带有空气桥场板结构的GaN HEMT射频器件及其制备方法

摘要

本发明涉及带有空气桥场板结构的GaN HEMT射频器件及其制备方法，包括依次层叠于衬底上的缓冲层、通道层、AlN插入层以及势垒层；源极和漏极位于势垒层上；GaN帽层位于源极和漏极之间，栅极位于帽层上；钝化层连续横跨覆盖于源极与栅极之间、栅极以及栅极与漏极之间；截面呈对称阶梯状的空气桥场板结构的一端沿源极的表面延伸横跨源极与栅极之间、栅极以及栅极与漏极之间，另一端位于栅极与漏极之间；钝化层与对称阶梯状空气桥场板结构之间存在空气区域。其中异质结间插入AlN薄层的设计结合对称阶梯状的空气桥场板结构明显提升了器件的射频性能和高温稳定性，另外该制备方法简单，工艺可靠性高，产业化应用前景好。

说明书

技术领域

本发明涉及射频器件领域，尤其涉及一种带有空气桥场板结构的GaN HEMT射频器件及其制备方法。

背景技术

近年来，GaN基HEMT器件以其优异的性能，特别是优异的直流击穿电压、交流频率性能而在电力电子领域备受关注，因而研究改善GaN器件的射频特性的方法已成为该领域一大热点。渐变沟道、掺杂等方法和结构的引入，推动了HEMT器件整体性能的提高，为当前更广泛的应用需求奠定了基础。然而，现有技术中器件高频和其他性能参数的矛盾依然较为突出、可靠性和高温状态下的稳定性也有不足，因此如何更好地解决上述问题，进一步提升器件射频综合性能，是当前海内外关注的焦点。

场板结构是指与器件电极形成连接的金属板，它可与器件电极和互连金属的制备同步完成，其优势在于可以通过变换栅极一侧的电场分布来改变器件整体电学性能。本发明基于空气桥场板结构，将其用于射频器件中，并通过改善空气桥场板结构以优化射频器件的性能，基于此提出本发明的方案。

发明内容

基于此，本发明提供带有空气桥场板结构的GaN HEMT射频器件及其制备方法，该射频器件采用对称阶梯状的空气桥场板结构，该场板结构的一端自源极表面延伸跨越源极和栅极之间的区域、栅极以及栅极与漏极之间的区域，另一端位于栅极与漏极之间，该横跨栅极的区域具有加厚的金属层，该阶梯形结构在力学上近似等价于具有倾斜角度的对称倒“V”字型。该结构的设置能够有效调节器件沟道电场的分布状况，空气桥结构比采用介质桥结构能够更显著地减小寄生电容的产生，从而提高器件的射频性能。具体地说，HEMT器件截止频率f

另外，本发明的射频器件采用AlGaN/GaN异质结2DEG作为电子沟道层，在AlGaN/GaN异质结间插入AlN薄层，提高有效导带带阶，能够在加深势阱的同时提高2DEG的限域性，并保持其量子性质的稳定性、抑制热激活引起的沟道外平行电导等因素，另一方面在势垒层和GaN通道层间插入AlN层能够使势垒层拥有最低密度的穿透位错和最为均匀的应力分布，从而减少势垒层延伸缺陷，显著提高AlGaN的生长质量。基于上述目的，本发明至少采用如下方案：

带有空气桥场板结构的GaN HEMT射频器件，包括：依次层叠于衬底上的缓冲层、GaN通道层、AlN插入层以及AlGaN势垒层；位于AlGaN势垒层上的源极和漏极；位于源极和漏极之间的p型GaN帽层，位于p型GaN帽层上的栅极；其中，钝化层连续横跨覆盖于源极与栅极之间的区域、栅极以及栅极与漏极之间的区域；截面呈对称阶梯状的空气桥场板结构的一端沿源极的表面延伸横跨源极与栅极之间的区域、栅极以及栅极与漏极之间的部分区域，其另一端位于栅极与漏极之间部分区域的钝化层上；钝化层与对称阶梯状空气桥场板结构之间存在空气区域。

作为优选，所述空气桥场板结构横跨栅极的区域具有加厚金属层；所述空气桥场板结构与源极接触的端面宽度等于源极的宽度。

作为优选，所述空气桥场板结构在水平方向以栅极横截面的垂直平分线为对称轴。

作为优选，钝化层与空气桥场板结构之间的空气区域的截面呈平顶状的门洞形。

作为优选，所述AlN插入层的厚度为1～2nm；所述AlGaN势垒层的厚度优选10～20nm，Al组分为0.25～0.3；GaN通道层的厚度为10～20nm。

作为优选，所述p型GaN帽层区域的厚度为2～2.5nm，掺杂浓度为1～2×10

作为优选，所述缓冲层为GaN缓冲层，所述衬底与所述GaN缓冲层之间还包括设置于衬底上的AlN成核层和设置于AlN成核层上的GaN过渡层；所述GaN过渡层的厚度为150～250nm，所述GaN缓冲层的厚度为1.5～2μm。

