砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大器单片集成电路及其制备制造技术

砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大器单片集成电路，自下而上依次包括衬底层、缓冲层、沟道层、势垒层以及位于势垒层上的电极；其中衬底层采用硅材料，衬底层上方为缓冲层，分为左右两个部分，左边为三族氮化物复合缓冲层、右边为三族砷化物缓冲层。氮化镓缓冲层上方为氮化镓晶体管的沟道层和势垒层；三族砷化物缓冲层上方为砷化镓晶体管的沟道层和势垒层，势垒层上方为氮化镓晶体管和砷化镓晶体管的电极，衬底层背面至势垒层上设置有通孔。该集成方法可以在同一个硅衬底上实现氮化镓晶体管和砷化镓晶体管的集成，有效减少低噪声放大器和功率放大器之间的寄生效应，改善电路高频性能，并且可以减少芯片面积，降低成本，增加散热。散热。散热。

【技术实现步骤摘要】
砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大器单片集成电路及其制备


[0001]本专利技术属于半导体
，特别涉及一种砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大器单片集成电路及其制备。

技术介绍

[0002]射频前端是智能手机等移动通信产品无线通信模块的核心组件，起到收发射频信号的作用，功率放大器(PA，Power Amplifier)和低噪声放大器(LNA，Low Noise Amplifier)是射频前端的重要组件。功率放大器位于发射通路上，将经过调制的功率较小的射频信号功率进行放大，以便进行远距离传输。低噪声放大器位于接受通路上，抑制噪声并放大天线接受的微弱信号。
[0003]目前射频前端中的低噪声放大器，常用砷化镓体系的材料工艺制作，因砷化镓材料具有高频率、高电子迁移率、高输出功率、低噪音以及线性度良好等优越特性，由砷化镓材料制造的低噪声放大器具有高频率、高速度、高功率、低噪声和低功耗的优异性能。而功率放大器部分，氮化镓体系的材料具有相当大的优势。氮化镓于硅、砷化镓相比，具有更高的击穿电场、禁带宽度、电子饱和速度，而高电场大电流可以提高功率的输出能力。采用砷化镓体系材料制造的低噪声放大器和氮化镓材料体系制造的功率放大器，分别封装后制作在同一个PCB板上，或者通过射频线缆连接在一起，形成一个射频前端的模块。
[0004]然而，分别封装后的功率放大器和低噪声放大器占用芯片的面积大，并且封装管壳内的金线连线和封装模块之间的连线存在着较大的寄生电感效应，增加了射频功率的损耗和信号的延迟、恶化电路的高频性能，尤其在射频频率进入毫米波波段后更为严重。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大器单片集成电路及其制备，以期在同一个硅衬底上实现氮化镓基晶体管和砷化镓基晶体管的集成，减少整个射频前端芯片面积，减少封装连线的寄生电感效应，提高电路的性能，并且也降低产品的成本。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大器单片集成电路，包括衬底，在衬底上设置有相互隔离的三族氮化物体系和三族砷化物体系；所述三族氮化物体系包括自下而上的三族氮化物复合缓冲层、三族氮化物沟道层和三族氮化物势垒层；所述三族砷化物体系包括自下而上的三族砷化物缓冲层、三族砷化物沟道层和三族砷化物势垒层；
[0008]所述三族氮化物沟道层与三族氮化物势垒层之间形成异质结，并由极化效应在异质结界面的三族氮化物沟道层一侧形成三族氮化物二维电子气沟道；在所述三族氮化物势垒层上设置有氮化镓晶体管源电极、氮化镓晶体管漏电极和氮化镓晶体管栅电极，所述氮化镓晶体管源电极和氮化镓晶体管漏电极均与所述三族氮化物二维电子气沟道形成欧姆
