低频率损耗GaN基微波功率器件及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种低频率损耗GaN基微波功率器件，自下而上包括衬底层(1)、成核层(2)、缓冲层(3)和势垒层(4)，势垒层的两端分别设有源电极(5)和漏电极(6)，其中源电极(5)与漏电极(6)之间的势垒层上依次设有SiN钝化层(7)和BN钝化层(8)，该两层钝化层的中部刻蚀有开孔，开孔中引出半浮空栅电极(9)。本发明专利技术通过采用低介电常数、低电容材料BN与SiN组成复合钝化层，较传统钝化技术相比，减小了栅漏寄生电容和栅源寄生电容，降低了器件的频率损耗，可用于通讯、卫星导航、雷达系统和基站系统中。

Low frequency loss GaN based microwave power device and fabrication method thereof

The invention discloses a low loss GaN based microwave power devices, including the bottom substrate layer (1), a core layer (2), (3) buffer layer and the barrier layer (4), both ends of the barrier layer are respectively provided with a source electrode and a drain electrode (5) (6), in which the source electrode (5) and a drain electrode (6) between the barrier layer is provided with a SiN passivation layer (7) and BN (8), the passivation layer two layer passivation layer is etched with central hole, semi floating gate electrode leads in the opening (9). The composite passivation layer of the invention adopts a low dielectric constant, low capacitance material BN and SiN, compared to the traditional passivation technology, reduced gate drain parasitic capacitance and gate source parasitic capacitance, reduce the frequency of loss of the device, can be used for communications, satellite navigation, radar system and base station system.

【技术实现步骤摘要】
低频率损耗GaN基微波功率器件及其制作方法
本专利技术属于微电子
，特别涉及一种低频率损耗GaN基微波功率器件，可用于通讯，卫星导航，雷达系统和基站系统中。
技术介绍
随着科技水平的提高，现有的第一、第二代半导体材料已经无法满足更高频率、更高功率电子器件的需求，而基于氮化物半导体材料的电子器件则可满足这一要求，大大提高了器件性能，使得以GaN为代表的第三代半导体材料在微波毫米波器件制造中有了广泛的应用。GaN是一种新型宽禁带化合物半导体材料，具有许多硅基半导体材料所不具备的优良特性，如宽禁带宽度，高击穿电场，以及较高的热导率，且耐腐蚀，抗辐射等。进入二十世纪90年代后，由于P型掺杂技术的突破以及成核层技术的引入，使得GaN材料得到快速的发展。GaN材料可以形成AlGaN/GaN异质结构，这种异质结构不仅在室温下能获得很高的电子迁移率，以及极高的峰值电子速度和饱和电子速度，而且可以获得比第二代化合物半导体异质结更高的二维电子气浓度。这些优势使得AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管在微波毫米波频段的大功率、高效率、宽带宽、低噪声性能方面显著超过了GaAs基HEMT和InP基HEMT。