一种基于电荷分部调制的高线性毫米波器件制造技术

本发明专利技术涉及一种基于电荷分布调控的高线性毫米波器件及其制作方法，该制作方法包括：在外延基片上两侧制作源电极和漏电极，外延基片包括依次生长形成的衬底层、AIN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层和AlGaN势垒层；在AlGaN势垒层上生长钝化层；在钝化层上的栅极区光刻形成渐变凹槽结构，栅极区包括渐变凹槽区域、栅脚区域和栅帽区域；在栅帽区域上光刻形成栅电极图形；对栅电极图形蒸发栅金属制作栅电极；在源电极和所述漏电极上制作金属互联层，制作得到基于电荷分布调控的高线性毫米波器。本发明专利技术有效地解决了器件在连续波工作时中心难散热的问题。

A High Linearity Millimeter Wave Device Based on Charge Partial Modulation

The invention relates to a high linear millimeter wave device based on charge distribution regulation and its fabrication method. The fabrication method includes: fabricating source and drain electrodes on both sides of the epitaxy substrate, which includes successively grown substrate layer, AIN nucleation layer, GaN buffer layer, AlN insertion layer and AlGaN barrier layer; growing passivation layer on the AlGaN barrier layer; Gradual groove structure is formed by photolithography, which includes gradient groove area, gate foot area and gate cap area; grid electrode pattern is formed by photolithography in gate cap area; grid electrode is made for grid electrode pattern evaporation grid metal; metal interconnection layer is made on source electrode and drain electrode, and high linear millimeter wave device based on charge distribution control is fabricated. The invention effectively solves the problem that the device is difficult to heat in the center of continuous wave operation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于电荷分部调制的高线性毫米波器件
本专利技术属于半导体器件
，具体涉及一种基于电荷分部调制的高线性毫米波器件。
技术介绍
继第一代元素半导体材料Si、Ge和第二代化合物半导体材料GaAs、InP等之后，第三代半导体GaN、AlN、InN及其合金具有直接带隙、禁带宽度连续可调制范围大、击穿场强高、饱和电子漂移速度快、热导率高、抗辐照性能好等优点。以第三代半导体材料为基体的电子器件具有更高的频率、更高的功率，大大的提高了器件性能，迅速填补了第一、二代半导体材料无法满足半导体器件领域的需求。同时GaN基高电子迁移率晶体管(HighElectronMobilityTransistor，简称HEMT)的结构能够最大限度发挥氮化物材料的优势，其与Si基MOS和GaAs基高电子迁移率晶体管(HEMTs)相比，具有异质结沟道二维电子气密度高、饱和电流和输出功率大、开关速度快、击穿电压高等优点，并能够适应高压、高温、辐照等恶劣工作环境。在有源相控阵雷达、电子战系统、5G通信、智能电网、4C产业等军民两用领域具有非常广阔的应用前景。