CN101621004B - 提高氮化镓高电子迁移率晶体管特征频率和线性度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及提高氮化镓高电子迁移率晶体管特征频率和线性度的方法。本发明方法采用了非掺杂势垒层AlxGa1-xN，用AlN作隔离层，并在AlN缓冲层GaN之间插入一层低Al组分y的插入层AlyGa1-yN层，形成AlxGa1-xN/AlN/AlyGa1-yN/GaN结构的HEMT。通过优化势垒层AlxGa1-xN层的厚度、Al组分x的值、AlN层的厚度、插入层AlyGa1-yN的厚度和Al组分y的值，使得在AlN/AlyGa1-yN结之间形成的主二维电子气中的载流子迁移率最大，横向电场降低到一个适度的值。横向电场的降低是通过在AlyGa1-yN/GaN异质结界面形成的次二维电子气对主二维电子气形成屏蔽作用达到。最后获得的器件栅压较大范围内变化时，跨导变化比较小，实现器件的最大特征频率和线性度。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及一种提高微波功率器件特征频率和线性度的方法，具体是提高氮化镓高电子迁移率晶体管特征频率和线性度的方法。
背景技术
随着无线通信的迅速发展，对微波放大器的性能要求越来越高，即要求高频、低噪声、高功率、高效率和高线性度。在传统的通信系统中，低频下，硅器件占据着主要市场，在微波毫米波频段砷化镓器件占据主导和支配地位。近年来随着工艺技术的发展，硅器件也已经可以工作到毫米波频段，但是硅器件的低功率密度无法满足高功率器件的要求。能够工作了微波毫米波频段的砷化镓器件，在高功率性能上也已经接近它的极限值。AlGaN/GaN HEMT器件由于其高击穿电压和高频性能使得它成为下一代无线基站及军事应用中功率放大器具有潜力的器件，同时线性度和噪声性能上显示出的优势也受到人们的极大关注和研究。
与硅和砷化镓材料相比，氮化镓材料有着更优良的电学性能，如：氮化镓能带隙Eg(3.4eV)几乎是硅(1.1eV)和砷化镓(1.4eV)的3倍；氮化镓的击穿电场EBr(4MV/cm)是硅(0.57MV/cm)和砷化镓(0.64MV/cm)的7倍；氮化镓的最大工作温度Tmax(700℃)是硅(300℃)和砷化镓(300℃)的2倍多；氮化镓的电子迁移率μ(1500cm2/Vs)也高于硅(700cm2/Vs)，尽管它低于砷化镓(5000cm2/Vs)，但是铝镓氮/镓氮(AlxGa1-xN/GaN)异质结形成的二维电子气浓度ns(10～15*1012cm2)是铟铝砷/铟镓砷(InAlAs/InGaAs)(3～5*1012cm2)和铟镓砷/镓砷(AlGaAs/GaAs)(1.5*1012cm2)的3到10倍；同时铝镓氮/镓氮高电子迁移率晶体管(AlxGa1-xN/GaN HEMT)的电子最大速度vp(2.5*107cm/s)和饱和速度vsat(2*107cm/s)也比铟镓砷/镓砷高电子迁移率晶体管(AlGaAs/GaAsHEMT)的电子最大速度vp(2*107cm/s)和饱和速度vsat(0.8*107cm/s)高。正是由于氮化镓材料优良的电学性能使得AlxGa1-xN/GaN HEMT成为具有高频、高功率密度、高温、高线性和低噪声器件，也使得它成为未来高级通信网络中的放大器、调制器和其它关键器件的主要替代者。在手机基站、汽车、航空和相控阵雷达等军民用领域都有着广泛的应用。比如，目前手机基站中的放大器已经接近其性能的极限，它是采用效率只有10％的硅芯片技术，这就意味着到达晶体管的能量中有90％以热量的形式浪费了，氮化镓晶体管可将基站放大器的效率提高到现在的两倍或三倍，因此可以用较少数量的基站覆盖同样的地区。或者，更可能的情况是，在基站数量不变的情况下提供更高的数据传输速率。由于不再需要强力风扇和校正电路，整个基站有可能缩小到只有小型电冰箱的大小，可以安装在电线杆上，而不必占据电话公司中心局中昂贵的空间。对无线通讯音视频应用中，放大器的非线性将引起声音和图像的失真，为了得到高质量的音视频，就要求器件具有高线性度。
但常规的AlGaN/GaN HEMT仍然存在着器件的缓冲层隔离和线性度进一步提高问题。大部分工作集中在器件制造技术和AlGaN势垒层上，通过对势垒层最佳化以及对缓冲层晶体质量的改善来解决上述问题。但是器件整体性能并没有好转或者说是以牺牲某些特性为代价。我们提出了一种新型的非掺杂复合沟道HEMT，并用实验方法证明了该器件较常规结构的器件具有更好的线性度。采用非掺杂AlGaN作为势垒层，AlN作为隔离层，可以有效降低散射，提高沟道内二维电子气的迁移率，表现在器件的特性上为器件频率的提高；通过复合沟道的设置，次沟道对主沟道二维电子气中载流子在强电场下的屏蔽作用，器件线性度提高；通过对外延层结构参数的改变，得到最佳优化外延层结构。
