CN111863953A - 功率开关器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率开关器件及其制作方法，主要解决现有功率开关器件存在的阈值电压低和实现高击穿电压时工艺复杂的问题，其包括：衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)、第一栅柱(6)、第二栅柱(7)、源极(9)、漏极(10)、台面(11)、第一栅极(12)、第二栅极(13)和钝化层(14)。第一栅柱和第二栅柱均由P型层(4)和N型层(5)组成；N型层由N^‑型层(51)和N⁺型层(52)组成；第一栅柱左侧的势垒层内和第二栅柱右侧的势垒层内均刻蚀有阵列孔(8)；钝化层上部设有复合板(15)；钝化层和复合板的外围设有保护层(16)。本发明制作工艺简单、正向阻断与反向阻断好及阈值电压高，可作为开关器件。

Description

功率开关器件及其制作方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种功率开关器件，可用于作为电力电子系统的基本器件。

技术背景

电力电子系统广泛应用于航空航天、工业设备、电动汽车、家用电器等众多领域，功率开关器件作为电力电子系统的重要元件，是实现能量转换与控制的重要工具。因此，功率开关器件的性能和可靠性对整个电力电子系统的各项技术指标和性能有着决定性影响。当前，Si基功率开关器件性能已经趋近其理论极限，不能满足下一代电力电子系统高温、高压、高频、高效和高功率密度的要求。而以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场大、化学性质稳定的特点，在制备具有更低导通电阻、更快开关速度、更高击穿电压的功率开关器件方面，已展现出独特的优势。特别是基于GaN基异质结结构的高电子迁移率器件晶体管，即GaN基高电子迁移率晶体管HEMT功率开关器件，以其优异的功率特性，在国民经济与军事领域具有广阔和特殊的应用前景。

传统GaN基HEMT功率开关器件是基于GaN基异质结结构，其包括：衬底1、过渡层2、势垒层3、P型层4、栅柱5、源极6、漏极7、栅极8、台面9和保护层10；势垒层3上面的左侧淀积有源极6，势垒层3上面右侧淀积有漏极7，源极6和漏极7之间的势垒层3上面外延有P型层4，P型层4上淀积有栅极8，保护层10完全覆盖势垒层3、P型层4、源极6、漏极7和栅极8以上的区域，如图1所示。

然而，在传统GaN基HEMT功率开关器件中，P型层中P型杂质镁的激活率很低，难以实现高掺杂的P型层，导致器件阈值电压往往低于2V。且研究表明，过高掺杂浓度的P型层又会导致器件阈值电压的降低，参见On the physical operation and optimization ofthe p-GaN gate in normally-off GaN HEMT devices,Applied Physics Letters,Vol.110,No.12,pp.1-5,2017。此外，在传统GaN基HEMT功率开关器件中，由于器件栅极靠近漏极附近通常会形成极高电场峰，进而导致器件在施加正漏极电压时，即正向关态时，器件正向击穿电压远低于理论预期值，且存在电流崩塌、逆压电效应等可靠性问题，严重制约其实际应用。为了解决上述实际问题，研究者们提出了众多方法，而多层场板结构是其中效果最为显著的一种，参见A 130-W Boost Converter Operation Using a High-VoltageGaN-HEMT,IEEE Electron Device Letters,Vol.29,No.1,pp.8-10,2008。

在当前电动汽车、功率管理系统、S类功率放大器等许多技术领域中，往往需要功率开关器件具有很强的反向阻断，即反向关态，能力，也就是希望器件在关态下具有很高的负的漏极击穿电压，即反向击穿电压。由于传统GaN基HEMT功率开关器件的漏极为欧姆接触，不能施加反向电压。研究者提出了一种采用肖特基漏极的功率开关器件，参见AlGaN/GaN HEMT With Integrated Recessed Schottky-Drain Protection Diode,IEEEElectron Device Letters,Vol.30,No.9,pp.901-903,2009。然而，肖特基漏极在提高器件反向阻断特性方面的能力十分有限，因此为了进一步提高功率开关器件的反向阻断能力，研究者们提出了一种基于源场板和漏场板的功率开关器件，以兼顾器件的正向和反向阻断能力，参见Design optimization of high breakdown voltage AlGaN-GaN power HEMTon an insulating substrate for R_ONA-V_B tradeoff characteristics,IEEETransactions on Electron Devices,Vol.52,No.1,pp.106-111,2005。此外，将双层场板结构与基于源场板和漏场板的功率开关器件相结合，也就是采用双层场板结构的源场板和双层场板结构的漏场板而构成源-漏复合双层场板功率开关器件，可以实现器件正向和反向击穿电压的进一步提升。但是，源-漏复合双层场板功率开关器件的工艺复杂，制造成本更高，每一层场板的制作都需要光刻、淀积金属、淀积钝化介质等工艺步骤。而且要优化各层场板下介质材料厚度以实现击穿电压最大化，必须进行繁琐的工艺调试和优化，因此大大增加了器件制造的难度，降低了器件的成品率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种功率开关器件及其制作方法，以显著提高器件的阈值电压和双向阻断电压，有效减小器件的导通电阻，降低器件的制造难度，提高器件的可靠性。

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

一种功率开关器件，自下而上包括：衬底1、过渡层2、势垒层3、P型层4、N型层5和钝化层14，势垒层3的侧面刻有台面11，势垒层3上部的两边分别设有第一栅柱6和第二栅柱7；第一栅柱6的上面淀积有第一栅极12，其左侧淀积有源极9；第二栅柱7上面淀积有第二栅极13，其右侧淀积有漏极10；第一栅柱6左侧的势垒层3内和第二栅柱7右侧的势垒层3内均刻蚀有阵列孔8，其特征在于：

所述第一栅柱6和第二栅柱7为大小相同的长方体，其均由P型层4和N型层5组成；

所述N型层5由下部的N^-型层51和上部的N⁺型层52组成；

所述N^-型层51与P型层4形成PN结，且每一个栅柱的PN结大小相同；

所述钝化层14，其在第一栅柱6和第二栅柱7之间的区域刻蚀有2n+1个大小相同的凹槽，n≥1；其上部设有复合板15；

所述复合板15，由左调制板、右调制板和2n-1个大小相同的独立金属块构成，且下端完全填充在2n+1个凹槽内，该左调制板与源极9电气连接，右调制板与漏极10电气连接，各独立金属块彼此悬空；左调制板和右调制板以第n个独立金属块为中心呈左右对称分布，n≥1；

所述钝化层14和复合板15的外围设有保护层16。

进一步，所述源极9和漏极10的长度为L_O，宽度为W。

进一步，所述阵列孔8由f×g个大小相同的孔组成，f>1，g>1，每个孔由上部的长方体孔柱81和下部的四棱锥82构成，相邻两个孔的间距k₃为0.5～3μm，最外围孔与源极9或漏极10的边界间距k₁为1～4μm；孔柱81的上表面和下表面均为正方形，该正方形的边长k₂为0.5～2μm，孔柱81深度r为2～20nm，且孔柱81的下表面与四棱锥82的上表面重合；四棱锥82的深度e为1～35nm，且四个侧面均相同。

进一步，所述钝化层14上各凹槽大小相同，每个凹槽的深度d均大于0μm，且小于钝化层14的厚度，宽度a为0.1～4μm。

进一步，所述复合板15，以第n个独立金属块为对称轴，在对称轴左侧，左调制板与第一个独立金属块的间距为S₁，第一个独立金属块与第二个独立金属块的间距为S₂，以此类推，第n-1个独立金属块与第n个独立金属块的间距为S_n，S₁<S₂<...<S_n；在对称轴右侧，右调制板与第1个独立金属块的间距为U₁，第1个独立金属块与第2个独立金属块的间距为U₂，以此类推，第n-1个独立金属块与第n个独立金属块的间距为U_n，U₁<U₂<...<U_n,且S₁＝U₁，S₂＝U₂，...，S_n＝U_n，n≥1。

