一种高功率密度的氮化镓高电子迁移率晶体管及制作方法技术

本发明专利技术公开一种高功率密度的氮化镓高电子迁移率晶体管及制作方法，该晶体管包括若干个栅极功率元胞，多对栅极功率元胞形成一个功率单元，栅极功率元胞的栅岛与栅岛之间使用金属连接，相邻两个功率单元的栅极端进行电阻隔离，多个功率单元并联。本发明专利技术中，优化了栅极功率元胞结构，再采用多个栅极功率元胞结构并联形成功率单元，在0.25微米栅长的栅条上，经过对功率单元的并联，最终设计出低寄生效应的大栅宽高密度的GaN晶体管，实现了可使用于X波段120瓦的大功率管芯，有效解决工作电压与导通电阻之间的矛盾，全面提高了器件的输出功率和转换效率，对于提高器件的特征频率有积极的意义，将促进晶体管向高频率、高功率和宽带方向发展。发展。发展。

【技术实现步骤摘要】
一种高功率密度的氮化镓高电子迁移率晶体管及制作方法


[0001]本专利技术属于微电子
，具体涉及一种高功率密度的氮化镓高电子迁移率晶体管及制作方法。

技术介绍

[0002]射频领域是氮化镓GaN目前渗透率较高、未来发展前景大的产业，尤其是用于基站建设和改造。由于GaN材料的散热特性、功率特性能够较好满足5G基站要求，且随着GaN器件成本的下降和工艺的成熟，GaN材料会成为基站PA主流材料。同时，由于在基站领域，毫米波、小基站、Massive MIMO、波速成形、载波聚合等需求均需要使用GaN相关器件，随着这些5G新技术的推进，GaN在整个基站所用半导体器件的比重也不断提升。
[0003]GaN HEMT具备高击穿电压、高功率密度及高功率附加效率等优点。多胞功率合成技术可以改善GaN HEMT器件的输入输出阻抗特性，解决了大栅宽器件在设计功率放大器时的阻抗匹配问题，提高了器件的输出功率。
[0004]GaN HEMT有更高的二维电子气浓度，ns＞1E13/cm2，二维电子气可由极化和表面态引起，势垒层无需掺杂，可达到高浓度、高迁移率、无需偏压维持等效果，如图1所示。
[0005]当2DEG存在时，施加漏源电压Vds＞0时，就有漏源电流Ids通过，由于栅源电压Vgs可以调节2DEG的浓度，因而可以控制Ids，一般的GaN HEMT，Vt<0，为常开型器件，需要负栅压，才能关断漏极电流，少量的Vgs变化，即可引起较大的Ids变化，从而实现了输出电流Ids对输入电压Vgs的信号放大，如图2所示。
[0006]通常GaN HEMT器件有较大的电流坍塌(collapse)效应，由缓冲层中的热电子注入和俘获效应引起，栅
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漏通道access区域表面会陷阱俘获电子，使得该区域AlGaN表面能带抬高，产生了虚栅模型(图3)，导致器件的能力退化以及损坏，通常在物理结构上，增加栅漏距离并使用场板，降低沟道电场，降低其俘获热电子的能力，降低其俘获的热电子的静电感应效应等方法来抑制电流坍塌。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种高功率密度的氮化镓高电子迁移率晶体管及制作方法。
[0008]为实现上述目的，达到上述技术效果，本专利技术采用的技术方案为：
[0009]一种高功率密度的氮化镓高电子迁移率晶体管，包括若干个栅极功率元胞，多对栅极功率元胞形成一个对地的功率单元，栅极功率元胞的栅岛与栅岛之间使用金属连接，相邻两个功率单元的栅极端进行电阻隔离，多个功率单元并联。
[0010]进一步的，每4对所述栅极功率元胞形成一个对地的功率单元，每个对地的功率单元均集成8条栅指，4对栅极功率元胞共包含8个栅岛。
[0011]进一步的，相邻两个功率单元的栅极端采用8
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12欧姆的电阻进行隔离。
[0012]进一步的，所述栅极功率元胞是在GaN结构的外延层上制成，所述栅极功率元胞包
括设置于外延层上的氮化硅薄膜结构、漏电极、源电极、T型金属低阻栅、金属0层、场板、金属1场板、金属1层和金属2层，所述GaN结构包括硅衬底和外延层，所述外延层包括GaN层和Al
