[发明专利]一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构

说明书

技术领域

本发明属于通信电子元器件技术领域，具体涉及到氮化镓（GaN）宽禁带半导体器件结构设计领域。

背景技术

宽禁带半导体材料具有击穿场强、饱和电子迁移速率高、热导率高和抗辐射等优点，同时AlGaN/GaN异质结构禁带宽度差别大，可积聚起高密度的二维电子气（2DEG），使得AlGaN/GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）在高频、高功率、低噪声器件等方面显示出强大的优势。同时GaN高电子迁移率晶体管器件具有较强的鲁棒特性，能够承受较高的输入功率，提高器件的动态范围，降低限幅电路的使用，节约电路设计制造成本。目前,GaN器件结构研究侧重在于如何提高功率密度方面，对于适用于微波毫米波的氮化镓低噪声器件涉及较少。设计氮化镓低噪声放大器模块和单片所选用的晶体管多为制作功率放大器所设计的管芯结构。这样的结构并没有完全将氮化镓材料迁移率高，电子饱和速率大，导带不连续性大，势阱深等适用于低噪声的优异性能体现出来。所以研究适用于微波毫米波的氮化镓基高电子迁移率晶体管低噪声器件对国防与民用通信具有重要的意义。

现有技术中，传统上用于制作氮化镓低噪声电路设计的晶体管结构如图1所示，在衬底材料4H-SiC、AlN材料、氮化镓（GaN）缓冲层上直接外延生长AlGaN（铝镓氮）势垒层，AlGaN势垒层中铝的成分为15%~40%之间（见公开文献DC,RF,and Microwave Noise Performance of AlGaN–GaN Field Effect Transistors Dependence of Aluminum Concentration Wu Lu,Vipan Kumar,Edwin L.Piner,and Ilesanmi Adesida IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.50,NO.4,APRIL 2003），这样的器件结构在低噪声方面运用有以下三个主要缺点：（1）由于铝原子与镓原子成分比例不相同，铝镓原子在晶体中随机排列，对晶体中存在的周期性势场产生微扰，从而引发载流子的合金散射，导致沟器件噪声性能降低。同时低噪声放大器的偏置电路设计中，一般选择工作电流为饱和电流的10%~15%，使晶体管工作在高场区。其后果在于势阱中偏向缓冲层一侧的势垒降低，沟道电子向缓冲层泄漏，沟道中电子气浓度降低，沟道电流减小，增加了沟道电流的纵向波动，从而降低了器件的噪声性能。（2）直接在GaN缓冲层上外延生长AlGaN势垒层，在GaN缓冲层生长过程中，由于工艺的原因，生长的GaN薄膜具有不连续性，表面粗糙，从而降低了AlGaN势垒层的生长质量，导致AlGaN势垒层缺陷较多，降低了器件的跨导与增益。同时由于陷阱效应影响沟道中二维电子气的横向运动，增加了沟道电流的波动，降低器件的噪声性能。（3）二维电子气在运动过程中，电子会直接隧穿进入AlGaN势垒层，导致栅极泄漏电流，导致噪声恶化。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的氮化镓基晶体管结构的不足，提出了一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构。

本发明的技术方案是：一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，包括从下往上依次层叠的衬底、位于衬底之上的氮化铝成核层、位于氮化铝成核层之上的氮化镓缓冲层，其特征在于，所述氮化镓缓冲层之上还依次层叠有用于改善器件界面粗糙程度的铟镓氮插入层、用于提高势垒的氮化铝插入层、铝镓氮隔离层，铝镓氮电子提供层，铝镓氮势垒层和分别与铝镓氮势垒层欧姆连接的源极、栅极和漏极。

上述铝镓氮势垒层之上，源极和漏极之间，栅极之下的区域还层叠有氮化硅钝化层。

上述栅极采用可以降低栅极接触电阻的T形槽栅结构，T形槽栅结构的下部贯穿氮化硅钝化层与铝镓氮势垒层后欧姆连接。

本发明的有益效果是：由于铟镓氮插入层可以改善器件的界面特性，提高高电子迁移率晶体管中的二维电子气的迁移率，同时氮化铝插入层与铟镓氮插入层之间所形成的异质结相比传统的AlGaN层与GaN层形成的异质结，具有的更大的禁带宽度差，形成的二维势阱更深，可以将二维电子气更好的束缚在势阱中，降低沟道层中杂质对二维电子气的散射，增加二维电子气的饱和速率和迁移率。提高了器件的噪声性能，特别是其高频噪声性能。

附图说明

图1是传统的AlGaN/GaN结构的高电子迁移率晶体管的结构示意图。

图2是本发明的AlGaN/AlN/InGaN/GaN结构的高电子迁移率晶体管的结构示意图。

图3是图2中铝镓氮势垒层的立体结构示意图。