进一步，所述左调制板、右调制板和每个独立金属块的厚度均相同，每个独立金属块的长度t均为0.5～5μm，左调制板右边缘与第一栅柱6右边缘之间的距离等于右调制板左边缘与第二栅柱7左边缘之间的距离，该距离为L。

进一步，所述各凹槽以第n+1个凹槽为对称轴，在对称轴左侧，第一栅柱6与第一个凹槽的间距为b₁，且0μm<b₁<(L-a)，第一个凹槽与第二个凹槽的间距为c₁，以此类推，第n个凹槽与第n+1个凹槽间距为c_n，c₁<c₂<...<c_n；在对称轴右侧，第二栅柱7与第1个凹槽的间距为b₂，且0μm<b₂<(L-a)，第1个凹槽与第2个凹槽的间距为i₁，以此类推，第n个凹槽与第n+1个凹槽间距为i_n，i₁<i₂<...<i_n,且b₁＝b₂,c₁＝i₁,c₂＝i₂,…,c_n＝i_n,n≥1。

进一步，所述第一栅柱6和第二栅柱7中，N⁺型层52的厚度小于N^-型层51的厚度，N⁺型层52的掺杂浓度大于等于N^-型层51的掺杂浓度；N^-型层51的厚度大于等于P型层4的厚度，P型层4的厚度为5～300nm，N^-型层51的掺杂浓度小于等于P型层4的掺杂浓度，第一栅极12与第二栅极13的长度相等，且均小于第一栅柱6的长度。

二、制作方法

本发明制作功率开关器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)在衬底1上采用金属有机物化学气相淀积技术外延GaN基宽禁带半导体材料，形成厚度为1～10μm的过渡层2；

B)在过渡层2上采用金属有机物化学气相淀积技术外延GaN基宽禁带半导体材料，形成厚度为4～60nm的势垒层3；

C)在势垒层3上采用金属有机物化学气相淀积技术外延P型GaN半导体材料，形成厚度为5～300nm、掺杂浓度为5×10¹⁶～5×10²⁰cm^-3的P型层4；

D)制作N型层5：

D1)在P型层4上采用金属有机物化学气相淀积技术外延N型GaN半导体材料，形成厚度大于等于P型层4的厚度、掺杂浓度为1×10¹¹～1×10¹⁸cm^-3的N^-型层51；

D2)在N^-型层51上采用金属有机物化学气相淀积技术外延N型GaN半导体材料，形成厚度小于N^-型层51、掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10²⁰cm^-3的N⁺型层52,N^-型层51与N⁺型层52共同构成N型层5；

E)在N型层5上第一次制作掩膜，利用该掩膜在N型层5的两侧进行刻蚀，且刻蚀至势垒层3上表面为止，形成长度大于等于1nm且大小相同的长方体第一栅柱6与第二栅柱7，；

F)制作阵列孔8：

F1)在势垒层3、第一栅柱6、第二栅柱7的上部第二次制作掩膜，利用该掩模在左右两边的势垒层3内进行刻蚀，形成f×g个大小相同长方体孔柱81；

F2)在势垒层3、第一栅柱6、第二栅柱7的上部第三次制作掩膜，利用该掩模在F1)形成的f×g个大小相同长方体孔柱81内进行刻蚀，形成孔柱81下部的四棱锥82，该f×g个大小相同长方体孔柱81与其下部的四棱锥82共同构成阵列孔8；

G)制作源极9和漏极10：

G1)在势垒层3、第一栅柱6、第二栅柱7的上部第四次制作掩膜，利用该掩模在左右两边的势垒层3上采用电子束蒸发技术淀积金属，且完全填充阵列孔8，该金属采用Gd、Zr或Ta；

G2)继续利用G1)中的掩膜，再次采用电子束蒸发技术淀积金属，该金属采用Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Mo/Au或Ti/Al/Ti/Au中的一种，并在N₂气氛中进行快速热退火，完成源极9和漏极10的制作；

H)在势垒层3、第一栅柱6、第二栅柱7、源极9、漏极10上第五次制作掩膜，利用该掩膜在源极9左侧与漏极10右侧的势垒层3上进行刻蚀，且刻蚀区深度大于势垒层厚度，形成台面11；

I)在势垒层3、第一栅柱6、第二栅柱7、源极9、漏极10、台面11的上部第六次制作掩膜，利用该掩膜在第一栅柱6、第二栅柱7的上部采用电子束蒸发技术淀积金属，制作第一栅极12和第二栅极13，这两个栅极的长度相等，且均小于第一栅柱6的长度；

J)在第一栅柱6、第二栅柱7、源极9、漏极10、第一栅极12、第二栅极13的上部及其外围区域，采用等离子体增强化学气相淀积技术淀积厚度大于等于100nm的钝化层14；

K)在钝化层14上第七次制作掩膜，利用该掩膜在第一栅柱6与第二栅柱7之间的钝化层14上刻蚀2n+1个大小相同的凹槽，n≥1；

L)在钝化层14和凹槽的上部第八次制作掩膜，利用该掩膜在钝化层14的上部及凹槽内采用电子束蒸发技术淀积金属，且金属下端完全填充在凹槽内，依次制作左调制板、2n-1个独立金属块、右调制板，n≥1，且左调制板与源极9电气连接，右调制板与漏极10电气连接，各独立金属块彼此悬空，左调制板和右调制板以第n个独立金属块为中心呈左右对称分布，形成复合板15；

M)在钝化层14和复合板15的外围区域，利用绝缘介质材料采用等离子体增强化学气相淀积技术淀积保护层16，完成整个器件的制作。

本发明器件与传统GaN基HEMT功率开关器件比较，具有以下优点：

第一，本发明器件由于在栅极下方采用N⁺型层52、N^-型层51和P型层4结构，在栅极为正向偏置时，N^-型层51会完全耗尽，形成高阻空间电荷区，该高阻区可分担绝大部分的栅极电压，且通过增加N^-型层51的厚度、减小N^-型层51的浓度等，可进一步增加该高阻区所分担的栅极电压。此外，在N^-型层51和P型层4界面P型层一侧也会形成一定的高阻空间电荷区，该高阻区也可分担一部分栅极电压。因此，本发明器件可显著提高器件的阈值电压。

第二，本发明器件由于在源极9和漏极10的下方采用阵列孔8的结构，通过调节阵列孔中每个孔上部的长方体孔柱和下部的四棱锥的形貌以及每个孔的相对位置关系，可有效调制每个孔内金属与势垒层接触的电气特性，从而有效减小器件源极和漏极的欧姆接触电阻。

第三，本发明器件由于在钝化层14的上方采用了复合板结构，可有效调制第一栅柱6和第二栅柱7之间势垒层内的电势分布，在器件正向阻断时，即第一栅极偏置在0V，第二栅极与漏极短接且施加大于源极电势的高电势时，可使势垒层内电势从第一栅柱6向第二栅柱7缓变增加，而在器件反向阻断时，即第二栅极偏置在0V，第一栅极与源极短接且施加大于漏极电势的高电势时，可使势垒层内电势从第二栅柱7向第一栅柱6缓变增加。因此，在器件正向阻断或反向阻断时，本发明器件中采用的复合板结构均可使第一栅柱6与第二栅柱7之间势垒层内实现近似均匀的电场分布，从而可充分发挥第一栅柱6与第二栅柱7之间势垒层的耐压能力，显著提升器件的正向击穿电压和反向击穿电压。

