度为1×1018cm-3的n-型GaN材料，制作漂移层2，如图3a。
步骤B.采用温度为950℃，压强为40Torr，以SiH4为掺杂源，氢气流量为4000sccm，氨气流量为4000sccm，镓源流量为100μmol/min的工艺条件，使用金属有机物化学气相淀积技术，在漂移层2上外延厚度为3μm、掺杂浓度为1×1018cm-3的n型GaN材料，制作孔径层3，如图3b。
步骤C.在孔径层3上第一次制作掩模，再使用离子注入技术，在孔径层内的两侧位置注入剂量为1×1016cm-2的p型杂质Mg，形成厚度a为3μm，宽度b为1μm的两个第一阻挡层41，如图3c。
步骤D.在孔径层3和两个第一阻挡层41上第二次制作掩模，再使用离子注入技术，在左、右第一阻挡层41之间的孔径层内两侧位置注入剂量为1×1016cm-2的p型杂质Mg，形成厚度d为1μm，宽度e为3.3μm的两个第二阻挡层42，两个第一阻挡层41和两个第二阻挡层42构成两个对称的电流阻挡层4，两个对称的二级台阶形的电流阻挡层4之间形成孔径5，如图3d。
步骤E.采用真空度小于等于1.0×10-10mbar，射频功率为400W，反应剂采用N2、高纯Ga源的工艺条件，使用分子束外延技术，在两个第一阻挡层41、两个第二阻挡层42和孔径5上部外延厚度为0.2μm的GaN材质的沟道层6，如图3e。
步骤F.采用真空度小于等于1.0×10-10mbar，射频功率为400W，反应剂采用N2、高纯Ga源、高纯Al源的工艺条件，使用分子束外延技术，在沟道层6上外延厚度为50nm的Al0.1Ga0.9N材质的势垒层7，如图3f。
步骤G.在势垒层7上第三次制作掩模，再采用Cl2流量为15sccm，压强为10mTorr，功率为100W的工艺条件，使用反应离子刻蚀技术，在势垒层7和沟道层6的左、右两侧进行刻蚀，其刻蚀深度为0.25μm，形成左、右两个凹槽8，如图3g。
步骤H.在两个凹槽8上部和势垒层7的上部第四次制作掩模，再采用真空度小于1.8×10-3Pa，功率范围为200～1000W，蒸发速率小于的工艺条件，使用电子束蒸发技术，在两个凹槽8上部淀积Ti/Au/Ni组合金属，制作源极9，其中所淀积的金属自下而上，Ti的厚度是0.02μm、Au的厚度是0.3μm、Ni的厚度是0.05μm，如图3h。
步骤I.在源极9上部和势垒层7的上部第五次制作掩模；再采用真空度小于1.8×10-3Pa，功率范围为200～1000W，蒸发速率小于的工艺条件，使用电子束蒸发技术，在势垒层7上淀积金属，制作栅极10，其中所淀积的金属为Ni/Au/Ni金属组合，且Ni的厚度为0.02μm，Au的厚度为0.2μm，Ni的厚度为0.04μm，栅极10与两个电流阻挡层4在水平方向上的交叠长度均为0.8μm，如图3i。
步骤J.采用真空度小于1.8×10-3Pa，功率范围为200～1000W，蒸发速率小于的工艺条件，使用电子束蒸发技术，在整个衬底1的背面上依次淀积金属Ti、Au、Ni，形成漏极11，其中：所淀积的金属，Ti的厚度为0.02μm，Au的厚度为0.7μm，Ni的厚度为0.05μm，如图3j。
步骤K.采用N2O流量为850sccm，SiH4流量为200sccm，温度为250℃，射频功率为25W，压力为1100mTorr的工艺条件，使用等离子体增强化学气相淀积技术，淀积SiO2绝缘介质材料，以包裹除了漏极11底部以外的其他所有区域，完成钝化层12的制作，如图3k。
步骤L.在钝化层12上部制作第六次掩模，再采用CF4流量为20sccm，O2流量为2sccm，压强为20mTorr，偏置电压为100V的工艺条件，使用反应离子刻蚀技术，在左、右两边钝化层内刻蚀，形成弧形台阶13，该弧形台阶13在垂直方向上低于第一阻挡层41下边缘的弧形台阶表面任意一点，与第一阻挡层41下边缘的垂直距离为h，与漂移层2的水平距离为m，近似满足关系：h＝9.5-10.5exp(-0.6m)，h最大为9μm，该弧形台阶13表面与第一阻挡层41下边缘处于同一水平高度的部位，距离漂移层2的水平间距t为0.18μm，m≥0.18μm，如图3l。