作为优选，所述钝化层优选SiN，栅极附近的钝化层厚度至少等于源极或漏极与栅极之间区域的钝化层厚度。

本发明还提供一种带有空气桥场板结构的GaN HEMT射频器件的制备方法，包括以下步骤：

在衬底上依次外延生长GaN缓冲层、GaN通道层、AlN插入层以及AlGaN势垒层；

在所述AlGaN势垒层上沉积钝化层，刻蚀钝化层形成源极窗口、栅极窗口以及位于源极和栅极窗口之间的栅极窗口；

在栅极窗口内外延生长p型GaN帽层，在GaN帽层上形成栅极，在源极和漏极窗口形成源极和漏极；

淀积钝化层覆盖源极与栅极之间的区域、栅极和栅极与漏极之间的区域；

在钝化层的表面光刻形成截面呈平顶状的门洞形牺牲层；

在源极的表面和栅极与漏极之间的部分钝化层表面沉积金属层，形成平顶状的门洞形金属层；

去除门洞形牺牲层；

在门洞形金属层的表面两端侧各形成宽度等于源极宽度的对称矩形牺牲层，在该牺牲层之间沉积加厚金属层，之后去除牺牲层形成截面呈对称阶梯状的空气桥场板结构。

作为优选，栅极附近的钝化层厚度至少等于源极或漏极与栅极之间区域的钝化层厚度。

附图说明

图1是本发明一实施例的带有空气桥场板结构的GaN HEMT射频器件的剖面结构示意图。

图2是本发明一实施例的制备方法流程图。

具体实施方式

接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。

下面来对本发明做进一步详细的说明。参照图1，本发明一实施例提供一种带有空气桥场板结构的GaN HEMT射频器件，该器件包括衬底11、依次层叠于衬底11上的GaN缓冲层22、GaN通道层23、AlN插入层31以及AlGaN势垒层41，源极61和漏极62分别位于AlGaN势垒层41表面的两端侧，p型GaN帽层51位于源极61和漏极62之间，p型GaN帽层51靠近源极61，栅极63位于p型GaN帽层51的表面。

衬底11优选半绝缘4H-SiC型或6H-SiC型衬底，可背面减薄至约150～200μm。衬底11与GaN缓冲层22之间还包括设置于衬底11上的AlN成核层12和设置于AlN成核层上的GaN过渡层21。GaN过渡层21的厚度为150～250nm，GaN缓冲层的厚度为1.5～2μm。p型GaN帽层区域的厚度为2～2.5nm，掺杂浓度为1～2×10

在一优选实施例中，AlN插入层的厚度为1～2nm。AlGaN势垒层41的厚度优选10～20nm，其中Al组分为0.25～0.3。GaN通道层的厚度为10～20nm。AlGaN/GaN构成的异质结2DEG作为电子沟道层，相比于传统GaN器件能够提高电子迁移率、增强高频性能。另外AlGaN/GaN异质结间插入了AlN薄层，提高有效导带带阶，能够在加深势阱的同时提高2DEG的限域性，并保持其量子性质的稳定性、抑制热激活引起的沟道外平行电导等因素。另一方面，在势垒层和GaN通道层间插入AlN能够使势垒层拥有最低密度的穿透位错和最为均匀的应力分布，从而减少势垒层延伸缺陷，显著提高AlGaN的生长质量。

钝化层64设置于源极61与漏极62之间。钝化层64连续横跨覆盖于源极61与栅极63之间的区域、栅极63以及栅极63与漏极62之间的区域。栅极附近的钝化层厚度至少等于源极或漏极与栅极之间区域的钝化层厚度。具体的，栅极附近的钝化层可根据实际工艺的需要加厚以渐变调节附近电场分布，其呈“凸”字型高出源极和漏极。可采用椭偏仪进行钝化层的参数监测，确保其厚度和漏电等参数符合要求。