然而，电流崩塌已经成为限制AlGaN/GaN器件微波功率密度的主要因素。电流崩塌效应仍然是AlGaN/GaNHEMT器件进一步发展的瓶颈问题。目前，在国内外，在器件工艺中普遍采用表面钝化技术来抑制电流崩塌效应，增强器件对外来离子玷污的阻挡能力，有效减少表面态带来的电流崩塌，这些方法有：2008年MasatakaHigashiwaki等人采用高Al组分AlGaN势垒层和Cat-CVD生长SiN钝化层等措施，在4H-SiC衬底上生长了栅长为60nm的AlGaN/GaNHEMT器件，其中2DEG面密度为2×1013cm-2，器件的2DEG迁移率为1900cm2/(V·s)，饱和电流为1.6A/mm，fT和fmax分别达到了190GHz和241GHz，见参考文献MasatakaHigashiwaki,TakashiMimura,ToshiakeMatsuiGaN-basedFETsusingCat-CVDSiNpassivationformillimeter-waveapplicationsThinSolidFilm516(2008)548-552。2010年，HaifengSun等人在SiC衬底上制备了100nm栅长近晶格匹配的，Al0.86In0.14N/AlN/GaNHEMT结构，截止频率fT达到了144GHz。随后，他们通过去除T型栅周围的SiN钝化层，减小寄生栅电容影响，55nm栅长的器件表现出205GHz的截止频率和191GHz的最高振荡频率，见参考文献H.Sun,A.R.Alt,H.Benedickter,etal.100-nm-gate(Al,In)N/GaNHEMTsgrownonSiCwithfT＝144GHz[J].IEEEElectronDeviceLetters,2010,31(4):293–295；H.Sun,A.R.Alt,H.Benedickter,etal.205-GHz(Al,In)N/GaNHEMTs[J].IEEEElectronDeviceLetters,2010,31(9):957–959.综上所述，当前国际上都是采用SiN表面钝化技术来抑制电流崩塌效应，显著提高了AlGaN/GaNHEMT器件的输出功率和效率，增强了工作稳定性。但是当工作频率在30GHz以上高频时，会由于SiN介电常数较大，导致器件的栅漏寄生电容Cgd显著提高，影响器件工作性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的缺点，提出一种低频率损耗GaN基微波功率器件及其制作方法，以在显著抑制电流崩塌效应的基础上，减少栅漏寄生电容，提高器件频率特性。为实现上述目的，本专利技术的低频率损耗GaN基微波功率器件，自上而下包括衬底层、成核层、缓冲层、势垒层、在势垒层上还设有源电极和漏电极，其特征在于：源电极和漏电极之间势垒层的表面有两层钝化层，下方是SiN钝化层，上方是BN钝化层。钝化层中部刻蚀开孔，设有半浮空栅电极。由于直接生长较薄SiN钝化层对电流崩塌的抑制效果较差，SiN钝化层采用先生长后刻蚀的方法形成。作为优选，SiN钝化层的生长厚度为100nm-200nm。作为优选，SiN钝化层的刻蚀厚度为90nm-190nm。作为优选，BN钝化层的厚度为20nm-50nm。为实现上述目的，本专利技术的低频率损耗GaN基微波功率器件制作方法，包括如下步骤：1)获取含有衬底、成核层、缓冲层、势垒层的外延基片，并对基片进行清洗；2)采用感应耦合等离子体刻蚀ICP设备，刻蚀台面至势垒层，实现有源区域隔离；3)在台面刻蚀完的势垒层上涂抹光刻胶并光刻出源电极和漏电极图形，采用电子束蒸发工艺，在源电极和漏电极图形区蒸发欧姆接触金属；4)在势垒层上利用等离子增强化学气相沉积工艺PECVD淀积SiN薄膜，形成SiN钝化层；5)利用ICP设备，刻蚀SiN钝化层，对其进行减薄；6)在铜箔上生长BN薄膜，并将BN薄膜转移至SiN表面，产生复合钝化层；7)在复合钝化层涂抹光刻胶并光刻出栅电极图形，利用ICP设备刻蚀去除栅下方的钝化层，产生槽栅；8)采用电子束蒸发工艺，在槽栅内蒸发栅电极金属层，去除光刻胶，完成器件的制作。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1.本专利技术通过采用低电容材料BN，减小了栅漏寄生电容，降低了器件的频率损耗；2.本专利技术通过采用半浮空栅，增加了栅源间距，减小了栅源寄生电容。