步骤M.在钝化层12上部，制作第七次掩模，再采用真空度小于1.8×10-3Pa，功率范围为200～1000W，蒸发速率小于的工艺条件，使用电子束蒸发技术，在左、右两边的各弧形台阶13上淀积Ti/Au组合金属，完成弧形场板14的制作，且该弧形场板14的上边缘所在高度高于第一阻挡层41下边缘所在高度0.5μm，并将弧形场板与栅极电气连接，完成整个器件的制作，如图3m。
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明。
仿真：对传统GaN基电流孔径异质结场效应器件和本发明器件在击穿情况下的二维电场分布进行仿真，结果如图4，其中图4(a)为传统器件，其击穿电压为560V，图4(b)为本发明器件，其击穿电压为2010V。
由图4(a)可以看出，击穿情况下，传统器件中电场强度分布极不均匀，在电流阻挡层与孔径区域交界面下方附近的半导体材料中出现了极高的电场峰值，从而引起器件过早击穿，因此器件的击穿电压仅为560V。由图4(b)可以看出，击穿情况下，本发明器件中电场分布更加均匀，在器件内部以及漂移层两侧表面附近形成了连续平缓的高电场区，说明采用二级台阶形式的电流阻挡层后，弧形场板可以有效调制器件内部和漂移层两侧表面附近的电场峰值，因此本发明器件的击穿电压可高达2010V。
沿图4中各器件右侧电流阻挡层左边缘做垂直方向的切线，得到孔径层下边缘以下的纵向电场分布，结果如图5；沿图4中各器件漂移层右侧边缘做垂直方向的切线，得到孔径层下边缘以下的纵向电场分布，结果如图6。
结合图5和图6所示的纵向电场分布可以更加明显地看出，本发明器件结构可以更加有效地调制器件内部和漂移层两侧表面附近的电场分布，增加器件内高场区的范围，且使得器件内部和漂移层两侧表面附近的电场分布更加平坦，因此本发明器件的击穿电压远大于传统器件的击穿电压。
以上描述仅是本发明的几个具体实施例，并不构成对本发明的限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种弧形栅场板电流孔径功率器件，包括：衬底(1)、漂移层(2)、孔径层(3)、左、右两个对称的电流阻挡层(4)、沟道层(6)、势垒层(7)和钝化层(12)，沟道层(6)和势垒层(7)的两侧刻蚀有凹槽(8)，两侧凹槽(8)中淀积有两个源极(9)，源极(9)之间的势垒层上面淀积有栅极(10)，衬底(1)下面淀积有漏极(11)，钝化层(12)完全包裹在除漏极(11)底部以外的所有区域，两个对称的电流阻挡层(4)之间形成孔径(5)，其特征在于：
所述两个电流阻挡层(4)，采用由第一阻挡层(41)和第二阻挡层(42)构成的二级台阶结构，且第一阻挡层(41)位于第二阻挡层(42)的外侧；
所述钝化层(12)，采用弧形结构，即在钝化层的两边刻有弧形台阶(13)，弧形台阶上淀积有金属，形成左右两个对称的弧形场板(14)，该弧形场板与栅极电气连接，形成弧形栅场板。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于第一阻挡层(41)和第二阻挡层(42)均采用p型掺杂，第一阻挡层(41)的厚度a为1.2～3μm，宽度b为0.2～1μm，第二阻挡层(42)的厚度d为0.3～1μm，宽度e为1.32～3.3μm，且a>d，e＝1.1a。
3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于该弧形台阶(13)表面与第一阻挡层(41)下边缘处于同一水平高度的部位，距离漂移层(2)的水平间距t为0.18μm。
