一种梳齿状场板的GaN基射频器件及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种梳齿状场板的GaN基射频器件及其制备方法。

背景技术

随着现代航空航天、通信技术、汽车电子、开关电源的发展，对半导体性能提出了更高的要求。GaN及GaN系材料作为第三代宽禁带半导体材料的代表，具有禁带宽度大、电子饱和速率高、击穿场强高，热导率高和耐腐蚀等特点，被认为是高压、高频、大功率等电子器件的极佳材料。GaN与AlGaN形成的AlGaN/GaN异质结结构能在无摻杂室温下形成高电子浓度与高电子迁移率的二维电子气，这使得AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)成为氮化镓领域最为重要的器件类型之一。

在实际应用中，一方面，GaN HEMT在高频高压状态下工作时，在栅电极漏端需要承受极高的工作电压，电场线会聚集在器件的栅电极漏端，导致沟道电场的分布不均匀；由于AlGaN/GaN晶体外延表面缺陷或者材料中的陷阱等原因，导致GaN HEMT器件存在电流崩塌问题，栅极工作电压摆幅小等缺点。

在产业应用中为了提升器件的可靠性，特别是击穿电压这一的关键指标，目前最常见的方法是采用场板结构来提高器件的击穿电压。传统的场板结构平缓了GaN HEMT器件的栅极电极的电场峰值，并抑制了“虚栅”的形成，使得其击穿电压有显著提升，但是场板引入的金属结构带来了寄生电容，导致工作频率特性的恶化。为改善目前常见的传统场板中仍然存在明显的缺陷，业界提出了倾斜场板或者阶梯场板等非常规结构，但其场板制备工艺较为复杂，其中倾斜场板的工艺不易控制倾斜角，而阶梯场板需要增加多道光刻工艺，带来成本激增。于是有学者(Zou H,Ma X H,Hao Y.Effect of jagged field platestructures on DC and RF performance of AlGaN/GaN HEMTs[J].SemiconductorScience and Technology,2021,36(5):055010(11pp).)提出了一种给传统场板开图形化窗口的结构，在经过优化的传统场板上提升击穿电压和频率特性。

发明内容

本发明提出了一种梳齿状场板的GaN基射频器件，本发明采用的优化后的梳齿状场板结构，制备工艺与传统场板一致，制备方法简单、成本低，梳齿状场板可以改善沟道的电场，相对于传统场板更均匀。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种梳齿状场板的GaN基射频器件，从下至上包括衬底、过渡层、氮化物缓冲层和GaN沟道层、AlGaN势垒层、钝化层；氮化物缓冲层上表面从一端到另一端顺次设置源极金属电极和漏极金属电极；AlGaN势垒层上表面中部设置栅极金属电极，其余位置覆盖有钝化层；钝化层上设置有梳齿状场板，梳齿状场板朝向漏极金属电极延伸，在靠近漏极金属电极端的梳齿状栅极场板上设置有图形化开口。

进一步地，所述梳齿状场板位于钝化层上，梳齿状场板向所述漏极金属电极的一侧延伸。

进一步地，所述梳齿状栅极场板电连接到所述栅极金属电极或源极金属电极。

进一步地，所述梳齿状场板平行于沟道方向，在靠近所述漏极金属电极一侧的梳齿状场板带有规律间断分布的图形化开口，且具有相同的排列密度。

进一步地，梳齿状栅极场板上的图形化开口的个数至少为1个。

进一步地，从上至下俯视的角度上看，梳齿状栅极场板的图形化开口为矩形。

进一步地，齿状栅极场板的图形化开口具有相同的形状、大小以及间隔距离。

进一步地，所述梳齿状场板中，在栅宽的纵向上，每个图形化开口的宽度为0.1μm～10μm，相邻的两个图形化开口的间隔为0.1μm～10μm。

进一步地，在栅长的横向上，所述梳齿状栅极场板的每个图形化开口的长度不超过梳齿状栅极场板的有效长度。

一种梳齿状场板的GaN基射频器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、制备和清洗AlGaN/GaN异质结外延层：通过金属有机气相沉积在衬底上依次生长的过渡层、氮化物缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层得到AlGaN/GaN异质结外延层，利用丙酮和异丙醇去除AlGaN/GaN异质结外延层上的有机物；

