[发明专利]低频率损耗GaN基微波功率器件及其制作方法

说明书

本发明公开了一种低频率损耗GaN基微波功率器件，自下而上包括衬底层(1)、成核层(2)、缓冲层(3)和势垒层(4)，势垒层的两端分别设有源电极(5)和漏电极(6)，其中源电极(5)与漏电极(6)之间的势垒层上依次设有SiN钝化层(7)和BN钝化层(8)，该两层钝化层的中部刻蚀有开孔，开孔中引出半浮空栅电极(9)。本发明通过采用低介电常数、低电容材料BN与SiN组成复合钝化层，较传统钝化技术相比，减小了栅漏寄生电容和栅源寄生电容，降低了器件的频率损耗，可用于通讯、卫星导航、雷达系统和基站系统中。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种低频率损耗GaN基微波功率器件，可用于通讯，卫星导航，雷达系统和基站系统中。

背景技术

随着科技水平的提高，现有的第一、第二代半导体材料已经无法满足更高频率、更高功率电子器件的需求，而基于氮化物半导体材料的电子器件则可满足这一要求，大大提高了器件性能，使得以GaN为代表的第三代半导体材料在微波毫米波器件制造中有了广泛的应用。GaN是一种新型宽禁带化合物半导体材料，具有许多硅基半导体材料所不具备的优良特性，如宽禁带宽度，高击穿电场，以及较高的热导率，且耐腐蚀，抗辐射等。进入二十世纪90年代后，由于P型掺杂技术的突破以及成核层技术的引入，使得GaN材料得到快速的发展。GaN材料可以形成AlGaN/GaN异质结构，这种异质结构不仅在室温下能获得很高的电子迁移率，以及极高的峰值电子速度和饱和电子速度，而且可以获得比第二代化合物半导体异质结更高的二维电子气浓度。这些优势使得AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管在微波毫米波频段的大功率、高效率、宽带宽、低噪声性能方面显著超过了GaAs基HEMT和InP基HEMT。

然而，电流崩塌已经成为限制AlGaN/GaN器件微波功率密度的主要因素。电流崩塌效应仍然是AlGaN/GaN HEMT器件进一步发展的瓶颈问题。

目前，在国内外，在器件工艺中普遍采用表面钝化技术来抑制电流崩塌效应，增强器件对外来离子玷污的阻挡能力，有效减少表面态带来的电流崩塌，这些方法有：

2008年Masataka Higashiwaki等人采用高Al组分AlGaN势垒层和Cat-CVD生长SiN钝化层等措施，在4H-SiC衬底上生长了栅长为60nm的AlGaN/GaN HEMT器件，其中2DEG面密度为2×10¹³cm^-2，器件的2DEG迁移率为1900cm2/(V·s)，饱和电流为1.6A/mm，f_T和f_max分别达到了190GHz和241GHz，见参考文献Masataka Higashiwaki,Takashi Mimura,ToshiakeMatsui Ga N-based FETs using Cat-CVD Si N passivation for millimeter-waveapplications Thin Solid Film 516(2008)548-552。

2010年，Haifeng Sun等人在SiC衬底上制备了100nm栅长近晶格匹配的，Al_0.86In_0.14N/AlN/GaN HEMT结构，截止频率f_T达到了144GHz。随后，他们通过去除T型栅周围的SiN钝化层，减小寄生栅电容影响，55nm栅长的器件表现出205GHz的截止频率和191GHz的最高振荡频率，见参考文献H.Sun,A.R.Alt,H.Benedickter,et al.100-nm-gate(Al,In)N/GaN HEMTs grown on SiC with f_T＝144GHz[J].IEEE Electron Device Letters,2010,31(4):293–295；H.Sun,A.R.Alt,H.Benedickter,et al.205-GHz(Al,In)N/GaN HEMTs[J].IEEE Electron Device Letters,2010,31(9):957–959.