一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管及其制造方法，本发明专利技术的晶体管的结构自下而上依次包括衬底、缓冲层、势垒层、钝化层；所述势垒层上方的一端设有源极和另一端设有漏极；位于所述源极和漏极之间的势垒层上方设有钝化层，所述钝化层中设有凹槽，所述凹槽内设有T型栅极，其特征在于，仅限于所述凹槽下方区域的势垒层与缓冲层上刻蚀有周期性排列的GaN基三维鳍片，所述GaN基三维鳍片的长度与凹槽的长度相等，在相邻的GaN基三维鳍片之间设有刻蚀形成的隔离槽。本发明专利技术的器件线性度、输出电流高，栅控能力强、散热性能好，频率特性高；本发明专利技术的工艺方法简单可靠，适用于大功率高线性微波功率器件。

A GaN fin type high electron mobility transistor with a high degree of linearity and a method of manufacturing the same

The present invention relates to a high linearity GaN fin high electron mobility transistor and its manufacturing method, bottom-up structure of the invention of the transistor comprises a substrate, a buffer layer, a barrier layer, a passivation layer; one end of the barrier layer is arranged above the source and the other end is provided with a drain at the source; drain between the barrier layer is arranged above the passivation layer, the passivation layer is provided with a groove, the groove is provided with a T gate, which is characterized in that only the groove region below the barrier layer and the buffer layer is etched with GaN based 3D fin periodic arrangement, and the length of the groove GaN based 3D fin is equal to the length of etch formation is arranged between the adjacent GaN based 3D fin. The device has the advantages of linearity, high output current, strong grid control capability, good heat dissipation performance and high frequency performance, and the method of the invention is simple and reliable, and is suitable for high power and high linearity microwave power devices.

【技术实现步骤摘要】
一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管及其制造方法
本专利技术属于半导体器件制备
，特别是涉及一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管及其制造方法。技术背景第三代半导体GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有输出功率密度大、效率高、耐高温、耐辐照等特点，已成为制造高频、高效、大功率电子器件的主流技术，有力推动了以雷达为代表的武器装备性能提升。随着高数据流卫星通信与现代无线通讯应用(如5G通讯)对高线性晶体管的迫切需求，高线性器件现在成为GaN领域的重点发展方向。高线性度将带来更加有效的频谱利用率，且能够降低对线性化模块的需求，进一步增加整个系统的效率与集成度。传统GaN平面结构的跨导呈现典型的峰值特性，即跨导在高电流下严重退化，导致在高输入功率下器件增益迅速压缩，交调特性差，线性度低。