步骤S2、实现器件隔离和制备源漏电极：通过光刻工艺界定有源区，利用光刻胶对有源区进行覆盖保护，利用感应耦合等离子体刻蚀对有源区以外的GaN沟道层和AlGaN势垒层异质结进行去除，刻蚀深度大于或等于AlGaN势垒层和GaN沟道层的厚度总和。再通过光刻工艺在实现隔离的有源区上定义源漏电极，通过电子束蒸发沉积源漏电极薄膜，所采用多层金属从下到上依次为Ti/Al/Ni/Au，经过剥离工艺后，将样品置于氮气氛围下快速退火，使源漏电极形成欧姆接触；

步骤S3、沉积栅极金属电极：位于漏极金属电极和源极金属电极之间，通过光刻工艺在AlGaN势垒层上定义栅极金属电极的线条图形及位置，使用电子束蒸发工艺依次沉积Ni/Au金属，通过剥离工艺实现栅极金属电极的保留。

步骤S4、沉积钝化层：在氮化物缓冲层、AlGaN势垒层、漏极金属电极、源极金属电极和栅极金属电极的上表面通过等离子增强化学气相沉积形成钝化层；

步骤S5、刻蚀漏极金属电极和源极金属电极区域的露出：通过光刻工艺在钝化层上定义漏极金属电极和源极金属电极的光刻窗口，在非源漏电极定义区域覆盖光刻胶进行保护，使用感应耦合等离子刻蚀ICP工艺，实现漏极金属电极和源极金属电极区域的露出；

步骤S6、梳齿状场板的制备：通过光刻工艺在钝化层上定义梳齿状场板的线条图形及位置，梳齿状场板与栅极金属电极或者源极金属电极电气相连，使用电子束蒸发工艺依次沉积Ni/Au金属，通过剥离工艺实现梳齿状场板的保留。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

相对于传统场板，本发明引入的带有图形化开口的梳齿状场板可以使得沟道电场更均匀，可以在优化过的传统场板上进一步提升它的击穿电压，传统场板仿真得到的击穿电压为273V图形化开口优化后的梳齿状场板在和传统场板具有相同有效长度的情况下，仿真得到的击穿电压为308V，提升约12％，重要的是梳齿状场板的制备工艺流程与传统场板一致，制备成本低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种梳齿状场板的GaN基射频器件的制备方法流程图；

图2、图3、图4、图5、图6和图7分别是本发明实施例提供的一种梳齿状场板的GaN基射频器件的制备过程中的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种梳齿状场板的GaN基射频器件的三维示意图；

图9是本发明实施例仿真的一种梳齿状场板的GaN基射频器件和传统的射频器件击穿电压曲线对比图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明实施和保护不限于此，需要指出的是，以下若有为特别详细说明的过程或工艺参数均属本领域技术人员可参照现有技术实现的。

实施例：

一种梳齿状场板的GaN基射频器件，如图8所示，从下至上包括衬底101、过渡层102、氮化物缓冲层103和GaN沟道层104、AlGaN势垒层105、钝化层106；氮化物缓冲层103上表面从一端到另一端顺次设置源极金属电极108和漏极金属电极107；AlGaN势垒层105上表面中部设置栅极金属电极109，其余位置覆盖有钝化层106；钝化层106上设置有梳齿状场板110，梳齿状场板110朝向漏极金属电极107延伸，在靠近漏极金属电极107端的梳齿状栅极场板110上设置有图形化开口。

所述衬底101优选为圆形，直径优选为2inch-6inch，在一个实施例中，直径为2inch，在另一个实施例中，直径为6inch；

所述衬底101、过渡层102、氮化物缓冲层103、GaN沟道层104、AlGaN势垒层105、钝化层106的厚度分别为0.5-2mm、0.2-1μm、500-2500nm、100-500nm、10-30nm、0.05-1μm。

在一个实施例中，所述衬底101、过渡层102、氮化物缓冲层103、GaN沟道层104、AlGaN势垒层105、钝化层106的厚度分别为0.5mm、0.2μm、500nm、100nm、10nm、0.05μm；在另一个实施例中，所述衬底101、过渡层102、氮化物缓冲层103、GaN沟道层104、AlGaN势垒层105、钝化层106的厚度分别为2mm、1μm、52500nm、500nm、30nm、1μm。