附图说明

图1是现有的GaN基HEMT功率开关器件的结构图；

图2是本发明功率开关器件结构图；

图3是本发明器件中阵列孔的俯视图；

图4是本发明器件中阵列孔沿自左向右的剖面图；

图5是本发明器件中阵列孔的立体图；

图6是本发明制作功率开关器件的整体流程示意图；

图7是对传统器件及本发明器件仿真所得的转移特性曲线图；

图8是对传统器件及本发明器件仿真所得的击穿特性曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述。

参照图2，本实例给出的功率开关器件包括：衬底1、过渡层2、势垒层3、P型层4、N型层5、第一栅柱6、第二栅柱7、阵列孔8、源极9、漏极10、台面11、第一栅极12、第二栅极13、钝化层14、复合板15和保护层16，其中：

所述衬底1采用蓝宝石或碳化硅或硅材料；

所述过渡层2位于衬底1的上部，由若干层相同或不同的GaN基宽禁带半导体材料组成，其厚度为1～10μm；

所述势垒层3位于过渡层2的上部，由若干层相同或不同的GaN基宽禁带半导体材料组成，其厚度为4～60nm；

所述第一栅柱6和第二栅柱7为大小相同的长方体，其分别位于势垒层3上部的两侧，这两个栅柱均由P型层4与N型层5组成，N型层5由下部的N^-型层51和上部的N⁺型层52组成，N^-型层51与P型层4形成两个大小相同PN结结构，且每一个栅柱的PN结大小相同，每个栅柱长度均大于等于1nm，其中每个N⁺型层52的厚度小于N^-型层51的厚度，N⁺型层52的掺杂浓度大于等于N^-型层51的掺杂浓度，P型层4的厚度为5～300nm，N^-型层51的厚度大于等于P型层4的厚度，P型层4的掺杂浓度为5×10¹⁶～5×10²⁰cm^-3，N^-型层51的掺杂浓度为1×10¹¹～1×10¹⁸cm^-3，N⁺型层52的掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10²⁰cm^-3，且N^-型层51的掺杂浓度小于等于P型层4的掺杂浓度；

所述第一栅柱6左侧的势垒层3内和第二栅柱7右侧的势垒层3内均设有阵列孔8，阵列孔8由f×g个大小相同的孔组成，f>1，g>1，每个孔由上部的长方体孔柱81和下部的四棱锥82构成，相邻两个孔的间距k₃为0.5～3μm，最外围孔与源极9或漏极10的边界间距k₁为1～4μm，如图3；孔柱81的上表面和下表面均为正方形，该正方形的边长k₂为0.5～2μm，孔柱81的深度r为2～20nm，且孔柱81的下表面与四棱锥82的上表面重合,如图4；四棱锥82的深度e为1～35nm，四个侧面均相同，如图5；

所述源极9位于第一栅柱6的左侧，漏极10位于第二栅柱7的右侧，源极9与漏极10完全填充阵列孔8，其长度为L_O，宽度为W；

所述台面11位于势垒层3的两个边缘，该台面深度大于势垒层3的厚度；

所述第一栅极12和第二栅极13分别位于第一栅柱6和第二栅柱7上，第一栅极12和第二栅极13的长度相等，该长度小于第一栅柱6的长度；

所述钝化层14，厚度大于等于100nm，其完全覆盖第一栅柱6、第二栅柱7、源极9、漏极10、第一栅极12、第二栅极13的上部及其外围区域，该钝化层14采用SiO₂、SiN、Al₂O₃、Sc₂O₃、HfO₂、TiO₂中的任意一种或其它绝缘介质材料；

所述第一栅柱6与第二栅柱7之间的钝化层14上设有2n+1个凹槽，n≥1，各凹槽大小相同，每个凹槽的深度d均大于0μm，且小于钝化层14的厚度，宽度a为0.1～4μm；这两个栅柱6和7以第n+1个凹槽为对称轴，在对称轴左侧，第一栅柱6与第一个凹槽的间距为b₁，且0μm<b₁<(L-a)，第一个凹槽与第二个凹槽的间距为c₁，以此类推，第n个凹槽与第n+1个凹槽间距为c_n，且c₁<c₂<...<c_n；在对称轴右侧，第二栅柱7与第1个凹槽的间距为b₂，且0μm<b₂<(L-a)，第1个凹槽与第2个凹槽的间距为i₁，以此类推，第n个凹槽与第n+1个凹槽间距为i_n，i₁<i₂<...<i_n,且b₁＝b₂,c₁＝i₁,c₂＝i₂,…,c_n＝i_n,n≥1；

所述复合板15位于钝化层14的上部，其由左调制板、右调制板和2n-1个大小相同的独立金属块构成，且下端完全填充在2n+1个凹槽内，该左调制板与源极9电气连接，右调制板与漏极10电气连接，各独立金属块彼此悬空；左调制板和右调制板以第n个独立金属块为中心呈左右对称分布，n≥1。以第n个独立金属块为对称轴，在对称轴左侧，左调制板与其第一个独立金属块的间距为S₁，第一个独立金属块与第二个独立金属块的间距为S₂，以此类推，第n-1个独立金属块与第n个独立金属块的间距为S_n，S₁<S₂<...<S_n；在对称轴右侧，右调制板与第1个独立金属块的间距为U₁，第1个独立金属块与第2个独立金属块的间距为U₂，以此类推，第n-1个独立金属块与第n个独立金属块的间距为U_n，U₁<U₂<...<U_n,且S₁＝U₁，S₂＝U₂，...，S_n＝U_n，n≥1；左调制板、右调制板和每个独立金属块的厚度均相同，每个独立金属块的长度t均为0.5～5μm，左调制板右边缘与第一栅柱6右边缘之间的距离等于右调制板左边缘与第二栅柱7左边缘之间的距离，该距离为L。

所述保护层16位于钝化层14和复合板15的外围区域，其采用SiO₂、SiN、Al₂O₃、Sc₂O₃、HfO₂、TiO₂中的任意一种或其它绝缘介质材料。

参照图6，本发明制作的功率开关器件给出如下三种实施例。

实施例一：制作P型层4厚度为5nm、浓度为510²⁰cm^-3，N^-型层51厚度为100nm、浓度为5×10¹⁷cm^-3，N⁺型层52厚度为50nm、浓度为5×10²⁰cm^-3，第一栅柱6和第二栅柱7的长度均为1nm，阵列孔8由2×2个大小相同的孔组成，凹槽的数目为3个、独立金属块的数目为1个的功率开关器件。

步骤1.在蓝宝石衬底1上外延GaN材料制作过渡层2，如图6a。

1a)使用金属有机物化学气相淀积技术在蓝宝石衬底1上外延厚度为30nm的GaN材料，其工艺条件为：温度为530℃，压强为45Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为22μmol/min；

1b)使用金属有机物化学气相淀积技术在GaN材料上外延厚度为0.97μm的GaN材料，形成未掺杂过渡层2，其工艺条件为：温度为960℃，压强为45Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为120μmol/min。

步骤2.在未掺杂GaN过渡层2上淀积未掺杂的Al_0.3Ga_0.7N制作势垒层3，如图6b。

使用金属有机物化学气相淀积技术在GaN过渡层2上淀积厚度为4nm，且铝组分为0.3的未掺杂Al_0.3Ga_0.7N势垒层3，其工艺条件为：温度为980℃，压强为45Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为35μmol/min，铝源流量为7μmol/min。

步骤3.在势垒层3上外延P型层4，如图6c。

使用金属有机物化学气相淀积技术，在势垒层3上外延厚度为5nm、掺杂浓度为5×10²⁰cm^-3的p型GaN半导体材料，形成P型层4。

外延采用的工艺条件是：温度为950℃，压强为40Torr，氢气流量为4000sccm，以高纯Mg源为掺杂剂，氨气流量为4000sccm，镓源流量为100μmol/min。