发明内容
本发明的目的就是提供一种通过优化器件外延层结构参数提高氮化镓高电子迁移率晶体管特征频率和线性度的方法。
本发明方法采用了非掺杂势垒层AlxGa1-xN，用AlN作隔离层，并在AlN缓冲层GaN之间插入一层低Al组分y的插入层AlyGa1-yN层，形成AlxGa1-xN/AlN/AlyGa1-yN/GaN结构的HEMT。通过优化势垒层AlxGa1-xN层的厚度、Al组分x的值、AlN层的厚度、插入层AlyGa1-yN的厚度和Al组分y的值，使得在AlN/AlyGa1-yN结之间形成的主2DEG(二维电子气)中的载流子迁移率最大，横向电场ET降低到一个适度的值；横向电场ET的降低是通过在AlyGa1-yN/GaN异质结界面形成的次2DEG(二维电子气)对主2DEG形成屏蔽作用达到。最后获得的器件栅压较大范围内变化时，跨导变化比较小，实现器件的最大特征频率和线性度。
本发明方法是在蓝宝石、硅或碳化硅基底上外延生长多层异质结结构，形成一种高线性度的高电子迁移率晶体管AlxGa1-xN/AlN/AlyGa1-yN/GaN结构的HEMT。具体步骤是：
步骤(1)在蓝宝石、硅或碳化硅基底上外延生长厚度为2.5μm缓冲层GaN；
步骤(2)在缓冲层上外延生长厚度为8nm的低Al组分的插入层Al0.04Ga0.96N；
步骤(3)在插入层Al0.04Ga0.96N上外延生长厚度为1nm的隔离层AlN，主要是提高Al0.31Ga0.69N/Al0.04Ga0.96N结的势垒导带差；
步骤(4)在隔离层AlN上外延生长厚度为20nm非掺杂的Al0.27Ga0.73N势垒层；
步骤(5)在势垒层上外延生长厚度为2nm的非掺杂的帽层Al0.27Ga0.73N；
步骤(6)在帽层上按照常规方法研制晶体管的栅极、源极和漏极，栅极金属为Ni/Au(镍/金)，源极和漏极金属为钛/铝/镍/金(Ti/Al/Ni/Au)。
本发明方法中各层的外延生长采用常规技术手段，本发明的发明点在于器件的外延层结构以及各外延层的相关参数。
本发明通过改变器件的外延层结构，同时优化外延层结构的相关参数，使得器件在工作时栅极电压在一定范围工作范围内器件的跨导变化很小，器件具有较高的线性度。
附图说明
图1为本发明具体实例的跨导与栅极电压关系示意图。
具体实施方式
一种提高氮化镓高电子迁移率晶体管线性度的方法，具体步骤是：
步骤(1)在蓝宝石基底上外延生长厚度为2.5μm缓冲层GaN；
步骤(2)在缓冲层上外延生长厚度为8nm的低Al组分的插入层Al0.04Ga0.96N；
步骤(3)在插入层Al0.04Ga0.96N上外延生长一层厚度为1nm的隔离层AlN，主要是提高AlN/Al0.04Ga0.96N结的势垒导带差，提高二维电子气中载流子的迁移率；
步骤(4)在隔离层AlN上外延生长厚度为20nm非掺杂的Al0.27Ga0.73N势垒层；
步骤(5)在势垒层上外延生长厚度为2nm的非掺杂的帽层Al0.27Ga0.73N；
步骤(6)在帽层上按照常规方法研制晶体管的栅极、源极和漏极，栅极金属为Ni/Au(镍/金)，源极和漏极金属为钛/铝/镍/金(Ti/Al/Ni/Au)，选择器件的栅长为1μm，栅宽为100μm，栅极与源极、栅极与漏极之间距离都为1μm。
由图1可见，Al0.31Ga0.96N/Al0.04Ga0.96N/GaN HEMT的最大跨导约为260mS/mm，器件在栅压为-3到OV之间曲线幅度变化很小，表明器件具有较好的线性度。
Claims (1)
1.提高氮化镓高电子迁移率晶体管特征频率和线性度的方法，其特征在于该方法的具体步骤是：
步骤(1)在蓝宝石、硅或碳化硅基底上外延生长厚度为2.5μm缓冲层GaN；
步骤(2)在缓冲层上外延生长厚度为8nm的低Al组分的插入层Al0.04Ga0.96N；
步骤(3)在插入层Al0.04Ga0.96N上外延生长厚度为1nm的隔离层AlN；
步骤(4)在隔离层AlN上外延生长厚度为20nm非掺杂的Al0.27Ga0.73N势垒层；
步骤(5)在势垒层上外延生长厚度为2nm的非掺杂的帽层Al0.27Ga0.73N；
步骤(6)在帽层上按照常规方法研制晶体管的栅极、源极和漏极，栅极金属为镍/金，源极和漏极金属为钛/铝/镍/金。
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