CN113488463B - 新型GaN共源放大器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型GaN共源放大器的制备方法，该制备方法包括：在n型高掺杂自支撑GaN衬底上生长外延结构，所述外延结构包括外延层以及AlGaN缓冲层，并在此外延结构表面顺序镀上一个源极、两个漏极以及一个栅极；在两个漏极之间注入离子，形成新型GaN共源放大器。本发明还提供一种新型GaN共源放大器。本制备方法将离子掺入GaN当中会对GaN的晶体结构造成一定的破坏，从而减少其中载流子的运动而使这部分区域的电阻变大，无需外加电阻，减少了生产的工序，增加产品的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种新型GaN共源放大器及其制备方法。
背景技术
放大电路是由晶体三极管(或场效应管)、电容器，电阻及电源等组成的。放大电路通过电能转换把微弱的电信号增强到所要求的电压、电流或功率值，即利用晶体三极管(或场效应管)的放大和控制作用把电源的能量转换为与输入量成比例变化的输出量。
共源放大器，又称共源极放大器(common-source)，与共栅极和共漏极共同组成场效应晶体管(field-effect transistor，FET)放大器电路，是放大器电路的基本组成，共源放大器通常被用作功率放大器。如附图1所示，在场效应晶体管放大器电路中，共栅极作为输入端(G)，共漏极作为输出端(D)，共源极(S)作为共用端(对于nmos管，常接地)。对于交流信号而言，共源极是共同端，因此，上述电路通常被称作共源放大电路。
现有的共源放大器往往通过外加电阻的方式来调控放大器的放大倍数，不仅增加生产的工序，外加电阻在使用过程中的损耗可能导致其放大性能不稳定，减少产品的使用寿命。
发明内容
本发明实施例提供一种新型GaN共源放大器及其制备方法，旨在解决现有制备方法制备工序复杂，外加电阻在使用过程中的损耗导致其放大性能不稳定的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种新型GaN共源放大器的制备方法，所述方法包括如下步骤：
在n型高掺杂自支撑GaN衬底上生长外延结构，所述外延结构包括外延层以及AlGaN缓冲层；
在所述外延结构表面顺序镀上一个源极、两个漏极以及一个栅极；
在两个所述漏极之间注入离子，形成所述新型GaN共源放大器。
进一步的，所述在所述GaN上表面顺序镀上一个源极、两个漏极以及一个栅极的步骤之前，还包括：
将所述GaN外延结构的AlGaN势垒层和n-型GaN层以刻蚀的方式刻蚀，以在所述GaN外延结构上形成台柱结构。
进一步的，所述在所述GaN外延结构上表面顺序镀上一个源极、两个漏极以及一个栅极的步骤包括：
在所述GaN外延结构的AlGaN势垒层表面沉积Ti/Al/Ni/Au金属薄膜制作所述源极和两个所述漏极，高温快速退火形成所述源极和所述漏极电极与所述AlGaN势垒层的欧姆接触；
在所述GaN的AlGaN势垒层表面沉积Ni/Au金属薄膜制作所述栅极，所述栅极位于所述源极与所述漏极之间。
进一步的，所述在所述GaN外延结构上表面顺序镀上一个源极、两个漏极以及一个栅极的步骤包括：
在所述GaN外延结构的AlGaN势垒层表面沉积Ti/Al/Pt/Au金属薄膜制作所述源极和两个所述漏极，高温快速退火形成所述源极和所述漏极电极与所述AlGaN势垒层的欧姆接触；
在所述GaN外延结构的AlGaN势垒层表面沉积Ti/Au金属薄膜制作所述栅极，所述栅极位于所述源极与所述漏极之间。
进一步的，在两个所述漏极之间注入的离子为氦离子、氟离子中的任意一个。
进一步的，所述将n型高掺杂自支撑GaN衬底生长成GaN外延结构的步骤包括：
采用有机化学气相沉积法在所述n型高掺杂自支撑GaN衬底上依次生长n+型GaN和n-型GaN；