步骤4.制作N型层5，如图6d。

4a)使用金属有机物化学气相淀积技术，在P型层4上外延厚度为100nm、掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3的n型GaN半导体材料，形成N^-型层51。

外延采用的工艺条件为：温度为950℃，压强为40Torr，氢气流量为4000sccm，以高纯SiH₄为掺杂剂，氨气流量为4000sccm，镓源流量为100μmol/min。

4b)使用金属有机物化学气相淀积技术，在N^-型层51上外延厚度为50nm、掺杂浓度为5×10²⁰cm^-3的n型GaN半导体材料，形成N⁺型层52，N^-型层51与N⁺型层52共同构成N型层5。

外延采用的工艺条件为：温度为950℃，压强为40Torr，氢气流量为4000sccm，以高纯SiH₄为掺杂剂，氨气流量为4000sccm，镓源流量为100μmol/min。

步骤5.制作第一栅柱6与第二栅柱7，如图6e。

在N型层5上第一次制作掩膜，使用反应离子刻蚀技术在N型层5的两侧进行刻蚀，形成长度均为1nm的第一栅柱6与第二栅柱7，刻蚀深度为155nm，刻蚀采用的工艺条件是：Cl₂流量为15sccm，压强为10mTorr，功率为100W。

步骤6.制作阵列孔8，如图6f。

6a)在厚度为4nm的Al_0.3Ga_0.7N势垒层3、第一栅柱6与第二栅柱7上第二次制作掩膜，该掩膜图形是由2×2个边长k₂为0.5μm的正方形孔组成的阵列，相邻两个孔的间距k₃为0.5μm，最外围孔与源极9或漏极10的边界间距k₁为1μm；利用该掩膜采用反应离子刻蚀技术在Al_0.3Ga_0.7N势垒层3上刻蚀制作2×2个长方体孔柱81，其中每个孔柱81的深度r均为2nm。

刻蚀孔柱81采用的工艺条件是：Cl₂/BCl₃流量比为3:1，压强为30mTorr，功率为150W。

6b)在厚度为4nm的Al_0.3Ga_0.7N势垒层3、第一栅柱6与第二栅柱7上第三次制作掩膜，利用该掩模在6a)形成的2×2个大小相同长方体孔柱81内采用反应离子刻蚀技术刻蚀制作相同的四棱锥82，该2×2个大小相同的长方体孔柱81与其下部的四棱锥82共同构成阵列孔8。这些四棱锥的上表面与孔柱81的下表面重合，四棱锥81的深度e为1nm，且四个侧面均相同，Al_0.3Ga_0.7N势垒层3刻蚀后的厚度为1nm。

刻蚀四棱锥82采用的工艺条件为：BCl₃流量为60sccm，压强为25mTorr，功率为150W。

步骤7.制作源极9和漏极10，如图6g。

7a)在势垒层3、第一栅柱6和第二栅柱7的上部第四次制作掩膜，利用该掩模在左右两边的势垒层3上使用电子束蒸发技术淀积金属，且完全填充阵列孔8，该金属采用Gd。

淀积金属采用的工艺条件为：高纯度Gd源，真空度小于1.8×10^-3Pa，功率为400W，蒸发速率小于

7b)继续利用7a)中的掩膜，再次采用电子束蒸发技术淀积金属，并在N₂气氛中进行快速热退火，制作源极9和漏极10，其中所淀积的金属为Ti/Al/Ni/Au金属组合，即自下而上分别为Ti、Al、Ni与Au，其厚度为0.018μm/0.135μm/0.046μm/0.052μm。

淀积金属采用的工艺条件为：真空度小于1.8×10^-3Pa，功率为400W，蒸发速率小于

快速热退火采用的工艺条件为：温度为850℃，时间为35s。

步骤8.在源极9左边与漏极10右边的势垒层上进行刻蚀制作台面11，如图6h。

在势垒层3、第一栅柱6、第二栅柱7、源极9和漏极10上第五次制作掩膜，利用该掩膜在源极9左边与漏极10右边的势垒层上使用反应离子刻蚀技术进行刻蚀，形成台面11，刻蚀深度为80nm。

刻蚀采用的工艺条件为：Cl₂流量为15sccm，压强为10mTorr，功率为100W。

步骤9.制作第一栅极12与第二栅极13，如图6i。

在势垒层3、第一栅柱6、第二栅柱7、源极9、漏极10和台面11的上部第六次制作掩膜，利用该掩膜在第一栅柱6与第二栅柱7上使用电子束蒸发技术淀积金属，制作第一栅极12与第二栅极13，这两个栅极的长度相等，且均小于第一栅柱6的长度，其中所淀积的金属为Ni/Au金属组合，即下层为Ni、上层为Au，其厚度为0.045μm/0.20μm。

淀积金属采用的工艺条件为：真空度小于1.8×10^-3Pa，功率为200W，蒸发速率小于

步骤10.制作钝化层14，如图6j。

在第一栅柱6、第二栅柱7、源极9、漏极10、第一栅极12、第二栅极13的上部及其外围区域，采用等离子体增强化学气相淀积技术淀积厚度为100nm的SiO₂钝化层14。

淀积钝化层14采用的工艺条件为：N₂O流量为850sccm，SiH₄流量为200sccm，温度为250℃，RF功率为20W，压力为1100mT。

步骤11.制作3个凹槽，如图6k。

在钝化层14上第七次制作掩膜，利用该掩膜在第一栅柱6与第二栅柱7之间的钝化层14内使用反应离子刻蚀技术进行刻蚀，以制作相同深度、相同宽度的3个凹槽，凹槽的宽度a为0.1μm，深度d为80nm。这两个栅柱6和7以第2个凹槽为对称轴，在对称轴左侧，第一栅柱6与第一个凹槽的间距b₁为0.5μm，第一个凹槽与第二个凹槽的间距c₁为0.5μm；在对称轴右侧，第二栅柱7与第1个凹槽的间距b₂为0.5μm，第1个凹槽与第2个凹槽的间距i₁为0.5μm。

刻蚀采用的工艺条件为：CF₄流量为45sccm，O₂流量为5sccm，压强为15mTorr，功率为250W。

步骤12.制作左调制板、1个独立金属块和右调制板，如图6l。

在钝化层14和3个凹槽的上部第八次制作掩膜，利用该掩膜在3个凹槽内、第一栅柱6与第二栅柱7之间的钝化层上使用电子束蒸发技术淀积金属制作左调制板、1个独立金属块和右调制板，并将左调制板与源极9电气连接，将右调制板与漏极10电气连接，独立金属块悬空，左调制板和右调制板以第1个独立金属块为中心呈左右对称分布，形成复合板15，所淀积的金属为Ti/Au金属组合，即下层为Ti、上层为Au，其厚度为0.1μm/0.05μm。其中所淀积金属要完全填充3个凹槽，左调制板与其第一个独立金属块的间距S₁为0.1μm，右调制板与其第1个独立金属块的间距U₁为0.1μm，独立金属块的长度t为0.5μm，左调制板右边缘与第一栅柱6右边缘之间的距离等于右调制板左边缘与第二栅柱7左边缘之间的距离，该距离L为0.8μm。