接触；所述氮化镓晶体管栅电极控制所述三族氮化物二维电子气沟道的形成和关断；
[0009]所述三族砷化物沟道层与三族砷化物势垒层之间形成异质结，并由调制掺杂在异质结界面的三族砷化物沟道层一侧形成三族砷化物二维电子气沟道；在所述三族砷化物势垒层上设置有砷化镓晶体管源电极、砷化镓晶体管漏电极和砷化镓晶体管栅电极；所述砷化镓晶体管源电极和砷化镓晶体管漏电极均与所述三族砷化物二维电子气沟道形成欧姆接触；所述砷化镓晶体管栅电极控制所述三族砷化物二维电子气沟道的形成和关断；
[0010]集成电路中低噪声放大器以砷化镓晶体管实现；功率放大器以氮化镓晶体管实现。
[0011]在一个实施例中，氮化镓晶体管和砷化镓晶体管的接地电极通过背通孔和背面金属的方式互联。
[0012]在一个实施例中，所述三族氮化物体系和三族砷化物体系通过隔离区实现隔离，所述隔离区位于三族氮化物复合物缓冲层的上方，并位于氮化镓晶体管和砷化镓晶体管之间，为一个通过刻蚀沟槽或通过离子注入制造实现的矩形区域；所述该隔离区具有半绝缘特性，能够减少漏电，减少射频损耗，增强隔离。
[0013]在一个实施例中，所述三族氮化物复合缓冲层与三族砷化物缓冲层等高，三族氮化物沟道层与三族砷化物沟道层等高，三族氮化物势垒层与三族砷化物势垒层等高。
[0014]在一个实施例中，所述三族砷化物缓冲层的材料为砷化镓，未掺杂；或锗/砷化镓，未掺杂；或锗硅/砷化镓，未掺杂；所述三族氮化物沟道层的材料采用GaN或InGaN；所述三族氮化物势垒层的材料采用AlGaN或InAlN或AlN或InAlGaN；所述三族砷化物沟道层的材料采用GaAs或InGaAs或InAs，未掺杂；所述三族砷化物势垒层的材料采用AlGaAs或InGaAs或InGaP，部分N型掺杂，掺杂浓度为1
×
10
17
cm
‑3‑1×
10
20
cm
‑3。
[0015]在一个实施例中，所述三族氮化物复合缓冲层包括三层，自下而上分别为三族氮化物成核层、三族氮化物过渡层与三族氮化物缓冲层，所述三族氮化物成核层的材料采用AlN或GaN；所述三族氮化物过渡层的材料采用AlGaN；所述三族氮化物复合缓冲层的材料采用GaN或AlGaN。
[0016]在一个实施例中，所述三族砷化物缓冲层厚度为100
‑
3000nm；所述三族氮化物沟道层厚度为50nm
‑
500nm；所述三族氮化物势垒层厚度为2
‑
40nm；所述三族砷化物沟道层厚度为10nm
‑
300nm；所述三族砷化物势垒层厚度为5nm
‑
20nm；所述三族氮化物成核层厚度50
‑
300nm；所述三族氮化物过渡层厚度为200
‑
1000nm；所述三族氮化物复合缓冲层厚度为100
‑
3000nm。
[0017]在一个实施例中，所述氮化镓晶体管栅电极的最下面一层金属为Ni或Ti或Ta；所述氮化镓晶体管源电极和所述氮化镓晶体管漏电极采用的最下面两层金属为Ti/Al或Ta/Al或Mo/Al；所述砷化镓晶体管栅电极的最下面一层金属为Ti或Cr；所述砷化镓晶体管源电极和所述砷化镓晶体管漏电极采用的最下面三层金属为Ni/Ge/Au。
[0018]本专利技术还提供了所述砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大器单片集成电路的制备方法，包括以下步骤：
[0019]S1：在衬底上依次外延生长三族氮化物复合缓冲层、三族氮化物沟道层、三族氮化物势垒层；
[0020]S2：刻蚀部分三族氮化物复合缓冲层、三族氮化物沟道层、三族氮化物势垒层，漏
出部分衬底；
[0021]S3：在漏出的衬底上外延生长三族砷化物缓冲层、三族砷化物沟道层、三族砷化物势垒层；
[0022]S4：制作氮化镓晶体管和砷化镓晶体管之间的隔离区；
[0023]S5：在三族氮化物势垒层上制备氮化镓晶体管源电极和氮化镓晶体管漏电极，并进行高温热退火，以与三族氮化物二维电子气形成欧姆接触；