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GaN层。
[0013]进一步的，所述氮化硅薄膜结构包括第一氮化硅薄膜、第二氮化硅薄膜、第三氮化硅薄膜和第四氮化硅薄膜四层，所述Al
‑
GaN层上表面设置有漏电极、源电极、T型金属低阻栅和第一氮化硅薄膜，相邻两个漏电极之间设置有一个源电极，漏电极与源电极之间设置有第一氮化硅薄膜，位于漏电极与源电极之间的第一氮化硅薄膜的两端分别向漏电极和源电极延伸并分别骑在漏电极和源电极上，第一氮化硅薄膜上设置有第二氮化硅薄膜且二者之间设置有T型金属低阻栅，T型金属低阻栅的T型头骑在第一氮化硅薄膜上，T型金属低阻栅穿过第一氮化硅薄膜设置于Al
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GaN层上，第二氮化硅薄膜上设置有第三氮化硅薄膜且二者之间设置有场板，第三氮化硅薄膜上设置有金属1场板和第四氮化硅薄膜，漏电极上设置有金属0层，源电极上设置有金属0层，金属0层上设置有金属1层，金属1层与金属0层进行连接，形成电极，金属1场板位于金属0层上方，金属1场板与金属1层之间设置有第三氮化硅薄膜，金属1场板下方与金属0层、第三氮化硅薄膜相接触，位于漏电极与源电极之间的第一氮化硅薄膜以及该第一氮化硅薄膜正上方的第二氮化硅薄膜的两端分别与金属0层相接触，位于该第二氮化硅薄膜正上方的第三氮化硅薄膜一端与金属1层相接触，第三氮化硅薄膜另一端与金属0层相接触，第三氮化硅薄膜上设置有第四氮化硅薄膜且二者之间设置有金属1场板，第四氮化硅薄膜两端及上方设置有金属2层，第四氮化硅薄膜两端的金属2层深至金属1层，金属2层与金属1层连接，形成电极，金属2层上方设置有氮化硅钝化膜，氮化硅钝化膜上方设置有聚酰亚胺钝化层，第四氮化硅薄膜中部与金属2层之间不接触，通过空气桥相连。
[0014]进一步的，所述金属0层采用0.6微米的金。
[0015]进一步的，所述金属1层采用1.1微米的金。
[0016]进一步的，所述金属2层采用4微米的金。
[0017]一种高功率密度的氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，包括以下步骤：
[0018]1)首先选取硅衬底，在硅衬底上形成合适厚度的GaN层和Al
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GaN层，Al
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GaN层上光刻出需要进行欧姆接触的区域，进行用于欧姆接触的金属淀积，再使用lift
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off剥离工艺，形成漏电极、源电极与Al
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GaN层的接触区，再进行金属的合金工艺，形成源、漏区的欧姆接触层；
[0019]2)制作有源区
[0020]光刻，形成有源区，然后进行多次离子注入，对器件进行隔离；
[0021]3)第一氮化硅薄膜淀积，光刻，刻蚀出欧姆接触区，其他区域使用第一氮化硅薄膜进行表面保护；
[0022]4)T型金属低阻栅的形成
[0023]光刻，刻蚀第一氮化硅薄膜，形成线宽0.25微米的凹槽，凹槽底部与Al
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GaN层直接接触，凹槽处进行金属淀积，光刻，剥离，形成T型金属低阻栅；
[0024]5)第二氮化硅薄膜淀积，光刻，刻蚀出欧姆接触区，其他区域使用第二氮化硅薄膜进行表面保护；
[0025]6)光刻，0.6微米金淀积在漏电极和源电极上，形成金属0层，剥离；
[0026]7)光刻，金属TaN淀积，剥离，形成8
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12欧姆的TaN薄膜电阻；