淀积金属采用的工艺条件为：真空度小于1.8×10^-3Pa，功率为200W，蒸发速率小于

步骤13.在钝化层14和复合板15的外围区域，淀积SiO₂制作保护层16，如图6m。

使用等离子体增强化学气相淀积技术在钝化层14和复合板15的外围区域淀积SiO₂以制作保护层16，其厚度为0.56μm，从而完成整个器件的制作。

淀积保护层采用的工艺条件为：N₂O流量为850sccm，SiH₄流量为200sccm，温度为250℃，RF功率为20W，压强为1100mTorr。

实施例二：制作P型层4厚度为120nm、浓度为110¹⁸cm^-3，N^-型层51厚度为120nm、浓度为1×10¹⁸cm^-3，N⁺型层52厚度为30nm、浓度为1×10¹⁸cm^-3，第一栅柱6和第二栅柱7的长度均为1000nm，阵列孔8由5×5个大小相同的孔组成，凹槽的数目为5个、独立金属块的数目为3个的功率开关器件。

步骤一.在碳化硅衬底1上自下而上外延AlN与GaN材料制作过渡层2，如图6a。

1.1)使用金属有机物化学气相淀积技术在温度为1000℃，压强为45Torr，氢气流量为4600sccm，氨气流量为4600sccm，铝源流量为5μmol/min的工艺条件下，在碳化硅衬底1上外延厚度为100nm的未掺杂的AlN材料；

1.2)使用金属有机物化学气相淀积技术在温度为1000℃，压强为45Torr，氢气流量为4600sccm，氨气流量为4600sccm，镓源流量为120μmol/min的工艺条件下，在AlN材料上外延厚度为4.9μm的GaN材料，完成过渡层2的制作。

步骤二.在GaN过渡层2上淀积未掺杂的Al_0.2Ga_0.8N制作势垒层3，如图6b。

使用金属有机物化学气相淀积技术在温度为980℃，压强为45Torr，氢气流量为4500sccm，氨气流量为4500sccm，镓源流量为37μmol/min，铝源流量为6μmol/min的工艺条件下，在GaN过渡层2上淀积厚度为20nm，且铝组分为0.2的未掺杂Al_0.2Ga_0.8N势垒层3。

步骤三.在势垒层3上外延P型层4，如图6c。

使用金属有机物化学气相淀积技术在以高纯Mg源为掺杂剂，温度为950℃，压强为40Torr，氢气流量为3900sccm，氨气流量为3900sccm，镓源流量为90μmol/min的工艺条件下，在势垒层3上外延厚度为120nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的p型GaN半导体材料，形成P型层4。

步骤四.在P型层4上外延N型层5，如图6d。

4.1)使用金属有机物化学气相淀积技术在以高纯SiH₄为掺杂剂，温度为950℃，压强为40Torr，氢气流量为4100sccm，氨气流量为4100sccm，镓源流量为120μmol/min的工艺条件下，在P型层4上外延厚度为120nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的n型GaN半导体材料，形成N^-型层51；

4.2)使用金属有机物化学气相淀积技术在以高纯SiH₄为掺杂剂，温度为950℃，压强为40Torr，氢气流量为4100sccm，氨气流量为4100sccm，镓源流量为120μmol/min的工艺条件下，在N^-型层51上外延厚度为30nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的n型GaN半导体材料，形成N⁺型层52，N^-型层51与N⁺型层52共同构成N型层5。

步骤五.制作第一栅柱6与第二栅柱7，如图6e。

在N型层5上第一次制作掩膜，使用反应离子刻蚀技术在Cl₂流量为15sccm，压强为10mTorr，功率为120W的工艺条件下，在N型层5的两侧进行刻蚀，形成长度均为1000nm的第一栅柱6与第二栅柱7，刻蚀深度为270nm。

步骤六.制作阵列孔8，如图6f。

6.1)在厚度为20nm的Al_0.2Ga_0.8N势垒层3、第一栅柱6与第二栅柱7上第二次制作掩膜，该掩膜图形是由5×5个边长k₂为1μm的正方形孔组成的阵列，相邻两个孔的间距k₃为1μm，最外围孔与源极9或漏极10的边界间距k₁为2μm；利用该掩膜采用反应离子刻蚀技术在Cl₂/BCl₃流量比为3:1，压强为30mTorr，功率为160W的工艺条件下，在Al_0.2Ga_0.8N势垒层3上刻蚀制作5×5个长方体孔柱81，其中每个孔柱81的深度r均为8nm；

6.2)在厚度为20nm的Al_0.2Ga_0.8N势垒层3、第一栅柱6与第二栅柱7上第三次制作掩膜，利用该掩模在6.1)形成的5×5个大小相同长方体孔柱81内采用反应离子刻蚀技术在BCl₃流量为60sccm，压强为25mTorr，功率为160W的工艺条件下，刻蚀制作相同的四棱锥82，该5×5个大小相同长方体孔柱81与其下部的四棱锥82共同构成阵列孔8。这些四棱锥的上表面与孔柱81的下表面重合，四棱锥81的深度e为8nm，且四个侧面均相同，Al_0.2Ga_0.8N势垒层3刻蚀后的厚度为4nm。

步骤七.制作源极9和漏极10，如图6g。

7.1)在势垒层3、第一栅柱6和第二栅柱7的上部第四次制作掩膜，利用该掩模在左右两边的势垒层3上使用电子束蒸发技术在高纯度Zr源，真空度小于1.8×10^-3Pa，功率为450W，蒸发速率小于

的工艺条件下，淀积金属Zr，且完全填充阵列孔8；

7.2)继续利用7.1)中的掩膜，再次采用电子束蒸发技术在真空度小于1.8×10^{- 3}Pa，功率为450W，蒸发速率小于

的工艺条件下，淀积金属，并在温度为850℃，时间为35s的工艺条件下，在N₂气氛中进行快速热退火，制作源极9和漏极10，其中所淀积的金属为Ti/Al/Mo/Au金属组合，即自下而上分别为Ti、Al、Mo与Au，其厚度为0.015μm/0.132μm/0.048μm/0.056μm。

步骤八.在源极9左边与漏极10右边的势垒层上进行刻蚀制作台面11，如图6h。

在势垒层3、第一栅柱6、第二栅柱7、源极9和漏极10上第五次制作掩膜，利用该掩膜在源极9左边与漏极10右边的势垒层上使用反应离子刻蚀技术在Cl₂流量为15sccm，压强为10mTorr，功率为100W的工艺条件下，向下垂直刻蚀200nm，以形成台面11。

步骤九.制作第一栅极12与第二栅极13，如图6i。

在势垒层3、第一栅柱6、第二栅柱7、源极9、漏极10和台面11的上部第六次制作掩膜，利用该掩膜在第一栅柱6与第二栅柱7上使用电子束蒸发技术在真空度小于1.8×10^{- 3}Pa，功率为600W，蒸发速率小于

的工艺条件下，淀积金属，制作第一栅极12与第二栅极13，这两个栅极的长度相等，且均小于第一栅柱6的长度，其中所淀积的金属为Pt/Au金属组合，下层Pt的厚度为0.18μm，上层Au的厚度0.32μm。

步骤十.制作钝化层14，如图6j。

在第一栅柱6、第二栅柱7、源极9、漏极10、第一栅极12、第二栅极13的上部及其外围区域，采用等离子体增强化学气相淀积技术在NH₃流量为2.5sccm，N₂流量为950sccm，SiH₄流量为250sccm，温度为300℃，RF功率为50W和压力为950mT的工艺条件下，淀积厚度为300nm的SiN钝化层14。

步骤十一.制作5个凹槽，如图6k。

在钝化层14上第七次制作掩膜，利用该掩膜在第一栅柱6与第二栅柱7之间的钝化层14内使用反应离子刻蚀技术在CF₄流量为45sccm，O₂流量为5sccm，压强为15mT，功率为250W的工艺条件下，刻蚀制作相同深度、相同宽度的5个凹槽，凹槽的宽度a为0.5μm，深度d为250nm。且这两个栅柱6和7以第3个凹槽为对称轴，在对称轴左侧，第一栅柱6与第一个凹槽的间距b₁为1μm，第一个凹槽与第二个凹槽的间距为c₁，第二个凹槽与第三个凹槽的间距为c₂，且c₁<c₂；在对称轴右侧，第二栅柱7与第1个凹槽的间距b₂为1μm，第1个凹槽与第2个凹槽的间距为i₁，第2个凹槽与第3个凹槽的间距为i₂，且i₁<i₂，c₁＝i₁,c₂＝i₂。