空气桥场板结构71的一端沿源极61的表面延伸横跨源极与栅极之间的区域、栅极以及栅极与漏极之间的部分区域。如图1示，空气桥场板结构71的截面呈对称阶梯状，空气桥场板结构在水平方向以栅极横截面的垂直平分线为对称轴，以抵消金属受热产生的水平弹力分量，维持较高稳定性。空气桥场板结构71的一端设置于源极61的表面，该端面的宽度等于源极的宽度。另一端设置于栅极63与漏极62之间的钝化层表面。空气桥场板结构71与钝化层64之间存在空气介质区域72，其空气介质区域的截面呈平顶状的门洞形。如图1示，该空气桥场板结构71横跨栅极的区域具有加厚金属层，该阶梯状结构设计在力学上近似等价于具有倾斜角度的对称倒“V”字型，由于具有一定倾斜角度，高温情况下金属体积产生膨胀，从而在金属桥结构中产生较大弹力，该弹力的水平分力F

基于该器件结构，本发明的一实施例还提供该带有空气桥场板结构的GaN HEMT射频器件的制备方法，其包括以下步骤：

选用半绝缘SiC衬底，采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)工艺进行外延生长。首先进行1000℃左右的高温衬底清洗，向反应室内通入氢气，去除衬底表面污染物。接着采用1000℃间接供氨生长方式，外延生长厚度为20～100nm的AlN成核层，降低后期所获GaN的残余应力，并通过分时输运的形式降低反应物进行预反应的可能。其中间歇供氨可采用TMA持续通入、NH

接着对成核层的生长进行退火和表面重构，温度的变化有利于形成高质量的GaN外延层。

继续在AlN成核层上，生长厚度约150～250nm的GaN过渡层，温度范围为1000～1100℃，通入H

接着在GaN过渡层上外延生长1.5～2μm的GaN缓冲层并进行掺C，采用N

之后在GaN过渡层上生长厚度为10～20nm的GaN通道层，通入H

接着在GaN通道层上利用间歇供氨方式生长一层约1～2nm的AlN插入层，厚度以1.2nm为最优。间歇供氨可采用TMA持续通入、NH

之后，通入H

采用等离子增强化学气相沉积方法(PECVD)在AlGaN势垒层上淀积SiN钝化层。其中功率设为20～30W，N

采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)工艺，在p-GaN生长窗口外延生长掺杂浓度为1～2×10

采用电子束蒸发沉积方制作源极、漏极和栅极。用电子束轰击金属靶材，靶金属受热气化淀积沉积。先在p-GaN帽层上淀积金属Ti/Al/Ni/Au，经金属剥离工艺形成电极，之后采用快速退火工艺，保护气体选用氩气，退火温度900～1000℃，退火时间30～40s，形成栅极，其中Ti的厚度为10nm，Al的厚度为50nm，Ni的厚度为10nm，Au的厚度为20nm。接着在真空条件下用电子束蒸发法在AlGaN/GaN异质结上淀积金属Ni/Au，经过金属剥离在AlGaN表面形成接触电极。真空度小于2.0×10

继续采用PECVD淀积SiN钝化层，功率设为20～30W，N

接着生长对称阶梯状的空气桥场板结构。首先采用剥离胶与光刻胶组成的复合胶体结构来生长截面呈平顶状的门洞形牺牲层，其中上层使用光刻胶(660型等)，软烘温度为80～90℃，下层使用剥离胶，软烘温度为140～160℃，光刻胶和剥离胶的复合胶占比均应在40％～60％之间，以避免桥墩移位和桥底金属与桥墩的短接。如图1，形成截面呈平顶状的门洞形牺牲层(该形状与空气介质区域72的形状相同)，之后常温下退火成形。

接着，采用O

接着，形成电镀区域的掩膜图案，选择电镀Au的无氰化物电镀液进行加厚电镀形成桥面。去除为显影完整的光刻胶部分，使电镀区域尽量平整。电镀温度为35～45℃尽量保持恒温，电镀速率1～5nm/min。

之后，采用曝光显影腐蚀法去除掩膜层光刻胶。先进行泛曝光处理，之后使用显影液去胶，去除电镀的掩膜层。

接着腐蚀起镀层。腐蚀Au溶液采用KI溶液，腐蚀速率1～2nm/s，腐蚀Ti溶液采用HF溶液，其中溶液浓度为5～10％，腐蚀速率0.1～0.2nm/s。

之后去除门洞形牺牲层。使用丙酮溶液去除光刻胶，初步形成对称阶梯状的空气桥的底层桥面，此时该桥面呈平顶状的门洞形金属层。

接着，在已形成的门洞形金属层表面两端侧各形成宽度等于源极宽度的对称矩形牺牲层，用于形成异形空气桥顶层金属电镀区域。该步骤中牺牲层可以选用光刻胶。

接着，采用O

使用N

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。