一种高线性GaN基毫米波器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高线性GaN基毫米波器件及其制备方法。所述器件包括AlGaN/GaN异质结外延层，所述AlGaN/GaN异质结外延层为凸台结构，凸台上方突起部分为有源区，有源区上表面的两端分别连接源电极和漏电极，不同掺杂浓度的p型GaN层位于有源区上表面的源电极和漏电极之间，其中，所述不同掺杂浓度的p型GaN层由不同掺杂浓度，但厚度相同的第一p型GaN和第二p型GaN沿栅宽前后排列形成，并且第一p型GaN的后表面和第二p型GaN的前表面相重合，左右边缘对齐；栅电极位于不同掺杂浓度的p型GaN层的上方。本发明专利技术提出的在栅极下放置不同掺杂浓度的p型GaN层的结构，有效地调制了器件的阈值电压，提高了器件的线性度。提高了器件的线性度。提高了器件的线性度。

【技术实现步骤摘要】
一种高线性GaN基毫米波器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种高线性GaN基毫米波器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]GaN基HEMT器件在卫星、通信、雷达等领域有着广泛的应用。GaN属于III族氮化物，具有出色的击穿能力、更高的电子密度及速度、耐高温和耐辐射等优势，适合发展高频、高温以及高功率的电子器件。并且AlGaN/GaN异质结在室温下由于自发极化效应和压电极化效应，在异质结界面存在高浓度的二维电子气，所以具有AlGaN/GaN异质结的器件具有高电子浓度与高电子迁移率，在5G网络基础设施的建设，反导雷达以及其他领域都有着广阔的应用前景。
[0003]随着信号动态范围的增大，对电路中功率放大器的线性度要求也越来越高。而传统器件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。在高功率微波器件大信号动态输入的应用中，如功率放大器，就会使得输入到功率器件中的大信号超出线性工作区，进入饱和区而失真，以至于传送出错误的信息。
[0004]研究人员已经尝试了许多方法来获得更宽的晶体管线性跨导曲线，比如通过抑制源极电阻随漏电流的增大而增大的Fin-HEMT结构和复合沟道异质结构，但是Fin-HEMT结构会降低器件的饱和电流(Zhang M,et al,IEEE Transactions on Electron Devices,2018,65(5))，而复合沟道异质结构等外延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。或是通过多个具有连续阈值电压的并联元件来展宽跨导曲线的TRG结构(Wu S,et al,IEEE Electron Device Letters,2019,40(6))，但是需要非常精确的光刻和刻蚀过程控制。基于以上情况，如何降低对饱和电流的影响，降低对干法刻蚀的刻蚀精度的要求，达到更高的线性度是GaN基射频器件亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服已有的制备的高线性GaN基毫米波器件的缺陷以及局限，从采用不同阈值电压的元件并联的角度提出一种高线性GaN基毫米波器件的制备方法，其中用不同掺杂浓度的p型GaN实现不同的阈值电压，可以降低对干法刻蚀的刻蚀精度的要求，提高器件的线性度。
[0006]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0007]一种高线性GaN基毫米波器件，包括AlGaN/GaN异质结外延层，所述AlGaN/GaN异质结外延层为凸台结构，凸台上方突起部分为有源区，有源区上表面的两端分别连接源电极和漏电极，不同掺杂浓度的p型GaN层位于有源区上表面的源电极和漏电极之间，其中，所述不同掺杂浓度的p型GaN层由不同掺杂浓度，但厚度相同的第一p型GaN和第二p型GaN沿栅宽前后排列形成，并且第一p型GaN的后表面和第二p型GaN的前表面相重合，左右边缘对齐；栅
电极位于不同掺杂浓度的p型GaN层的上方。
[0008]进一步地，所述AlGaN/GaN异质结外延层的直径为2-10inch，总厚度为200μm-1mm。
[0009]进一步地，第一p型GaN和第二p型GaN的长度均在10nm与100nm之间，宽度大于5μm，厚度在5nm与100nm之间，掺杂浓度均大于1
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。
[0010]进一步地，源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au金属层，源电极和漏电极均为长方体，长度均大于10nm，宽度与整体的p型GaN层相同，高度均大于10nm，源电极和漏电极之间的间距大于第一p型GaN和第二p型GaN的长度；源电极的左侧与有源区的左边缘重合，漏电极的右侧与有源区的右边缘重合，源电极和漏电极的前后边缘与有源区的前后边缘重合。
[0011]进一步地，有源区的后边缘与第二p型GaN的后边缘重合，有源区的前边缘距第二p型GaN的长度大于5μm，有源区的左边缘距第二p型GaN的左边缘长度大于100nm，有源区的右边缘距第二p型GaN的右边缘长度大于100nm。
[0012]进一步地，栅电极的长度与第二p型GaN的长度相同，宽度为第一p型GaN与第二p型GaN宽度之和，高度在50nm与1000nm之间。
[0013]制备高线性GaN基毫米波器件的方法，包括以下步骤：
[0014]S1、p型GaN的生长：在衬底上生长AlGaN/GaN异质结外延层以及在AlGaN/GaN异质结外延层上直接生长第一p型GaN；第一p型GaN的厚度在5nm与100nm之间；