[0027]8)光刻，薄的金属层淀积，形成场板，剥离；
[0028]9)光刻，金1.1微米淀积在金属0层上，形成金属1层，金属1层与金属0层形成连接，第三氮化硅薄膜淀积，光刻，刻蚀到金属1层；使用剥离工艺(lift
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off)形成金属1场板；
[0029]10)光刻胶旋涂工艺形成桥底；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高功率密度的氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括若干个栅极功率元胞，多对栅极功率元胞形成一个对地的功率单元，栅极功率元胞的栅岛与栅岛之间使用金属连接，相邻两个功率单元的栅极端进行电阻隔离，多个功率单元并联。2.根据权利要求1所述的一种高功率密度的氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，每4对所述栅极功率元胞形成一个对地的功率单元，每个对地的功率单元均集成8条栅指，4对栅极功率元胞共包含8个栅岛。3.根据权利要求1所述的一种高功率密度的氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，相邻两个功率单元的栅极端采用8
‑
12欧姆的电阻进行隔离。4.根据权利要求1所述的一种高功率密度的氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述栅极功率元胞是在GaN结构的外延层上制成，所述栅极功率元胞包括设置于外延层上的氮化硅薄膜结构、漏电极、源电极、T型金属低阻栅、金属0层、场板、金属1场板、金属1层和金属2层，所述GaN结构包括硅衬底和外延层，所述外延层包括GaN层和Al
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GaN层。5.根据权利要求4所述的一种高功率密度的氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述氮化硅薄膜结构包括第一氮化硅薄膜、第二氮化硅薄膜、第三氮化硅薄膜和第四氮化硅薄膜四层，所述Al
‑
GaN层上表面设置有漏电极、源电极、T型金属低阻栅和第一氮化硅薄膜，相邻两个漏电极之间设置有一个源电极，漏电极与源电极之间设置有第一氮化硅薄膜，位于漏电极与源电极之间的第一氮化硅薄膜的两端分别向漏电极和源电极延伸并分别骑在漏电极和源电极上，第一氮化硅薄膜上设置有第二氮化硅薄膜且二者之间设置有T型金属低阻栅，T型金属低阻栅的T型头骑在第一氮化硅薄膜上，T型金属低阻栅穿过第一氮化硅薄膜设置于Al
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GaN层上，第二氮化硅薄膜上设置有第三氮化硅薄膜且二者之间设置有场板，第三氮化硅薄膜上设置有金属1场板和第四氮化硅薄膜，漏电极上设置有金属0层，源电极上设置有金属0层，金属0层上设置有金属1层，金属1层与金属0层进行连接，形成电极，金属1场板位于金属0层上方，金属1场板与金属1层之间设置有第三氮化硅薄膜，金属1场板下方与金属0层、第三氮化硅薄膜相接触，位于漏电极与源电极之间的第一氮化硅薄膜以及该第一氮化硅薄膜正上方的第二氮化硅薄膜的两端分别与金属0层相接触，位于该第二氮化硅薄膜正上方的第三氮化硅薄膜一端与金属1层相接触，第三氮化硅薄膜另一端与金属0层相接触，第三氮化硅薄膜上设置有第四氮化硅薄膜且二者之间设置有金属1场板，第四氮化硅薄膜两端及上方设置有金属2层，第四氮化硅薄膜两端的金属2层深至金属1层，金属2...

【专利技术属性】
技术研发人员：仇利民，戴剑，李启迪，董福兴，吴月挺，
申请(专利权)人：苏州晶讯科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：