含可变电势多场板结构的器件的制作方法

本发明具体涉及一种包含可变多电势场板的高电子迁移率晶体管(hemt)的器件。

背景技术：

1、gan作为第三代半导体材料，相比第一代si、第二代gaas具有显著优势。algan/ganhemt具有大的能带隙、高峰值饱和电子速度、高浓度二维电子气及较高的电子迁移率，使得algan/gan hemt广泛应用于rf(射频)、微波、功率开关电源等领域。

2、algan/gan hemt属于平面沟道场效应晶体管。漏电极施加高电压时，栅电极边缘靠近漏电极的一侧会产生大的电场尖峰，进而导致局部介质层退化，引起经时击穿，严重影响器件可靠性。为解决严重的电场尖峰问题，现有技术普遍采用栅电极位置放置一个或多个场板，抑制尖峰高度，提高器件可靠性。

3、业内场板的电连接主要有与栅电极连接的栅场板和与源电极连接的源场板，实现方式上主要有多台阶结构或倾斜的结构。现行的诸多方案，本质上是通过逐渐增加场板与二维电子气间距，逐渐降低电容，从而在总电荷量不变的情况下逐渐提高关断电压，最终形成电场梯度。

4、如公告号为cn1938859b、名称为具有场板的宽能带隙晶体管装置的中国发明专利，其公开的技术方案即为目前业内普遍采用的场板结构，其通过多次介质层形成多个高度的场板，主要存在的问题是：1、为了形成梯度的场板，需增加2～5步工序，工艺复杂；2、介质层承受高的电场强度，容易造成器件可靠性失效；3、电场强度大，易造成介质层俘获电荷进而动态电阻升高；4、由于场板的电势固定，漏端电压在一定值以上，场板下的电场强度不再变化，仅场板末端与漏电极之间电场强度随漏端电压增加而增加，使耐高压范围受限。

5、又如公告号为cn104332498b、名称为一种斜场板功率器件及斜场板功率器件的制备方法的中国发明专利，通过倾斜场板改变了场板形成方式。优化电场分布，解决多场板制备工艺复杂问题，主要存在的问题是：1、介质层承受高的电场强度，容易造成器件可靠性失效；2、电场强度造成介质层俘获电荷进而动态电阻升高；3、形成缓的倾斜角，这种工艺本身实现较难，重复性较差；4、由于场板的电势固定，漏端电压在一定值以上，场板下的电场强度不再变化，仅场板末端与漏电极之间电场强度随漏端电压增加而增加，使耐高压范围受限。

6、可见，现有的algan/gan hemt的平面沟道结构以及多场板的引入引起了诸多问题：为了器件能承受高压，需要多个场板抑制电压尖峰。目前业内采用的场板有栅场板和源场板，但由于场板电势等于栅电势或者等于源电势，因此均会与场板下方二维电子气形成很大的电势差，而造成器件失效的绝大部分原因均在此处，主要为介质层承受高电场强度容易造成器件可靠性失效；同时高电场强度造成介质层俘获电荷进而动态电阻升高；另外固定的场板电势，使得漏端电压在一定值以上时，场板下的电场强度不再变化，仅场板末端与漏电极之间电场强度随漏端电压增加而增加，使耐高压范围受限。因此，场板的更优实现方式是algan/gan hemt亟需解决的关键问题。

技术实现思路

1、鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种改进的器件结构，其通过设置电阻形成含有可变多电势的场板结构。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

3、一种含可变电势多场板结构的器件，包括漏电极、源电极、栅电极、多个电阻、多个场板以及由下至上依次设置的衬底、叠层结构和介电层，所述漏电极、源电极位于所述叠层结构和介电层中，所述栅电极位于所述介电层中，所述电阻的数量与所述场板的数量相等，相邻所述电阻通过电阻电极串联连接；多个场板包括第一场板和剩余场板，所述第一场板与栅电极连接；每个所述剩余场板和漏电极分别连接有一个电阻电极，剩余一个所述电阻电极与所述源电极或栅电极连接。即本发明中的重要结构特征为在栅电极与漏电极之间或者源电极与漏电极之间用多个剩余场板通过串联的电阻和电阻电极连接，实现多个场板根据阻值而自动匹配渐变的电压。

4、根据本发明的一些优选实施方面，多个所述场板位于同一层高度上。优选地，多个所述场板均位于所述介电层的上方。

5、根据本发明的一些优选实施方面，所述叠层结构包括由下至上依次设置的成核层、缓冲层、沟道层和势垒层，所述电阻电极、漏电极、源电极位于所述势垒层和介电层中。

6、所述电阻通过如下方法制备得到：所述电阻通过如下方法制备得到：在所述势垒层上进行图形化处理，并注入离子材料，形成电性隔离区域，所述电性隔离区域外保留用于形成所述电阻的导电区域，所述电性隔离区域位于相邻所述电阻之间和电阻与未连接的电极之间。

7、根据本发明的一些优选实施方面，每个对应所述电阻的导电区域宽度50～2000nm，长度1～1e6um；每个所述电阻的阻值为1e2～5e8ω。

8、根据本发明的一些优选实施方面，所述场板的数量为3-11个，所述电阻的数量为3-11个，所述电阻电极的数量为4-12个。在一些实施例中，所述场板的数量为3-4个，所述电阻的数量为3-4个，所述电阻电极的数量为4-5个。

