[发明专利]一种大栅宽的GaN基微波功率器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及可用于高频率、高功率的无线通信、雷达等领域的一种大栅宽的GaN基微波功率器件及其制造方法。

背景技术

随着现代武器装备和航空航天、核能、通信技术、汽车电子、开关电源的发展，对半导体器件的性能提出了更高的要求。作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。另外，GaN还具有优良的电子特性，可以和AlGaN形成调制掺杂的AlGaN/GaN异质结构，该结构在室温下可以获得高于1500cm²/Vs的电子迁移率，以及高达3×10⁷cm/s的峰值电子速度和2×10⁷cm/s的饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质结构更高的二维电子气密度，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN异质结的微波功率器件在高频率、高功率的无线通信、雷达等领域具有非常好的应用前景。

GaN基微波功率器件的总输出功率和器件的栅极宽度密切相关，为了提高器件的总功率，就要增大器件的栅宽。然而简单地增加单个栅指的宽度会增大寄生电阻。从节省芯片面积、提高成品率、减小电信号的相移等多种因素考虑，合理的做法是采用多栅结构，即采用多根较小宽度的栅组合成较大的栅宽。常见的多栅结构有平行栅和鱼骨形栅两种。在平行栅结构中，信号从栅电极输入，分配到每个栅指，放大后再漏端被收集。中间的栅指信号和两侧的栅指信号有明显的相差，造成漏端信号产生相移。栅指个数越多，这种情况越严重，所造成的功率附加效率的下降越多。在鱼骨形栅结构中，信号向更远的栅指单元传输时，栅指上信号的传输路程增大，则漏极收集信号再传递出去的路程减小，反之亦然，因此信号传输的总路程不变，每个栅指单元信号所经历的总路程相同。不同栅指间信号的相移大为缩小，使功率附加效率提高。同时，鱼骨形栅结构的栅指向两侧分布，还更利于器件散热。鱼骨形栅结构的缺点是每个漏端的空气桥都要从栅和源电极上跨过，造成较大的寄生电容，使得信号增益下降。综合来看，平行栅结构和鱼骨形栅结构在提高器件总功率的同时，也带来了功率附加效率下降、信号增益下降等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺陷，从优化器件栅指分布的角度提出一种大栅宽的GaN基微波功率器件及其制造方法，提高器件的总输出功率和效率、减小芯片面积、降低工艺难度、提高良品率。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种大栅宽的GaN基微波功率器件及其制造方法，其特征在于该器件包括AlGaN/GaN异质结外延层、覆盖在AlGaN/GaN异质结外延层上的第一介质层、长条状的源电极、鱼骨状分布的漏电极、环状的栅电极、隔离上下两层电极的第二介质层、互连金属电极pad。

进一步地，AlGaN/GaN异质结外延层从下至上包括衬底、氮化物成核层、氮化物缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层；衬底材质为蓝宝石、硅或碳化硅，氮化物成核层为GaN或AlN，氮化物缓冲层为GaN、AlGaN、渐变组分AlGaN或其组合，GaN沟道层和AlGaN势垒层之间具有高电子迁移率的二维电子气。

进一步地，覆盖在AlGaN/GaN异质结外延层上的第一介质层为SiN、SiO2、SiON、Ga2O3、Al2O3、AlN、HfO2中的一种，或者是其组合而成多层结构，厚度为10nm～50nm。

进一步地，源电极和漏电极贯穿整个第一介质层，与AlGaN势垒层接触。形成源电极和漏电极的材料为Ti/Al多层金属体系，如Ti/Al/Ni/Au。源电极和漏电极通过高温退火与AlGaN势垒层形成欧姆接触。

进一步地，有多根长条状的源电极平行地分布在AlGaN/GaN异质结外延层的表面，形成多个栅指单元。

进一步地，多根漏电极以类似鱼骨的形状分布在AlGaN/GaN异质结外延层的表面，每根鱼刺(漏电极)都与源电极平行，所有的漏电极均通过中间的鱼脊连接在一起。且每根漏电极都与一根源电极形成一个栅指单元，所有漏电极和源电极构成多个栅指单元。

进一步地，栅电极在第一介质层之上，底部与第一介质层接触，栅电极与AlGaN/GaN异质结外延层之间是第一介质层。形成栅电极的材料为Ni/Au等具有良好导电性的多层金属体系。

进一步地，栅电极分布在源电极和漏电极之间，以环状的形式包围源电极，与一根源电极和一根漏电极组成一个栅指单元。