采用等离子体增强化学气相沉积方法或原子层沉积方法在所述GaN衬底表面沉积一层AlGaN势垒层。
进一步的，所述n+型GaN的厚度为1～4μm，载流子浓度为5x1017～3x1018cm-3；所述n-型GaN的厚度为15～30μm，载流子浓度为4x1015～1x1016cm-3；所述AlGaN势垒层的厚度为15～30nm。
进一步的，所述n+型GaN的厚度为1.5～3μm，载流子浓度为1x1018～2x1018cm-3；所述n-型GaN的厚度为20～25μm，载流子浓度为6x1015～9x1015cm-3；所述AlGaN势垒层的厚度为20～25nm。
进一步的，所述n+型GaN的厚度为2μm，载流子浓度为1.5x1018cm-3；所述n-型GaN的厚度为23μm，载流子浓度为8x1015cm-3；所述AlGaN势垒层的厚度为20nm。
此外，本申请还提供一种新型GaN共源放大器所述新型GaN共源放大器由上述任一所述制备方法制备获得。
本发明中新型GaN共源放大器的制备方法，首先将n型高掺杂自支撑GaN衬底生长成GaN外延结构，再依次在生长成的GaN外延结构上镀上一个源极、两个漏极和一个栅极，在两个所述漏极之间注入离子，形成所述新型GaN共源放大器。本制备方法将离子掺入GaN当中会对GaN的晶体结构造成一定的破坏，从而减少其中载流子的运动而使这部分区域的电阻变大，无需外加电阻，减少了生产的工序，增加产品的使用寿命。
附图说明
图1是场效应晶体管放大器电路示意图；
图2是本发明实施例提供的新型GaN共源放大器的制备方法的流程图；
图3是本发明实施例中GaN外延层结构示意图；
图4是本发明实施例提供的新型GaN共源放大器制备方法的另一流程图。
图5是本发明实施例中新型GaN共源放大器制备过程的结构示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图2所示，本发明实施例提供了一种新型GaN共源放大器制备方法。所述新型GaN共源放大器制备方法包括如下步骤：
步骤S10，将n型高掺杂自支撑GaN衬底生长成外延结构，所述外延结构包括外延层以及AlGaN缓冲层；
n型高掺杂自支撑GaN衬底的掺杂剂可以采用氢基硅烷作为Si原料，具体生长方法可以是如下步骤：
1.首先准备一双面抛光的n型高掺杂自支撑GaN衬底。
2.采用有机化学气相沉积(MOCVD)在GaN衬底上依次生长n+型GaN和n-型GaN。
3.利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或原子层沉积(ALD)方法在GaN基器件结构表面沉积一层AlGaN势垒层。形成如图3所示的GaN外延结构。
其中，所述n+型GaN的厚度为1～4μm，载流子浓度为5x1017～3x1018cm-3；所述n-型GaN的厚度为15～30μm，载流子浓度为4x1015～1x1016cm-3；所述AlGaN势垒层的厚度为15～30nm。
进一步的，所述n+型GaN的厚度为1.5～3μm，载流子浓度为1x1018～2x1018cm-3；所述n-型GaN的厚度为20～25μm，载流子浓度为6x1015～9x1015cm-3；所述AlGaN势垒层的厚度为20～25nm。
优选地，所述n+型GaN的厚度为2μm，载流子浓度为1.5x1018cm-3；所述n-型GaN的厚度为23μm，载流子浓度为8x1015cm-3；所述AlGaN势垒层的厚度为20nm
此外，氮化镓(GaN)是一种重要的第三代半导体材料，因具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能，在固态光源和电力电子、微波射频器件等领域。现有的共源放大器多使用硅来制备，相较硅而言氮化镓具有更大的禁带宽度，更适合做大功率元器件。