然而，为了达到目前通讯技术的要求，高线性、大功率的器件必不可少。我们所指的高线性主要是跨导能够在很大的栅压范围内保持一个较高的峰值。而跨导在低场电压下主要受电容值的增大而影响，在高场电压下电容趋于饱和，此时跨导主要受迁移率降低的影响。目前的主流做法是增大势垒层厚度来减小沟道上的分压，在高的栅压下使沟道电子迁移率处于一个较高的水平；在器件中引入场板结构来调制栅边缘的电场峰值，使得沟道电场分部平坦化；采用双沟道结构使其器件在工作时随着栅压的增大沟道分步开启，第二沟道的开启来弥补在高栅压下跨导值降低的趋势；或者采用Fin-HEMT结构对栅源电容进行调制，使其在高场电压下具有电容增大的趋势来弥补迁移率降低的趋势。但是，这些方法都引入了多余的寄生参数，降低了跨导峰值，影响了器件频率特性。目前，在国内和国际上，主要采用场板结构来调制器件电场分部，采用Fin结构改善器件核心图形系统(CoreGraphicsSystem，简称Cgs)，采用双沟道结构来进行多阈值调控，通过第二沟道的开启来补偿跨导降低的趋势。方法如下：2005年A.Chini等人提出采用山下可是凹槽和金属场板结构等措施，在4H-SiC衬底上制备了一款可应用于C波段的高线性器件，场板位于栅上方从栅极中心到漏一端0.7μm处来调制栅下电场峰值。其中器件的跨导为260mS/mm，4GHz下连续波输出功率为18.8W/mm(PAE＝43％)，PAE峰值为74％(功率输出为6W/mm)，IMD高达45dBc。参考文献PowerandLinearityCharacteristicsofField-PlatedRecessed-GateAlGaN/GaNHEMT.IEEEELECTRONDEVICELETTERS,VOL.25,NO.5,2005。2006年，Palacios.Tomás等人提出了一种双沟道器件可以使跨导平坦化，该器件通过沟道在不同栅压下依次开启带来的多阈值和栅电容调制，并且导致源漏电阻随IDS的增加而变化的幅度较单沟道器件有所变缓。最终制备出的器件跨导为0.95S/mm，fmax达到40GHz，并在10GHz下的IMD高达30dBc。参考文献UseofDouble-ChannelHeterostructurestoImprovetheAccessResistanceandLinearityinGaN-BasedHEMTs.IEEETRANSACTIONELECTRONDEVICE,VOL.53,NO.3,2006。2017年，KaiZhang等人采用Fin结构制备出具有更平的跨导曲线的器件，栅压跨导摆幅达到1.5V～1V，等效后的输出电流为1.5A/mm，跨导高达570mS/mm，fT/fMax为31/78GHz，IM3高达52dBc，较平面结构提高了5.5dBc。参考文献High-LinearityAlGaN/GaNFinFETsforMicrowavePowerApplications.ELECTRONDEVICELETTERSVol.38No.52017。综上所述，当前，国际上高线性的GaN基器件的制作都是采用场板结构，双异质结材料和Fin-HEMT器件结构的方式，从电容或迁移率的方面来使跨导更加平坦，实现高线性功率输出。但是这些方法均存在以下不足：1、当器件采用场板结构以后，由于在栅上方引入寄生电容，器件频率特性退化，无法工作在较高频率下；2、器件采用双沟道以后，双异质结的引入很难控制材料组分，过高组分的背势垒会使得两个沟道相互影响，电子浓度降低；第二沟道距离表面过远，则会不受栅压控制成为漏电通道，变得更容易击穿；3、器件采用Fin-HEMT之后，器件的有效沟道面积缩小，导致各项指标对半牺牲，并且引入过多的栅电容从而使得频率特性退化严重。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于电荷分布调控的高线性毫米波器件及其制作方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本专利技术实施例提供了一种基于电荷分布调控的高线性毫米波器件的制作方法，包括步骤：S1、在外延基片上的两侧制作源电极7和漏电极8，其中，所述外延基片包括依次生长形成的衬底层1、AIN成核层2、GaN缓冲层3、AlN插入层4和AlGaN势垒层5；S2、在所述AlGaN势垒层5上生长钝化层6；S3、在所述钝化层6上的栅极区光刻形成渐变凹槽结构，其中，所述栅极区包括渐变凹槽区域901、栅脚区域902和栅帽区域903；S4、在所述栅帽区域903上光刻形成栅电极图形；S5、对所述栅电极图形蒸发栅金属制作栅电极9；S6、在所述源电极7和所述漏电极8上制作金属互联层10，制作得到基于电荷分布调控的高线性毫米波器。