4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于凹槽8的深度等于沟道层6与势垒层7的总厚度。
5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于源极9的厚度大于凹槽8的深度。
6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于所述弧形台阶(13)，其垂直方向上低于第一阻挡层(41)下边缘的弧形台阶表面任意一点，与第一阻挡层(41)下边缘的垂直距离为h，与漂移层(2)的水平距离为m，且满足关系h＝9.5-10.5exp(-0.6m)，0μm<h≤9μm。
7.一种制作弧形栅场板电流孔径功率器件的方法，包括如下过程：
A.在衬底(1)上外延n-型GaN半导体材料，形成漂移层(2)；
B.在漂移层(2)上外延n型GaN半导体材料，形成厚度为1.2～3μm、掺杂浓度为1×1015～1×1018cm-3的孔径层(3)；
C.在孔径层(3)上第一次制作掩模，利用该掩模在孔径层内的两侧位置注入剂量为1×1015～1×1016cm-2的p型杂质，制作厚度a与孔径层厚度相同，宽度b为0.2～1μm的两个第一阻挡层(41)；
D.在孔径层(3)和第一阻挡层(41)上第二次制作掩模，利用该掩模在左右第一阻挡层(41)之间的孔径层内的两侧注入剂量为1×1015～1×1016cm-2的p型杂质，制作厚度d为0.3～1μm，宽度e为1.32～3.3μm的两个第二阻挡层(42)，两个第一阻挡层(41)和两个第二阻挡层(42)构成两个对称的二级台阶结构的电流阻挡层(4)，该两个电流阻挡层(4)之间形成孔径(5)；
E.在两个第一阻挡层(41)、两个第二阻挡层(42)和孔径(5)上部外延GaN半导体材料，形成厚度为0.04～0.2μm的沟道层(6)；
F.在沟道层(6)上部外延GaN基宽禁带半导体材料，形成厚度为5～50nm的势垒层(7)；
G.在势垒层(7)上第三次制作掩模，利用该掩模在势垒层(7)左、右两侧进行刻蚀，且刻蚀至两个电流阻挡层(4)的上表面为止，形成左、右两个凹槽(8)；
H.在两个凹槽(8)上部和势垒层(7)的上部第四次制作掩模，利用该掩模在两个凹槽中淀积金属，且所淀积金属的厚度大于凹槽(8)的深度，以制作源极(9)；
I.在源极(9)上部和势垒层(7)上部第五次制作掩模，利用该掩模在左、右两侧源极(9)之间的势垒层(7)上部淀积金属，以制作栅极(10)；
J.在衬底(1)的背面上淀积金属，以制作漏极(11)；
K.在除了漏极(11)底部以外的其他所有区域淀积绝缘介质材料，形成包裹的钝化层(12)；
L.在钝化层(12)上部制作第六次掩模，利用该掩模在钝化层(12)的左右两边内进行刻蚀，形成弧形台阶(13)，该弧形台阶(13)在垂直方向上低于第一阻挡层(41)下边缘的弧形台阶表面任意一点，与第一阻挡层(41)下边缘的垂直距离为h，与漂移层(2)的水平距离为m，且满足关系h＝9.5-10.5exp(-0.6m)，0μm<h≤9μm；该弧形台阶(13)表面与第一阻挡层(41)下边缘处于同一水平高度的部位，距离漂移层(2)的水平间距t为0.18μm；
M.在钝化层(12)的上部制作第七次掩模，利用该掩模在左右两边的弧形台阶(13)上淀积金属，形成左右对称的两个弧形场板(14)，并将该两侧的弧形场板(14)与栅极(10)电气连接，完成整个器件的制作。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于步骤M中形成的弧形场板(14)，其上边缘所在高度等于或高于第一阻挡层(41)下边缘所在高度。
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