步骤十二.制作左调制板、3个独立金属块和右调制板，如图6l。

在钝化层14和5个凹槽的上部第八次制作掩膜，利用该掩膜在5个凹槽内、第一栅柱6与第二栅柱7之间的钝化层上使用电子束蒸发技术在真空度小于1.8×10^-3Pa，功率为600W，蒸发速率小于

的工艺条件下，淀积金属制作左调制板、3个独立金属块和右调制板，并将左调制板与源极9电气连接，将右调制板与漏极10电气连接，3个独立金属块彼此悬空，左调制板和右调制板以第3个独立金属块为中心呈左右对称分布，形成复合板15，所淀积的金属为Ti/Au金属组合，即下层为Ti、上层为Au，其厚度为0.2μm/0.11μm。其中所淀积金属要完全填充5个凹槽，以第2个独立金属块为对称轴，在对称轴左侧，左调制板与其第一个独立金属块的间距S₁为0.26μm，第一个独立金属块与第二个独立金属块的间距S₂为0.52μm；右调制板与其第1个独立金属块的间距U₁为0.26μm，第1个独立金属块与第2个独立金属块的间距U₂为0.52μm，独立金属块的长度t为2μm，左调制板右边缘与第一栅柱6右边缘之间的距离等于右调制板左边缘与第二栅柱7左边缘之间的距离，该距离L为2.25μm。

步骤十三.在钝化层14和复合板15的外围区域，淀积SiO₂制作保护层16，如图6m。

使用等离子体增强化学气相淀积技术在N₂O流量为850sccm，SiH₄流量为200sccm，温度为250℃，RF功率为50W，压强为1100mTorr的工艺条件下，在钝化层14和复合板15的外围区域淀积SiO₂以制作保护层16，其厚度为0.7μm，从而完成整个器件的制作。

实施例三：制作P型层4厚度为300nm、浓度为510¹⁶cm^-3，N^-型层51厚度为350nm、浓度为1×10¹¹cm^-3，N⁺型层52厚度为100nm、浓度为5×10¹⁹cm^-3，第一栅柱6和第二栅柱7的长度均为10μm，阵列孔8由10×10个大小相同的孔组成，凹槽的数目为7个、独立金属块的数目为5个的功率开关器件。

步骤A.在硅衬底1上自下而上外延AlN与GaN材料制作过渡层2，如图6a。

首先，使用金属有机物化学气相淀积技术在硅衬底1上外延厚度为400nm的AlN材料，其工艺条件为：温度为800℃，压强为40Torr，氢气流量为4000sccm，氨气流量为4000sccm，铝源流量为25μmol/min的工艺条件；

然后，使用金属有机物化学气相淀积技术在AlN材料上外延厚度为9.6μm的GaN材料，完成过渡层2制作，其工艺条件为：温度为980℃，压强为45Torr，氢气流量为4000sccm，氨气流量为4000sccm，镓源流量为120μmol/min的工艺条件。

步骤B.在GaN过渡层2上淀积未掺杂的Al_0.1Ga_0.9N制作势垒层3，如图6b。

使用金属有机物化学气相淀积技术在GaN过渡层2上淀积厚度为60nm，且铝组分为0.1的未掺杂Al_0.1Ga_0.9N势垒层3；

其淀积的工艺条件：温度为980℃，压强为45Torr，氢气流量为4300sccm，氨气流量为4300sccm，镓源流量为35μmol/min，铝源流量为7μmol/min。

步骤C.在势垒层3上外延P型层4，如图6c。

使用金属有机物化学气相淀积技术，在势垒层3上外延厚度为300nm、掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3的p型GaN半导体材料，形成P型层4；

外延采用的工艺条件：温度为950℃，压强为40Torr，氢气流量为4100sccm，以高纯Mg源为掺杂剂，氨气流量为4100sccm，镓源流量为110μmol/min。

步骤D.在P型层4上外延N型层5，如图6d。

首先，使用金属有机物化学气相淀积技术，在P型层4上外延厚度为350nm、掺杂浓度为1×10¹¹cm^-3的n型GaN半导体材料，形成N^-型层51，其外延N^-型层51采用的工艺条件：温度为950℃，压强为40Torr，氢气流量为4200sccm，以高纯SiH₄为掺杂剂，氨气流量为4200sccm，镓源流量为105μmol/min。

然后，使用金属有机物化学气相淀积技术，在N^-型层51上外延厚度为100nm、掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3的n型GaN半导体材料，形成N⁺型层52，N^-型层51与N⁺型层52共同构成N型层5，外延N⁺型层52采用的工艺条件：温度为950℃，压强为40Torr，氢气流量为4200sccm，以高纯SiH₄为掺杂剂，氨气流量为4200sccm，镓源流量为105μmol/min。

步骤E.制作第一栅柱6与第二栅柱7，如图6e。

在N型层5上第一次制作掩膜，使用反应离子刻蚀技术在N型层5的两侧进行刻蚀，形成长度均为10μm的第一栅柱6与第二栅柱7，刻蚀深度为750nm；

刻蚀的工艺条件：Cl₂流量为15sccm，压强为10mTorr，功率为110W。

步骤F.制作阵列孔8，如图6f。

首先，在厚度为60nm的Al_0.1Ga_0.9N势垒层3、第一栅柱6与第二栅柱7上第二次制作掩膜，该掩膜图形是由10×10个边长k₂为2μm的正方形孔组成的阵列，相邻两个孔的间距k₃为3μm，最外围孔与源极9或漏极10的边界间距k₁为4μm；利用该掩膜采用反应离子刻蚀技术在Al_0.1Ga_0.9N势垒层3上刻蚀制作10×10个长方体孔柱81，其中每个孔柱81的深度r均为20nm，其刻蚀孔柱81采用的工艺条件：Cl₂/BCl₃流量比为3:1，压强为30mTorr，功率为150W。

然后，在厚度为60nm的Al_0.1Ga_0.9N势垒层3、第一栅柱6与第二栅柱7上第三次制作掩膜，利用该掩模在上述形成的10×10个大小相同长方体孔柱81内采用反应离子刻蚀技术刻蚀制作相同的四棱锥82，该10×10个大小相同长方体孔柱81与其下部的四棱锥82共同构成阵列孔8。这些四棱锥的上表面与孔柱81的下表面重合，四棱锥81的深度e为35nm，且四个侧面均相同，Al_0.1Ga_0.9N势垒层3刻蚀后的厚度为5nm。刻蚀四棱锥82采用的工艺条件：BCl₃流量为60sccm，压强为25mTorr，功率为150W。

步骤G.制作源极9和漏极10，如图6g。

首先，在势垒层3、第一栅柱6和第二栅柱7的上部第四次制作掩膜，利用该掩模在左右两边的势垒层3上使用电子束蒸发技术淀积金属，且完全填充阵列孔8，该金属采用Ta。淀积金属采用的工艺条件：高纯度Ta源，真空度小于1.8×10^-3Pa，功率为420W，蒸发速率小于

然后，继续利用第四次制作的掩膜，再次采用电子束蒸发技术淀积金属，并在N₂气氛中进行快速热退火，制作源极9和漏极10，其中所淀积的金属为Ti/Al/Ti/Au金属组合，即自下而上分别为Ti、Al、Ti与Au，其厚度为0.012μm/0.136μm/0.041μm/0.059μm。淀积金属采用的工艺条件：真空度小于1.8×10^-3Pa，功率为1000W，蒸发速率小于