在一个具体实施方式中，所述步骤S1还包括：S11、在所述AlGaN势垒层5上的两侧光刻源电极图形区域和漏电极图形区域；S12、分别对所述源电极图形区域和所述漏电极图形区域进行蒸发金属处理，使得在所述AlGaN势垒层5上形成欧姆金属；S13、将蒸发金属处理的所述外延基片进行热退火处理，使得所述源电极图形区域和所述漏电极图形区域内所述AlGaN势垒层5上的欧姆金属下沉至所述GaN缓冲层3，完成所述源电极8和所述漏电极9的制作。在一个具体实施方式中，在所述步骤S3之前还包括：依次从所述AlGaN势垒层5的两侧刻蚀到所述GaN外延层3的两侧，在所述GaN外延层3的两侧形成所述有源区电隔离结构。在一个具体实施方式中，所述步骤S3包括：S31、在所述钝化层6上涂布抗刻蚀光刻胶，形成胶层；S32、在所述胶层上的栅极区第一侧至所述胶层上的栅极区中心，沿着栅宽方向设有多个第一曝光区间，沿着栅宽方向的多个所述第一曝光区间从所述栅极区第一侧至所述栅极区中心按照逐渐增大的预设剂量进行曝光，且在所述胶层上的栅极区第二侧至所述胶层上的栅极区中心，沿着栅宽方向设有多个第二曝光区间，沿着栅宽方向的多个所述第二曝光区间从所述栅极区第二侧至所述栅极区中心按照逐渐增大的预设剂量进行曝光，在所述胶层形成渐变凹槽的胶型结构；S33、在所述渐变凹槽的胶型结构区域内刻蚀去除栅脚区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电荷分布调控的高线性毫米波器件的制作方法，其特征在于，包括步骤：S1、在外延基片上的两侧制作源电极(7)和漏电极(8)，其中，所述外延基片包括依次生长形成的衬底层(1)、AIN成核层(2)、GaN缓冲层(3)、AlN插入层(4)和AlGaN势垒层(5)；S2、在所述AlGaN势垒层(5)上生长钝化层(6)；S3、在所述钝化层(6)上的栅极区光刻形成渐变凹槽结构，其中，所述栅极区包括渐变凹槽区域(901)、栅脚区域(902)和栅帽区域(903)；S4、在所述栅帽区域(903)上光刻形成栅电极图形；S5、对所述栅电极图形蒸发栅金属制作栅电极(9)；S6、在所述源电极(7)和所述漏电极(8)上制作金属互联层(10)，制作得到基于电荷分布调控的高线性毫米波器。

【技术特征摘要】
1.一种基于电荷分布调控的高线性毫米波器件的制作方法，其特征在于，包括步骤：S1、在外延基片上的两侧制作源电极(7)和漏电极(8)，其中，所述外延基片包括依次生长形成的衬底层(1)、AIN成核层(2)、GaN缓冲层(3)、AlN插入层(4)和AlGaN势垒层(5)；S2、在所述AlGaN势垒层(5)上生长钝化层(6)；S3、在所述钝化层(6)上的栅极区光刻形成渐变凹槽结构，其中，所述栅极区包括渐变凹槽区域(901)、栅脚区域(902)和栅帽区域(903)；S4、在所述栅帽区域(903)上光刻形成栅电极图形；S5、对所述栅电极图形蒸发栅金属制作栅电极(9)；S6、在所述源电极(7)和所述漏电极(8)上制作金属互联层(10)，制作得到基于电荷分布调控的高线性毫米波器。2.根据权利要求1所述的一种基于电荷分布调控的高线性毫米波器件的制作方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：S11、在所述AlGaN势垒层(5)上的两侧光刻源电极图形区域和漏电极图形区域；S12、分别对所述源电极图形区域和所述漏电极图形区域进行蒸发金属处理，使得在所述AlGaN势垒层(5)上形成欧姆金属；S13、将蒸发金属处理的所述外延基片进行热退火处理，使得所述源电极图形区域和所述漏电极图形区域内所述AlGaN势垒层(5)上的欧姆金属下沉至所述GaN缓冲层(3)，完成所述源电极(8)和所述漏电极(9)的制作。3.根据权利要求1所述的一种基于电荷分布调控的高线性毫米波器件的制作方法，其特征在于，在所述步骤S3之前还包括：依次从所述AlGaN势垒层(5)的两侧刻蚀到所述GaN外延层(3)的两侧，...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓华，郝跃，武盛，宓珉瀚，
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