为克服此缺陷，2005年香港科技大学提出Al0.05Ga0.95N/GaN复合沟道，通过减小沟道纵向电场，一定程度上改善了跨导线性度(参见文献JieLiuetal.,HighlyLinearAl0.3Ga0.7N–Al0.05Ga0.95N–GaNComposite-ChannelHEMTs,IEEEElectronDeviceLett.,vol.26,no.3,pp.145-147,2005)。随后，美国北卡州立大学发现，由空间电荷限流引起的非线性源电阻是限制GaN器件线性度的主要因素(参见文献RobertJ.Trewetal.,NonlinearSourceResistanceinHigh-VoltageMicrowaveAlGaN/GaNHFETs,IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.54,no.5,pp.2061-2067,2006)。因此，复合沟道结构在提高线性度方面十分有限，而且会导致沟道热阻增加，器件输出功率、频率、效率等性能显著退化。GaNFinFET(或三维鳍式结构)近来受到国内外研究机构的密切关注，它通过在沟道两侧引入额外侧栅，增强了对沟道电子的控制能力，相对传统结构，表现出更好的亚阈值特性、关态特性，短沟道效应也得到极大抑制(参见文献KotaOhietal.,CurrentStabilityinMulti-Mesa-ChannelAlGaN/GaNHEMTs,IEEETrans.ElectronDevices.,vol.60,no.10,pp.2997-3004,2013)。随后，MIT报道了具有高跨导和fT线性度的GaNFinFET器件(参见文献KotaOhiDongSeupLeeetal.,NanowireChannelInAlN/GaNHEMTsWithHighLinearityofgmandfT,IEEEElectronDevices.,vol.34,no.8,pp.969-971,2013)，并指出跨导高线性度的根本原因在于三维鳍片完全被栅金属包裹。然而，为达到此目的，鳍片的制备采用了自对准方式，工艺复杂，与传统GaN器件工艺兼容性差；最重要的是，通过此工艺制备的器件栅电极为直栅结构，栅电阻大，导致最高振荡频率低，最终限制了其在微波功率电路的应用。中国专利申请公开了一种多沟道鳍式结构的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构和制作方法，主要解决现有多沟道器件栅控能力差及FinFET器件电流低的问题。该器件的结构自下而上依次包括衬底(1)、第一层AlGaN/GaN异质结(2)、SiN钝化层(4)和源漏栅电极，源电极和漏电极分别位于SiN钝化层两侧顶层AlGaN势垒层上，其中：第一层AlGaN/GaN异质结与SiN钝化层之间设有GaN层和AlGaN势垒层，形成第二层AlGaN/GaN异质结(3)；栅电极覆盖在第二层异质结顶部和第一层及第二层异质结的两侧壁。该器件栅控能力强，饱和电流大，亚阈特性好，可用于短栅长的低功耗低噪声微波功率器件。中国专利申请公开了一种T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管，主要解决现有微波功率器件的最高振荡频率小，欧姆接触电阻大，短沟道效应严重的问题。该器件的结构自下而上包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)、GaN沟道层(4)、栅介质层(5)、钝化层(6)和源、漏、栅电极，其中缓冲层和沟道层采用N面GaN材料；GaN沟道层和AlGaN势垒层组成GaN/AlGaN异质结；栅电极采用T型栅，且包裹在GaN/AlGaN异质结的两侧和上方，形成三维立体栅结构。该器件具有栅控能力好，欧姆接触电阻小及最高振荡频率高的优点，可用作小尺寸的微波功率器件。虽然上述两个方案分别解决了GaN多沟道以及N面结构存在的问题，但还存在明显不足：主要为采用传统GaN基鳍式结构与制备方式，即先制备GaN基三维鳍片再制备凹槽，三维鳍片除了位于凹槽内，还位于凹槽以外区域，如“N面GaN基鳍式高电子迁移率晶体管及制作方法”的图1所示。研究表明，三维鳍片完全被栅金属包裹是器件跨导高线性度的关键所在，而上述两个方案都还不能满足此要求，因此，现有器件均不具有高的跨导高线性度。如何克服现有技术所存在的不足已成为当今半导体器件制备