快速热退火采用的工艺条件为：温度为850℃，时间为35s。

步骤H.在源极9左边与漏极10右边的势垒层上进行刻蚀制作台面11，如图6h。

在势垒层3、第一栅柱6、第二栅柱7、源极9和漏极10上第五次制作掩膜，利用该掩膜在源极9左边与漏极10右边的势垒层上使用反应离子刻蚀技术进行刻蚀，形成刻蚀深度为400nm的台面11；

刻蚀采用的工艺条件：Cl₂流量为15sccm，压强为10mTorr，功率为100W。

步骤I.制作第一栅极12与第二栅极13，如图6i。

在势垒层3、第一栅柱6、第二栅柱7、源极9、漏极10和台面11的上部第六次制作掩膜，利用该掩膜在第一栅柱6与第二栅柱7上使用电子束蒸发技术淀积金属，制作第一栅极12与第二栅极13，这两个栅极的长度相等，且均小于第一栅柱6的长度，其中所淀积的金属为Ti/Au金属组合，即下层为Ti、上层为Au，其厚度为0.25μm/0.38μm；

淀积金属采用的工艺条件：真空度小于1.8×10^-3Pa，功率为1000W，蒸发速率小于

步骤J.制作钝化层14，如图6j。

在第一栅柱6、第二栅柱7、源极9、漏极10、第一栅极12、第二栅极13的上部及其外围区域，采用等离子体增强化学气相淀积技术淀积厚度为1000nm的SiO₂钝化层14；

淀积钝化层14采用的工艺条件：N₂O流量为850sccm，SiH₄流量为200sccm，温度为250℃，RF功率为100W，压力为1100mT。

步骤K.制作7个凹槽，如图6k。

在钝化层14上第七次制作掩膜，利用该掩膜在第一栅柱6与第二栅柱7之间的钝化层14内使用反应离子刻蚀技术进行刻蚀，以制作相同深度、相同宽度的7个凹槽，凹槽的宽度a为4μm，深度d为600nm。这两个栅柱6和7以第4个凹槽为对称轴，在对称轴左侧，第一栅柱6与第一个凹槽的间距b₁为2μm，第一个凹槽与第二个凹槽的间距为c₁，第二个凹槽与第三个凹槽的间距为c₂，第三个凹槽与第四个凹槽的间距为c₃，且c₁<c₂<c₃；在对称轴右侧，第二栅柱7与第1个凹槽的间距b₂为2μm，第1个凹槽与第2个凹槽的间距为i₁，第2个凹槽与第3个凹槽的间距为i₂，第3个凹槽与第4个凹槽的间距为i₃，且i₁<i₂<i₃，c₁＝i₁,c₂＝i₂,c₃＝i₃。

刻蚀采用的工艺条件：CF₄流量为45sccm，O₂流量为5sccm，压强为15mTorr，功率为250W。

步骤L.制作左调制板、5个独立金属块和右调制板，如图6l。

在钝化层14和7个凹槽的上部第八次制作掩膜，利用该掩膜在7个凹槽内、第一栅柱6与第二栅柱7之间的钝化层上使用电子束蒸发技术淀积金属制作左调制板、5个独立金属块和右调制板，并将左调制板与源极9电气连接，将右调制板与漏极10电气连接，5个独立金属块彼此悬空，左调制板和右调制板以第3个独立金属块为中心呈左右对称分布，形成复合板15，所淀积的金属为Ti/Au金属组合，即下层为Ti、上层为Au，其厚度为0.35μm/0.28μm。其中所淀积金属要完全填充7个凹槽，以第3个独立金属块为对称轴，在对称轴左侧，左调制板与其第一个独立金属块的间距S₁为0.35μm，第一个独立金属块与第二个独立金属块的间距S₂为0.56μm,第二个独立金属块与第三个独立金属块的间距S₃为0.97μm；右调制板与其第1个独立金属块的间距U₁为0.35μm，第1个独立金属块与第2个独立金属块的间距U₂为0.56μm，第2个独立金属块与第3个独立金属块的间距U₃为0.97μm，独立金属块的长度t为5μm，左调制板右边缘与第一栅柱6右边缘之间的距离等于右调制板左边缘与第二栅柱7左边缘之间的距离，该距离L为6.5μm；

淀积金属采用的工艺条件：真空度小于1.8×10^-3Pa，功率为1000W，蒸发速率小于

步骤M.在钝化层14和复合板15的外围区域，淀积SiO₂制作保护层16，如图6m。

使用等离子体增强化学气相淀积技术在钝化层14和复合板15的外围区域淀积SiO₂以制作保护层16，其厚度为1μm，从而完成整个器件的制作；

淀积保护层采用的工艺条件：N₂O流量为850sccm，SiH₄流量为200sccm，温度为250℃，RF功率为100W，压强为1100mTorr。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明。

一、仿真参数

设置传统GaN基HEMT功率开关器件与本发明器件采用相同的主体结构参数，本发明器件采用7个独立金属块，每个独立金属块长度均为1μm。

二、仿真内容

仿真1：对传统器件和本发明器件分别进行转移特性仿真，结果如图7，仿真中本发明器件中第一栅极与第二栅极短接。

由图7可以看出，传统器件的阈值电压为1V，而本发明器件的阈值电压为7.5V，说明本发明器件的阈值电压明显大于传统器件的阈值电压。

仿真2：对传统器件和本发明器件分别进行击穿特性仿真，结果如图8。

由图8可以看出，传统器件只能实现正向阻断，且器件发生击穿，即漏极电流迅速增加，时的漏源电压大约为265V，而本发明器件可实现正向阻断和反向阻断，且正向阻断时器件的击穿电压和反向阻断时器件的击穿电压均大约为1810V，说明本发明器件可实现双向阻断特性，且击穿电压远大于传统器件。

以上描述仅是本发明的三个具体实施例，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 (10)

1.一种功率开关器件，自下而上包括：衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)和钝化层(14)；势垒层(3)的侧面刻有台面(11)，势垒层(3)上部的两边分别设有第一栅柱(6)和第二栅柱(7)；第一栅柱(6)的上面淀积有第一栅极(12)，其左侧淀积有源极(9)；第二栅柱(7)上面淀积有第二栅极(13)，其右侧淀积有漏极(10)；第一栅柱(6)左侧的势垒层(3)内和第二栅柱(7)右侧的势垒层(3)内均刻蚀有阵列孔(8)，其特征在于：

所述第一栅柱(6)和第二栅柱(7)为大小相同的长方体，其均由P型层(4)和N型层(5)组成；

所述N型层(5)由下部的N^-型层(51)和上部的N⁺型层(52)组成；

所述N^-型层(51)与P型层(4)形成PN结，且每一个栅柱的PN结大小相同；

所述钝化层(14)，其在第一栅柱(6)和第二栅柱(7)之间的区域上刻蚀有2n+1个大小相同的凹槽，n≥1；其上部设有复合板(15)；

所述复合板(15)，由左调制板、右调制板和2n-1个大小相同的独立金属块构成，且下端完全填充在2n+1个凹槽内，该左调制板与源极(9)电气连接，右调制板与漏极(10)电气连接，各独立金属块彼此悬空；左调制板和右调制板以第n个独立金属块为中心呈左右对称分布，n≥1；

所述钝化层(14)和复合板(15)的外围设有保护层(16)。

2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于源极(9)和漏极(10)的长度为L_O，宽度为W。

3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：

所述阵列孔(8)，由f×g个大小相同的孔组成，f>1，g>1，每个孔由上部的长方体孔柱(81)和下部的四棱锥(82)构成，相邻两个孔的间距k₃为0.5～3μm，最外围孔与源极(9)或漏极(10)的边界间距k₁为1～4μm；