附图说明图1是本专利技术低频率损耗GaN基微波功率器件的剖面结构示意图；图2是本专利技术低频率损耗GaN基微波功率器件的制作工艺流程图；具体实施方式参照图1，本专利技术器件的结构包括衬底层1、成核层2、缓冲层3、势垒层4、源电极5、漏电极6、SiN钝化层7、BN钝化层8和栅电极9。其中，衬底层1、成核层2、缓冲层3、势垒层4自下而上设置；源电极5和漏电极6分布在势垒层4表面；源电极5和漏电极6之间的势垒层4表面有两层钝化层，其中下部是厚度为100nm-200nm的SiN钝化层7，上部是厚度为20nm-50nm的BN钝化层8，钝化层中部刻蚀有深度为90nm-190nm开孔，该开孔中设有栅电极9。参照图2，本专利技术器件按照不同的衬底、薄膜不同的生长厚度和不同的刻蚀厚度，分别给出如下3种实施实例。实施例一，在SiC衬底上制作SiN钝化层厚度为200nm，BN钝化层生长厚度为50nm，钝化层刻蚀厚度为60nm的低频率损耗GaN基微波功率器件。本器件是在购买的已含有衬底、成核层、缓冲层、势垒层的外延基片样品上进行制作。步骤1，对外延基片样品进行清洗,如图2(a)所示。首先将样品放置在丙酮中超声2分钟，然后在60℃水浴加热的正胶剥离液中煮10分钟，随后将样品依次放入丙酮和乙醇中各超声3分钟，以去离子水清洗掉残留的丙酮、乙醇；最后，用HF溶液清洗圆片30秒，再用去离子水清洗干净并用超纯氮气吹干。步骤2，采用ICP设备，刻蚀台面至势垒层，实现有源区域隔离，如图2(b)所示。2a)在势垒层上光刻电隔离区域：首先，将生长有势垒层的样片放在200℃的热板上烘烤5min；然后，利用甩胶机对样片甩光刻胶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低频率损耗GaN基微波功率器件，自下而上包括衬底层(1)、成核层(2)、缓冲层(3)和势垒层(4)，势垒层(4)的两端分别设有源电极(5)和漏电极(6)，其特征在于：源电极(5)与漏电极(6)之间的势垒层上依次设SiN钝化层(7)和BN钝化层(8)，该两层钝化层的中部刻蚀有开孔，开孔中引出半浮空栅电极(9)。

【技术特征摘要】
1.一种低频率损耗GaN基微波功率器件，自下而上包括衬底层(1)、成核层(2)、缓冲层(3)和势垒层(4)，势垒层(4)的两端分别设有源电极(5)和漏电极(6)，其特征在于：源电极(5)与漏电极(6)之间的势垒层上依次设SiN钝化层(7)和BN钝化层(8)，该两层钝化层的中部刻蚀有开孔，开孔中引出半浮空栅电极(9)。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于衬底采用蓝宝石或SiC基底。3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：SiN钝化层(7)的生长厚度为100nm-200nm；BN钝化层(8)的厚度为20nm-50nm。4.一种低频率损耗GaN基微波功率器件的制作方法，包括如下步骤：1)获取含有衬底、成核层、缓冲层、势垒层的外延基片，并对基片进行清洗；2)采用感应耦合等离子体ICP设备，在势垒层上进行台面刻蚀，实现有源区域隔离；3)在台面刻蚀后的势垒层上涂抹光刻胶并光刻出源电极和漏电极图形，再采用电子束蒸发工艺，在源电极和漏电极图形区蒸发欧姆接触金属；4)在源、漏电极外的势垒层区域利用等离子增强化学气相沉积PECVD淀积SiN薄膜，形成SiN钝化层；5)利用ICP设备，刻蚀SiN钝化层，对其进行减薄；6)在铜箔上生长BN薄膜，并将BN薄膜转移至SiN钝化层表面，产生复合钝化层；7)在复合钝化层涂抹光刻胶并光刻出栅电极图形，利用ICP设备干法刻蚀去除栅下方的钝化层，产生槽栅；8)采用电子束蒸发工艺，在槽栅内蒸发栅电极金属层，去除光刻胶，完成器件的制作。5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤6)中将BN薄膜转移至SiN钝化层表面，具体操作步骤如下：6a)在铜箔上生长BN薄膜；6b)旋涂苯甲醚溶液PMMA，形成PMMA/BN/Cu...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨凌，芦浩，马晓华，康慨，周小伟，宓珉瀚，祝杰杰，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61