9、根据本发明的一些优选实施方面，所述剩余场板为两个，包括第二场板和第三场板，所述电阻电极为四个，所述栅电极或第一场板、第二场板、第三场板、漏电极分别与一个电阻电极连接，相邻所述电阻电极之间设置有电阻。

10、根据本发明的一些优选实施方面，所述剩余场板为两个，包括第二场板和第三场板，所述电阻电极为四个，所述源电极、第二场板、第三场板、漏电极分别与一个电阻电极连接，相邻所述电阻电极之间设置有电阻。

11、根据本发明的一些优选实施方面，所述剩余场板为三个，包括第二场板、第三场板和第四场板，所述电阻电极为五个，所述栅电极、第二场板、第三场板、第四场板、漏电极分别与一个电阻电极连接，相邻所述电阻电极之间设置有电阻。

12、根据本发明的一些优选实施方面，所述电阻为设置在所述器件外的外接电阻，所述栅电极或源电极、剩余场板、漏电极分别与串联的外接电阻的不同电势的电阻电极连接。

13、即本发明中的电阻，可以通过注入离子材料后保留对应的导电区域后形成，也可以采用外接电阻的形式。只需要保证每个剩余场板和漏电极分别连接有一个电阻，同时源电极或栅电极连接有一个电阻即可，以实现自行梯度匹配的可变多电势。

14、本发明还提供了一种上述的器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

15、在所述衬底上进行氮化物外延生长，依次形成成核层、缓冲层、沟道层和势垒层，所述成核层、缓冲层、沟道层和势垒层构成所述叠层结构；

16、在所述势垒层上，进行图形化处理，并注入离子材料，形成电性隔离区域，所述电性隔离区域外保留用于形成所述电阻的导电区域；

17、在所述势垒层上，刻蚀形成源电极孔、漏电极孔以及多个电阻电极孔；

18、在所述源电极孔、漏电极孔中填充金属，分别形成所述源电极和漏电极，并进行退火形成欧姆接触；同时在电阻电极孔内填充形成多个电阻电极；

19、在势垒层的上方进行沉积形成介电层，并刻蚀出栅电极孔；

20、在所述介电层上填充金属并刻蚀掉多余金属，形成栅电极和多个场板；得到所述器件。

21、本发明的原理为：本发明采用多个分立的金属场板，包括与栅电极相连的第一场板和多个剩余场板，并同时引入与场板数量相同的电阻，相邻电阻之间通过电阻电极串联，且每个剩余场板和漏电极分别连接有一个电阻电极，剩余一个电阻电极与源电极或栅电极连接。

22、假设d-mode gan hemt器件，栅为负压v0时刚好关断，同时假设多场板均采在同一层介质层上的方案。当给栅端供负压vg1(小于v0)进行关断，源端为0v，漏端加高电压vd。由于多个剩余场板通过串联的电阻连接在栅电极与漏电极之间(或者源电极与漏电极之间)，因此多个场板会根据阻值而自动匹配渐变的电压，此电压介于vg1(或0v)与vd之间，此时栅电极(第一场板与栅电极等电势)、第二场板、第三场板及可能包含的更多场板、漏电极形成了相对均匀增加的电势梯度。由于此时栅已经关断，即栅下方电势为0v，栅下二维电子气耗尽。此时第一场板下方的电势要升高，由于第一场板与二维电子气的间距大于栅电极与二维电子气间距，即第一场板与下方二维电子气形成的电容更小，因此与栅电容同样的电荷量需要更高的电压耗尽，此电压增幅与介质层的厚度正相关，最终第一场板下方电势稳定在高于0v的某个电压值v1。

23、进一步的，第二场板下方电势升高，第二场板与下方二维电子气形成的电容在高度上与第一场板无差别，耗尽电荷时的上下电极的电势差一致等于v1，但第二场板自身因电阻分到了电压，其下方二维电子气耗尽而电压等于第二场板电势+v1，同样的，第三场板下方的电势稳定在第三场板电势+v1。若设计有更多的场板，则会有更多的场板下方渐变电势，从而实现了电场均匀分布。

24、另外，当漏端电压vd升高或降低时，第二场板、第三场板及可能包含更多场板各自的电势也会相应的升高或降低，进一步的引起场板下的电场分布均匀调节，从而更好的匹配高压，提升器件的耐压能力。

25、当主动给栅端供电压vg2(大于v0，实际应用中往往为0v)时，即栅开启，栅下二维电子气恢复导通，此时第一场板下的电势被拉低，第一场板下的二维电子气恢复导通，同样的，第二场板、第三场板下的二维电子气恢复导通，整个器件导通。此时漏电极电压vd被拉低到vd1＝ids*rds_on，通常是非常低的值，vd1拉低的同时，由于第二场板、第三场板及可能包含更多的场板，分压同样会发生变化，其电压介于vg1(或0v)与vd1之间，都变为极低的电压。此时整个器件没有高压部分，安全的低压导通。本发明通过以上的设计和原理，使得器件实现了开关转换，并实现自行梯度匹配的可变多电势。

26、由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的含可变电势多场板结构的器件，场板会随着漏电极电势自行梯度匹配的可变多电势；通过多电势场板，极大简化工艺的同时也能实现场板数量远多于传统结构，进一步的改善电场分布提升器件耐压能力；有效控制了场板与下方二维电子气的电势差，解决了高电场造成介质层击穿可靠性失效问题和高电场强度造成介质层俘获电荷问题，降低动态电阻；另外随漏电电压自动匹配电场分布，使得器件可承受更高电压。