所述孔柱(81)的上表面和下表面均为正方形，该正方形的边长k₂为0.5～2μm，孔柱(81)深度r为2～20nm，且孔柱(81)的下表面与四棱锥(82)的上表面重合；

所述四棱锥(82)的深度e为1～35nm，且四个侧面均相同。

4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，钝化层(14)上各凹槽大小相同，每个凹槽的深度d均大于0μm，且小于钝化层(14)的厚度，宽度a为0.1～4μm。

5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，以第n个独立金属块为对称轴，在对称轴左侧，左调制板与第一个独立金属块的间距为S₁，第一个独立金属块与第二个独立金属块的间距为S₂，以此类推，第n-1个独立金属块与第n个独立金属块的间距为S_n，S₁<S₂<...<S_n；在对称轴右侧，右调制板与其第1个独立金属块的间距为U₁，第1个独立金属块与第2个独立金属块的间距为U₂，以此类推，第n-1个独立金属块与第n个独立金属块的间距为U_n，U₁<U₂<...<U_n,且S₁＝U₁，S₂＝U₂，...，S_n＝U_n，n≥1。

6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，左调制板、右调制板和每个独立金属块的厚度均相同，每个独立金属块的长度t均为0.5～5μm，左调制板右边缘与第一栅柱(6)右边缘之间的距离等于右调制板左边缘与第二栅柱(7)左边缘之间的距离，该距离为L。

7.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，以第n+1个凹槽为对称轴，在对称轴左侧，第一栅柱(6)与第一个凹槽的间距为b₁，且0μm<b₁<(L-a)，第一个凹槽与第二个凹槽的间距为c₁，以此类推，第n个凹槽与第n+1个凹槽间距为c_n，c₁<c₂<...<c_n；在对称轴右侧，第二栅柱(7)与第1个凹槽的间距为b₂，且0μm<b₂<(L-a)，第1个凹槽与第2个凹槽的间距为i₁，以此类推，第n个凹槽与第n+1个凹槽间距为i_n，i₁<i₂<...<i_n,且b₁＝b₂,c₁＝i₁,c₂＝i₂,…,c_n＝i_n,n≥1。

8.根据权利要求1所述的器件，其特征在于第一栅柱(6)和第二栅柱(7)中，N⁺型层(52)的厚度小于N^-型层(51)的厚度，N⁺型层(52)的掺杂浓度大于等于N^-型层(51)的掺杂浓度；N^-型层(51)的厚度大于等于P型层(4)的厚度，P型层(4)的厚度为5～300nm，N^-型层(51)的掺杂浓度小于等于P型层(4)的掺杂浓度，第一栅极(12)与第二栅极(13)的长度相等，且均小于第一栅柱(6)的长度。

9.一种制作功率开关器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)在衬底(1)上采用金属有机物化学气相淀积技术外延GaN基宽禁带半导体材料，形成厚度为1～10μm的过渡层(2)；

B)在过渡层(2)上采用金属有机物化学气相淀积技术外延GaN基宽禁带半导体材料，形成厚度为4～60nm的势垒层(3)；

C)在势垒层(3)上采用金属有机物化学气相淀积技术外延P型GaN半导体材料，形成厚度为5～300nm、掺杂浓度为5×10¹⁶～5×10²⁰cm^-3的P型层(4)；

D)制作N型层(5)：

D1)在P型层(4)上采用金属有机物化学气相淀积技术外延N型GaN半导体材料，形成厚度大于等于P型层(4)的厚度、掺杂浓度为1×10¹¹～1×10¹⁸cm^-3的N^-型层(51)；

D2)在N^-型层(51)上采用金属有机物化学气相淀积技术外延N型GaN半导体材料，形成厚度小于N^-型层(51)、掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10²⁰cm^-3的N⁺型层(52),N^-型层(51)与N⁺型层(52)共同构成N型层(5)；

E)在N型层(5)上第一次制作掩膜，利用该掩膜在N型层(5)的两侧进行刻蚀，且刻蚀至势垒层(3)上表面为止，形成长度大于等于1nm且大小相同的长方体第一栅柱(6)与第二栅柱(7)；

F)制作阵列孔(8)：

F1)在势垒层(3)、第一栅柱(6)、第二栅柱(7)的上部第二次制作掩膜，利用该掩模在左右两边的势垒层(3)内进行刻蚀，形成f×g个大小相同长方体孔柱(81)；

F2)在势垒层(3)、第一栅柱(6)、第二栅柱(7)的上部第三次制作掩膜，利用该掩模在F1)形成的f×g个大小相同长方体孔柱(81)内进行刻蚀，形成孔柱(81)下部的四棱锥(82)，该f×g个大小相同长方体孔柱(81)与其下部的四棱锥(82)共同构成阵列孔(8)；

G)制作源极(9)和漏极(10)：

G1)在势垒层(3)、第一栅柱(6)、第二栅柱(7)的上部第四次制作掩膜，利用该掩模在左右两边的势垒层(3)上采用电子束蒸发技术淀积金属，且完全填充阵列孔(8)，该金属采用Gd、Zr或Ta；

G2)继续利用G1)中的掩膜，再次采用电子束蒸发技术淀积金属，该金属采用Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Mo/Au或Ti/Al/Ti/Au中的一种，并在N₂气氛中进行快速热退火，完成源极(9)和漏极(10)的制作；

H)在势垒层(3)、第一栅柱(6)、第二栅柱(7)、源极(9)、漏极(10)上第五次制作掩膜，利用该掩膜在源极(9)左侧与漏极(10)右侧的势垒层(3)上进行刻蚀，且刻蚀区深度大于势垒层厚度，形成台面(11)；

I)在势垒层(3)、第一栅柱(6)、第二栅柱(7)、源极(9)、漏极(10)、台面(11)的上部第六次制作掩膜，利用该掩膜在第一栅柱(6)、第二栅柱(7)的上部采用电子束蒸发技术淀积金属，制作第一栅极(12)和第二栅极(13)，这两个栅极的长度相等，且均小于第一栅柱(6)的长度；

J)在第一栅柱(6)、第二栅柱(7)、源极(9)、漏极(10)、第一栅极(12)、第二栅极(13)的上部及其外围区域，采用等离子体增强化学气相淀积技术淀积厚度大于等于100nm的钝化层(14)；

K)在钝化层(14)上第七次制作掩膜，利用该掩膜在第一栅柱(6)与第二栅柱(7)之间的钝化层(14)上刻蚀2n+1个大小相同的凹槽，n≥1；

L)在钝化层(14)和凹槽的上部第八次制作掩膜，利用该掩膜在钝化层(14)的上部及凹槽内采用电子束蒸发技术淀积金属，且金属下端完全填充在凹槽内，依次制作左调制板、2n-1个独立金属块、右调制板，n≥1，且左调制板与源极(9)电气连接，右调制板与漏极(10)电气连接，各独立金属块彼此悬空，左调制板和右调制板以第n个独立金属块为中心呈左右对称分布，形成复合板(15)；

M)在钝化层(14)和复合板(15)的外围区域，利用绝缘介质材料采用等离子体增强化学气相淀积技术淀积保护层(16)，完成整个器件的制作。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述电子束蒸发技术，其工艺条件为：真空度小于1.8×10^-3Pa，功率为200～1000W，蒸发速率小于

所述等离子体增强化学气相淀积技术，其工艺条件为N₂O流量为850sccm，SiH₄流量为200sccm，温度为250℃，RF功率为20～100W，压力为1100mT。

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