[0024]S6：在三族砷化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大器单片集成电路，其特征在于，包括衬底(1)，在衬底(1)上设置有相互隔离的三族氮化物体系和三族砷化物体系；所述三族氮化物体系包括自下而上的三族氮化物复合缓冲层(21)、三族氮化物沟道层(31)和三族氮化物势垒层(41)；所述三族砷化物体系包括自下而上的三族砷化物缓冲层(22)、三族砷化物沟道层(32)和三族砷化物势垒层(42)；所述三族氮化物沟道层(31)与三族氮化物势垒层(41)之间形成异质结，并由极化效应在异质结界面的三族氮化物沟道层(31)一侧形成三族氮化物二维电子气沟道；在所述三族氮化物势垒层(41)上设置有氮化镓晶体管源电极(5)、氮化镓晶体管漏电极(6)和氮化镓晶体管栅电极(7)，所述氮化镓晶体管源电极(5)和氮化镓晶体管漏电极(6)均与所述三族氮化物二维电子气沟道形成欧姆接触；所述氮化镓晶体管栅电极(7)控制所述三族氮化物二维电子气沟道的形成和关断；所述三族砷化物沟道层(32)与三族砷化物势垒层(42)之间形成异质结，并由调制掺杂在异质结界面的三族砷化物沟道层(32)一侧形成三族砷化物二维电子气沟道；在所述三族砷化物势垒层(42)上设置有砷化镓晶体管源电极(8)、砷化镓晶体管漏电极(9)和砷化镓晶体管栅电极(10)；所述砷化镓晶体管源电极(8)和砷化镓晶体管漏电极(9)均与所述三族砷化物二维电子气沟道形成欧姆接触；所述砷化镓晶体管栅电极(10)控制所述三族砷化物二维电子气沟道的形成和关断；集成电路中低噪声放大器以砷化镓晶体管实现；功率放大器以氮化镓晶体管实现。2.根据权利要求1所述砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大器单片集成电路，其特征在于，氮化镓晶体管和砷化镓晶体管的接地电极通过背通孔(12)和背面金属(11)的方式互联。3.根据权利要求1所述砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大器单片集成电路，其特征在于，所述三族氮化物体系和三族砷化物体系通过隔离区(13)实现隔离，所述隔离区(13)位于三族氮化物复合物缓冲层(21)的上方，并位于氮化镓晶体管和砷化镓晶体管之间，为一个通过刻蚀沟槽或通过离子注入制造实现的矩形区域；所述该隔离区(13)具有半绝缘特性，能够减少漏电，减少射频损耗，增强隔离。4.根据权利要求1所述砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大器单片集成电路，其特征在于，所述三族氮化物复合缓冲层(21)与三族砷化物缓冲层(22)等高，三族氮化物沟道层(31)与三族砷化物沟道层(32)等高，三族氮化物势垒层(41)与三族砷化物势垒层(42)等高。5.根据权利要求1或4所述砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大器单片集成电路，其特征在于，所述三族砷化物缓冲层(22)的材料为砷化镓，未掺杂；或锗/砷化镓，未掺杂；或锗硅/砷化镓，未掺杂；所述三族氮化物沟道层(31)的材料采用GaN或InGaN；所述三族氮化物势垒层(41)的材料采用AlGaN或InAlN或AlN或InAlGaN；所述三族砷化物沟道层(32)的材料采用GaAs或InGaAs或InAs，未掺杂；所述三族砷化物势垒层(42)的材料采用AlGaAs或InGaAs或InGaP，部分N型掺杂，掺杂浓度为1
×
10
17
cm
‑3‑1×
10
20
cm
‑3。6.根据权利要求5所述砷化镓低噪声放大器和氮化镓功率放大...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志宏，冯时，徐美，李凯，邢伟川，周瑾，杨伟涛，危虎，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：