进一步地，所述梳齿状场板110位于钝化层106上，梳齿状场板110向所述漏极金属电极107的一侧延伸。

进一步地，所述梳齿状栅极场板110电连接到所述栅极金属电极109或源极金属电极108。

进一步地，所述梳齿状场板110平行于沟道方向，在靠近所述漏极金属电极107一侧的梳齿状场板110带有规律间断分布的图形化开口，且具有相同的排列密度。

进一步地，梳齿状栅极场板110上的图形化开口的个数至少为1个。

进一步地，从上至下俯视的角度上看，梳齿状栅极场板110的图形化开口为矩形。

进一步地，齿状栅极场板110的图形化开口具有相同的形状、大小以及间隔距离。

进一步地，所述梳齿状场板110中，在栅宽的纵向上，每个图形化开口的宽度为0.1μm～10μm，相邻的两个图形化开口的间隔为0.1μm～10μm。

进一步地，在栅长的横向上，所述梳齿状栅极场板110的每个图形化开口的长度不超过梳齿状栅极场板110的有效长度。

在一个实施例中，一种梳齿状场板的GaN基射频器件的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S1、制备和清洗AlGaN/GaN异质结外延层：如图2所示，通过金属有机气相沉积MOCVD在衬底101上依次生长的过渡层102、氮化物缓冲层103、GaN沟道层104、AlGaN势垒层105得到AlGaN/GaN异质结外延层，利用丙酮和异丙醇去除AlGaN/GaN异质结外延层上的有机物；

步骤S2、实现器件隔离和制备源漏电极：如图3所示，通过光刻工艺界定有源区，利用光刻胶对有源区进行覆盖保护，利用感应耦合等离子体刻蚀ICP对有源区以外的GaN沟道层104和AlGaN势垒层105异质结进行去除，刻蚀深度大于或等于AlGaN势垒层和GaN沟道层的厚度总和。再通过光刻工艺在实现隔离的有源区上定义源漏电极，通过电子束蒸发沉积源漏电极薄膜，所采用多层金属从下到上依次为Ti/Al/Ni/Au，经过剥离工艺后，将样品置于氮气氛围下快速退火，使源漏电极形成欧姆接触；

步骤S3、沉积栅极金属电极109：如图4所示，位于漏极金属电极107和源极金属电极108之间，通过光刻工艺在AlGaN势垒层105上定义栅极金属电极109的线条图形及位置，使用电子束蒸发工艺依次沉积Ni/Au金属，通过剥离工艺实现栅极金属电极的保留。

步骤S4、沉积钝化层106：如图5所示，在氮化物缓冲层103、AlGaN势垒层105、漏极金属电极107、源极金属电极108和栅极金属电极109的上表面通过等离子增强化学气相沉积PECVD沉积形成钝化层106；

步骤S5、刻蚀漏极金属电极107和源极金属电极108区域的露出：如图6所示，通过光刻工艺在钝化层106上定义漏极金属电极107和源极金属电极108的光刻窗口，在非源漏电极定义区域覆盖光刻胶进行保护，使用感应耦合等离子刻蚀ICP工艺，实现漏极金属电极107和源极金属电极108区域的露出；

步骤S6、梳齿状场板110的制备：如图7所示，通过光刻工艺在钝化层106上定义梳齿状场板110的线条图形及位置，梳齿状场板110与源极金属电极108电气相连，梳齿状场板110的电位与源极金属电极108相等，使用电子束蒸发工艺依次沉积Ni/Au金属，通过剥离工艺实现梳齿状场板110的保留。

在一个实施例中，梳齿状场板110与栅极金属电极109电气相连，梳齿状场板110的电位与栅极金属电极109相等。

在一个实施例中，如图9所示，相对于传统场板，本发明引入的带有图形化开口的梳齿状场板可以使得沟道电场更均匀，可以在优化过的传统场板上进一步提升它的击穿电压，传统场板仿真得到的击穿电压为273V图形化开口优化后的梳齿状场板在和传统场板具有相同有效长度的情况下，仿真得到的击穿电压为308V，提升约12％，重要的是梳齿状场板的制备工艺流程与传统场板一致，制备成本低。

以上公开的本申请优选实施例只是用于帮助理解本发明及核心思想。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体应用场景和实施操作上均会有改变之处，本说明书不应理解对本发明的限制。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。