[0015]S2、不同掺杂浓度的p型GaN的二次生长：使用光刻胶覆盖除二次生长的第二p型GaN的区域，其中非光刻胶覆盖的区域的长度在10nm与100nm之间，宽度大于5μm，采用干法刻蚀工艺，刻蚀至AlGaN上下3nm以内；进行二次外延生长，生长的第二p型GaN的厚度与步骤S1中的第一p型GaN相同，第二p型GaN的掺杂浓度大于步骤S1中的第一p型GaN的掺杂浓度；最后使用化学机械抛光技术将器件表面磨平；
[0016]S3、器件的相互隔离：在AlGaN/GaN异质结外延层上表面用光刻胶定义有源区的位置并将有源区覆盖，在AlGaN/GaN异质结外延层上表面用光刻胶定义有源区的位置，并将其覆盖；非有源区的AlGaN/GaN异质结外延层上表面采用等离子体轰击刻蚀，刻蚀深度为200nm-600nm；
[0017]S4、剥离出源电极和漏电极，退火形成欧姆接触：使用光刻胶定义源电极和漏电极的位置及图形，使得源电极和漏电极的位置在有源区上表面的两端；源电极和漏电极的前后边缘与有源区的前后边缘重合；非源电极并且非漏电极的区域被光刻胶覆盖，先使用干法刻蚀的方法，刻蚀至AlGaN表面或过刻3nm以内的AlGaN，再使用电子束蒸发或者磁控溅射的方法和剥离工艺形成源电极和漏电极，最后在氮气氛围，800℃以上的温度中退火，使源电极、漏电极与AlGaN/GaN异质结外延层均形成欧姆接触；
[0018]S5、制备栅电极：使用光刻胶定义栅电极的位置及图形，长度与步骤S2中的第二p型GaN的长度相同，位于第一p型GaN和第二p型GaN的正上方；使用电子束蒸发或者磁控溅射的方法和剥离工艺形成栅电极；使用光刻胶将栅电极，源电极和漏电极保护起来，使用干法刻蚀工艺将非光刻胶覆盖的地方刻蚀至AlGaN层或过刻AlGaN层3nm以内；刻蚀完成后去除光刻胶，完成高线性GaN基毫米波器件的制备。
[0019]进一步地，步骤S1中，所述衬底材料为硅、碳化硅、蓝宝石或金刚石中的一种；步骤S1中，在生长第一p型GaN时掺杂的杂质为Mg、Zn或Fe中的一种；第一p型GaN的掺杂浓度在1
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以上，生长厚度在5nm-100nm之间。
[0020]进一步地，第一p型GaN和第二p型GaN的生长方式均为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法；干法刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀工艺、反应离子刻蚀工艺或其他离子刻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高线性GaN基毫米波器件，其特征在于，包括AlGaN/GaN异质结外延层，所述AlGaN/GaN异质结外延层为凸台结构，凸台上方突起部分为有源区，有源区上表面的两端分别连接源电极和漏电极，不同掺杂浓度的p型GaN层位于有源区上表面的源电极和漏电极之间，其中，所述不同掺杂浓度的p型GaN层由不同掺杂浓度，但厚度相同的第一p型GaN和第二p型GaN沿栅宽前后排列形成，并且第一p型GaN的后表面和第二p型GaN的前表面相重合，左右边缘对齐；栅电极位于不同掺杂浓度的p型GaN层的上方。2.根据权利要求1所述的一种高线性GaN基毫米波器件，其特征在于，所述AlGaN/GaN异质结外延层的直径为2-10inch，总厚度为200μm-1mm。3.根据权利要求1所述的一种高线性GaN基毫米波器件，其特征在于，第一p型GaN和第二p型GaN的长度均在10nm与100nm之间，宽度大于5μm，厚度在5nm与100nm之间，掺杂浓度均大于1
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。4.根据权利要求1所述的一种高线性GaN基毫米波器件，其特征在于，源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au金属层，源电极和漏电极均为长方体，长度均大于10nm，宽度与整体的p型GaN层相同，高度均大于10nm，源电极和漏电极之间的间距大于第一p型GaN和第二p型GaN的长度；源电极的左侧与有源区的左边缘重合，漏电极的右侧与有源区的右边缘重合，源电极和漏电极的前后边缘与有源区的前后边缘重合。5.根据权利要求1所述的一种高线性GaN基毫米波器件，其特征在于，有源区的后边缘与第二p型GaN的后边缘重合，有源区的前边缘距第二p型GaN的长度大于5μm，有源区的左边缘距第二p型GaN的左边缘长度大于100nm，有源区的右边缘距第二p型GaN的右边缘长度大于100nm。6.根据权利要求1所述的一种高线性GaN基毫米波器件，其特征在于，栅电极的长度与第二p型GaN的长度相同，宽度为第一p型GaN与第二p型GaN宽度之和，高度在50nm与1000nm之间。7.制备权利要求1所述的高线性GaN基毫米波器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、p型GaN的生长：在衬底上生长AlGaN/GaN异质结外延层以及在AlGaN/GaN异质结外延层上直接生长第一p型GaN；第一p型GaN的厚度在5nm与100nm之间；S2、不同掺杂浓度的p型GaN的二次生长：使用光刻胶覆盖除二次生长的第二p型GaN的区域，其中非光刻胶覆盖的区域的长度在10nm与100nm之间，宽度大于5μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪，刘晓艺，陈竟雄，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：