一种高频高线性GaNHEMT器件及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高频高线性GaN HEMT器件及制备方法，GaN HEMT器件包括：衬底层、缓冲层、势垒层、牺牲层、源电极、漏电极和栅电极，栅电极包括栅脚和栅帽，栅脚的底端部分位于势垒层上且位于牺牲层中间，底端部分靠近漏电极的侧面与势垒层的表面之间形成第一倾斜角，且栅脚底部的长度小于栅脚顶部的长度；栅帽位于栅脚的顶部表面。该高频高线性GaN HEMT器件形成倾斜栅场板结合浮空T型栅的栅电极结构，可以通过栅场板抑制栅下峰值电场，缓解饱和载流子在高场的下降速度，进而提升高频毫米波器件线性度特性，有效缓解了超高频器件随着栅长减小，器件的跨导轮廓在较高栅压下急剧下降，进而影响器件线性度的问题，满足了W波段及更高频率以上的应用需求。频率以上的应用需求。频率以上的应用需求。

【技术实现步骤摘要】
一种高频高线性GaN HEMT器件及制备方法


[0001]本专利技术属于微电子
，具体涉及一种高频高线性GaN HEMT器件及制备方法。

技术介绍

[0002]GaN HEMT作为第三代宽禁带化合物半导体器件，因具有更大禁带宽度、更高的击穿电压、更大的输出功率和电子饱和速度，使其在毫米波领域较Si和GaAs基器件拥有更显著的性能优势。尤其是在5G技术产业的驱动下，现代无线通信系统对信息传输的速率与质量提出了更高要求，因此毫米波GaN器件在大容量超高速移动通信、高分辨成像雷达、保密通信等领域具有广阔应用前景。
[0003]为了实现器件的更高应用频率，常采用等比例缩小技术减小器件寄生参数，提升本身的固有频率。但随着器件的栅长(Lg)减小至100nm以下，栅脚处非均匀分布的强电场效应急剧增加，这一方面导致器件击穿电压下降，限制工作电压范围，进而严重抑制输出功率密度；另一方面，栅脚强电场导致载流子饱和速度急剧降低，跨导在较高栅压下下降，造成毫米波功率器件增益压缩迅速，交调特性差，线性度恶化严重。在通信系统中，线性度作为重要的衡量指标，目前主流的线性化途径主要包括预失真技术、功率回退技术、负反馈技术、包络跟踪调制技术以及Doherty技术等系统层面的技术。然而，以上的系统级技术尽管可以有效改善线性度，但通常电路设计复杂，系统整体效率低下，功耗大以及集成度低，难以满足现代通信系统高集成度的设计要求。
[0004]因此，开展器件级GaN HEMT高线性技术的研究引起了研究人员的广泛关注。2020年，Choi等人通过将不同宽度的Fin在栅宽方向集成，实现了6V左右的跨导栅压摆幅，显著改善器件线性度；2021年，Kevin J.Chen等人提出了一种双沟道强耦合器件，通过两个沟道间的耦合抑制access电阻的非线性变化，相比传统单沟器件，OIP3值提升了5.2dB。
[0005]目前，改善器件线性度的技术包括：利用Fin HEMT结构改善器件线性度、利用双沟道HEMT结构改善器件线性度、利用多阈值耦合技术改善器件线性度等。
[0006]利用Fin结构改善线性度通过对栅下势垒层刻蚀，形成三维栅结构，增大源极驱动能力，减小寄生电阻Rs。但在Fin HEMT器件的制备过程中，会带来较大的刻蚀损伤，引入严重的界面态问题。同时，刻蚀会使得AlGaN/GaN异质结界面处的晶格应力释放，减少二维电子气浓度，器件输出电流降低，输出功率密度严重退化。此外，Fin结构形成的寄生电容也限制了器件的应用频率。
[0007]双沟道结构提升器件线性度通过材料生长形成上下两个沟道，两沟道间的载流子在不同的栅压偏置下逐步开启，在较低栅压偏置下，下沟道开启，较高栅压偏置下，上下沟道同时开启。由于增加了开启沟道的数量，器件电流驱动能力提升，Rs降低，同时上下沟道逐步开启使得跨导轮廓在较大的栅压范围内呈现“双峰”特性，器件栅压摆幅增大，线性度得到明显改善。然而，对于毫米波GaN HEMT器件而言，受限于双沟道结构的较低纵横比，器件关态特性恶化，亚阈摆幅增大，栅控能力降低，产生严重短沟道效应，同样限制了器件的
应用频率。
[0008]多阈值耦合技术改善器件线性度通过在栅宽方向将平面器件与凹槽器件集成，由于平面器件和凹槽器件在具有不同的阈值电压，因此在相同的栅压偏置下，器件呈现不同的开启状态，即栅宽方向的平面器件和凹槽器件随着栅压增大呈现逐步开启的的趋势，不同跨导轮廓相互补偿，进而抑制了跨导曲线在较高栅压下的降低，提升器件线性特性。该种结构能有效改善器件线性度，然而在W(75
‑
100GHz)波段等更高频段的应用需求下，多阈值耦合技术的寄生电容仍旧成为器件频率特性的严重限制因素。
[0009]综上，目前传统的线性化技术如Fin HEMT、双沟道HEMT、以及MIS HEMT等结构，常由于较大的栅下刻蚀损伤而引入严重的界面态、较厚的势垒导致短沟道效应以及较大的寄生电容等问题严重限制器件的频率特性，难以满足更高频率下的高线性应用需求。