中亟待解决的重点难题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管及其制造方法，本专利技术以简化的制备工艺，使器件兼有高的线性度与最高振荡频率，能够满足GaN高线性度微波功率器件的应用需要。根据本专利技术提出的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管，该晶体管的结构自下而上依次包括衬底、缓冲层、势垒层、钝化层；所述势垒层上方的一端设有源极和另一端设有漏极；位于所述源极和漏极之间的势垒层上方设有钝化层，所述钝化层中设有凹槽，所述凹槽内设有T型栅极，其特征在于，仅限于所述凹槽下方区域内的势垒层与缓冲层上刻蚀有周期性排列的GaN基三维鳍片，所述GaN基三维鳍片的长度与凹槽的长度相等，在相邻的GaN基三维鳍片之间设有刻蚀形成的隔离槽。本专利技术提出的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管的进一步的优选方案是：所述GaN基三维鳍片(8)的高度为10～300nm、宽度为10～1000nm。所述T型栅极(9)的一部分覆盖在所述GaN基三维鳍片(8)上方的两侧，T型栅极(9)的另一部分覆盖在相邻GaN基三维鳍片(8)之间的隔离槽的上方，T型栅极(9)的再一部分覆盖在所述钝化层(6)的上方。本专利技术提出的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管及优选方案的制备方法，包括如下具体步骤：1)在衬底上依次生长缓冲层和势垒层；2)在所述势垒层上光刻源漏图形，并淀积源漏金属，然后在N2氛围中进行热退火，分别制作源极和漏极；3)在势垒层上沉积钝化层；4)在所述钝化层上制作有源区掩模，随后采用刻蚀或离子注入等方式进行器件隔离，形成有源区；5)在所述钝化层上制作栅脚掩模，随后通过RIE、ICP等方式刻蚀钝化层，形成凹槽；6)在仅限于所述凹槽下方区域内的势垒层上定义GaN基三维鳍片掩模，随后干法刻蚀势垒层和缓冲层，形成周期排列的GaN基三维鳍片；7)在所述钝化层上定义栅帽掩模，通过蒸发或溅射方式沉积栅金属，剥离形成T型栅；8)在所述钝化层上定义互联开孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管，该晶体管的结构自下而上依次包括衬底(1)、缓冲层(2)、势垒层(3)、钝化层(6)；所述势垒层(3)上方的一端设有源极(4)和另一端设有漏极(5)；位于所述源极(4)和漏极(5)之间的势垒层(3)的上方设有钝化层(6)，所述钝化层(6)中设有凹槽(7)，所述凹槽(7)内设有T型栅极(9)，其特征在于，仅限于所述凹槽(7)下方区域内的势垒层(3)与缓冲层(2)上刻蚀有周期性排列的GaN基三维鳍片(8)，所述GaN基三维鳍片(8)的长度与凹槽(7)的长度相等，在相邻的GaN基三维鳍片(8)之间设有刻蚀形成的隔离槽。

【技术特征摘要】
1.一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管，该晶体管的结构自下而上依次包括衬底(1)、缓冲层(2)、势垒层(3)、钝化层(6)；所述势垒层(3)上方的一端设有源极(4)和另一端设有漏极(5)；位于所述源极(4)和漏极(5)之间的势垒层(3)的上方设有钝化层(6)，所述钝化层(6)中设有凹槽(7)，所述凹槽(7)内设有T型栅极(9)，其特征在于，仅限于所述凹槽(7)下方区域内的势垒层(3)与缓冲层(2)上刻蚀有周期性排列的GaN基三维鳍片(8)，所述GaN基三维鳍片(8)的长度与凹槽(7)的长度相等，在相邻的GaN基三维鳍片(8)之间设有刻蚀形成的隔离槽。2.根据权利要求1所述的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述GaN基三维鳍片(8)的高度为10～300nm、宽度为10～1000nm。3.根据权利要求2所述的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述T型栅极(9)的一部分覆盖在所述GaN基三维鳍片(8)上方的两侧，另一部分覆盖在相邻GaN基三维鳍片(8)之间的隔离槽的上方，T型栅极(9)的再一部分覆盖在所述钝化层(6)的上方。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管的制造方法，包括如下具体步骤：1)在衬底(1)上依次生长缓冲层(2)和势垒层(3)；2)在所述势垒层(3)上光刻源漏图形，并淀积源漏金属，然后在N2氛围中进行热退火，分别制作源极(4)和漏极(5)；3)在所述势垒层(3)上沉积钝化层(6)；4)在所述钝化层(6)上制作有源区掩模，随后采用刻蚀或离子注入方式进行器件隔离，形成有源区；5)在所述钝化层(6)上制作栅脚掩模，随后通过RIE、ICP方式刻蚀去除钝化层(6)，形成凹槽(7)；6)在仅限于所述凹槽(7)下方区域内的势垒层(3)上定义GaN基三维鳍片掩模，随后干法刻蚀势垒层(3)和缓冲层(2)，形成周期排列的GaN基三维鳍片...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，孔月婵，周建军，陈堂胜，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32