技术实现思路

[0010]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高频高线性GaN HEMT器件及制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0011]本专利技术实施例提供了一种高频高线性GaN HEMT器件，包括：衬底层、缓冲层、势垒层、牺牲层、源电极、漏电极和栅电极，其中，
[0012]所述缓冲层位于所述衬底层上；所述源电极位于所述缓冲层的一端，所述漏电极位于所述缓冲层的另一端；所述势垒层位于所述缓冲层上且位于所述源电极和所述漏电极之间；所述牺牲层位于所述势垒层上且位于所述源电极和所述漏电极之间；
[0013]所述栅电极包括栅脚和栅帽，所述栅脚的底端部分位于所述势垒层上且位于所述牺牲层中间，所述底端部分靠近所述漏电极的侧面与所述势垒层的表面之间形成第一倾斜角，且所述栅脚底部的长度小于所述栅脚顶部的长度；所述栅帽位于所述栅脚的顶部表面。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述底端部分远离所述漏电极的侧面与所述势垒层的表面之间形成第二倾斜角。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，所述第一倾斜角的范围15
°‑
75
°
，所述第二倾斜角的范围为15
°‑
75
°
。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，其特征在于，所述第一倾斜角的角度与所述第二倾斜角的角度相等。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，所述栅脚底部的长度小于100nm。
[0018]本专利技术的另一个实施例提供了一种高频高线性GaN HEMT器件的制备方法，包括步骤：
[0019]S1、在外延基片的缓冲层一端制备源电极，另一端制备漏电极，其中，所述外延基片包括依次层叠的衬底层、缓冲层、势垒层；
[0020]S2、在所述源电极和所述漏电极之间的所述势垒层上制备牺牲层；
[0021]S3、对所述牺牲层进行刻蚀，形成具有倾斜角度的凹槽，其中，所述凹槽靠近所述漏电极的侧面与所述势垒层的表面之间形成第一倾斜角，且所凹槽的底部长度小于顶部长度；
[0022]S4、在所述倾斜凹槽中制备栅脚，使得所述栅脚的高度大于所述倾斜凹槽的深度；
[0023]S5、在所述栅脚的顶部表面制备栅帽，所述栅脚和所述栅帽形成栅电极。
[0024]在本专利技术的一个实施例中，步骤S3包括：
[0025]S31、在所述牺牲层、所述源电极和所述漏电极的表面制备电子束光刻胶，并对所述电子束光刻胶进行曝光、显影和定影，形成栅脚区域；
[0026]S32、通过调节横向和纵向的刻蚀比例，对所述栅脚区域的所述牺牲层进行刻蚀，形成所述具有倾斜角度的凹槽。
[0027]在本专利技术的一个实施例中，步骤S4包括步骤：
[0028]S41、在所述凹槽和所述电子束光刻胶的表面蒸镀栅脚金属，使得所述栅脚金属的厚度小于所述电子束光刻胶的厚度；
[0029]S4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高频高线性GaN HEMT器件，其特征在于，包括：衬底层(1)、缓冲层(2)、势垒层(3)、牺牲层(4)、源电极(5)、漏电极(6)和栅电极(7)，其中，所述缓冲层(2)位于所述衬底层(1)上；所述源电极(5)位于所述缓冲层(2)的一端，所述漏电极(6)位于所述缓冲层(2)的另一端；所述势垒层(3)位于所述缓冲层(2)上且位于所述源电极(5)和所述漏电极(6)之间；所述牺牲层(4)位于所述势垒层(3)上且位于所述源电极(5)和所述漏电极(6)之间；所述栅电极(7)包括栅脚(71)和栅帽(72)，所述栅脚(71)的底端部分位于所述势垒层(3)上且位于所述牺牲层(4)中间，所述底端部分靠近所述漏电极(6)的侧面与所述势垒层(3)的表面之间形成第一倾斜角，且所述栅脚(71)底部的长度小于所述栅脚(71)顶部的长度；所述栅帽(72)位于所述栅脚(71)的顶部表面。2.根据权利要求1所述的高频高线性GaN HEMT器件，其特征在于，所述底端部分远离所述漏电极(6)的侧面与所述势垒层(3)的表面之间形成第二倾斜角。3.根据权利要求2所述的高频高线性GaN HEMT器件，其特征在于，所述第一倾斜角的范围15
°‑
75
°
，所述第二倾斜角的范围为15
°‑
75
°
。4.根据权利要求2所述的高频高线性GaN HEMT器件，其特征在于，所述第一倾斜角的角度与所述第二倾斜角的角度相等。5.根据权利要求1所述的高频高线性GaN HEMT器件，其特征在于，所述栅脚(71)底部的长度小于100nm。6.一种高频高线性GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1、在外延基片的缓冲层(2)一端制备源电极(5)，另一端制备漏电极(6)，其中，所述外延基片包括依次层叠的衬底层(1)、缓冲层(2)、势垒层(3)；S2、在所述源电极(5)和所述漏电极(6)之间的所述势垒层(3)上制备牺牲层(4)；S3、对所述牺牲层(4)进行刻蚀，形成具有倾斜角度的凹槽(41)，其中，所述凹槽(41)...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓华，王鹏飞，宓珉瀚，陈治宏，安思瑞，周雨威，龚灿，杜翔，梁宁，窦娟，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：