步骤S20，在所述GaN外延结构上表面顺序镀上一个源极、两个漏极以及一个栅极；
通过在GaN外延结构的AlGaN势垒层表面光刻添加部分阻挡层，再通过热蒸汽镀膜机镀上金属薄膜作器件的源极、漏极，并通过650℃高温快速退火形成电极(源极和漏极)与AlGaN势垒层的欧姆接触；同时，使用光刻工艺制作阻挡层，再通过热蒸汽镀膜机在GaN外延结构的AlGaN势垒层表面镀上金属薄膜作器件的栅极。其中，源极和漏极采用的金属薄膜可以是Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Pt/Au；栅极采用的金属薄膜可以是Ni/Au或Ti/Au。栅极位于所述源极与所述漏极之间。
步骤S30，在两个所述漏极之间注入离子，形成所述新型GaN共源放大器。
通过离子注入的方式将离子注入到两个漏极之间，离子掺入GaN当中会对GaN的晶体结构造成一定的破坏，从而减少其中载流子的运动而使这部分区域的电阻变大，从而达到对电压的放大。注入的离子可以是氦离子或者是氦离子，还可以是其他离子。
离子注入是微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，可以将外界的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。其中氦离子掺入GaN当中会对GaN的晶体结构造成一定的破坏，从而减少其中载流子的运动而使这部分区域的电阻变大。
本发明中新型GaN共源放大器的制备方法，首先将n型高掺杂自支撑GaN衬底生长成GaN外延结构，再依次在生长成的GaN外延结构上镀上一个源极、两个漏极和一个栅极，在两个所述漏极之间注入离子，形成所述新型GaN共源放大器。本制备方法将离子掺入GaN当中会对GaN的晶体结构造成一定的破坏，从而减少其中载流子的运动而使这部分区域的电阻变大，无需外加电阻，减少了生产的工序，增加产品的使用寿命。
实施例二
如图4所示，本发明实施例提供了一种新型GaN共源放大器制备方法。在上一实施例的基础上，所述步骤S20之前，该新型GaN共源放大器制备方法还包括如下步骤：
步骤S40，将所述GaN外延结构的AlGaN势垒层和n-型GaN层以干法刻蚀的方式刻蚀，以在所述GaN外延结构上形成台柱结构。
在GaN外延结构AlGaN势垒层表面进行一次光刻添加部分阻挡层，之后通过刻蚀的方法将未阻挡的器件两边刻蚀掉，从而将AlGaN势垒层和n-型GaN层以刻蚀的方式刻蚀出台柱结构，通过台柱结构来防止电流在基片上传导而影响器件性能。
将GaN外延结构上形成台柱结构后，在台柱上表面顺序镀上一个源极、两个漏极以及一个栅极；并在两个所述漏极之间注入离子，形成所述新型GaN共源放大器。通过离子注入的方式将离子注入到两个漏极之间，离子掺入GaN当中会对GaN的晶体结构造成一定的破坏，从而减少其中载流子的运动而使这部分区域的电阻变大，从而达到对电压的放大。
本发明中新型GaN共源放大器制备方法中新型GaN共源放大器的结构示意图如图5所示。
1、将n型高掺杂自支撑GaN衬底采用有机化学气相沉积(MOCVD)方法生长出n+型GaN和n-型GaN。再采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或原子层沉积(ALD)方法在GaN基器件结构表面沉积一层AlGaN势垒层，形成GaN外延结构。
2、将AlGaN势垒层和n-型GaN层以刻蚀的方式刻蚀出台柱结构；
3、在台柱上表面顺序镀上一个源极和两个漏极。通过在GaN外延结构的AlGaN势垒层表面光刻添加部分阻挡层，再通过热蒸汽镀膜机镀上金属薄膜作器件的源极(S)和漏极(D与Vdd)，并通过650℃高温快速退火形成电极(源极和漏极)与AlGaN势垒层的欧姆接触；
4、使用光刻工艺制作阻挡层，再通过热蒸汽镀膜机在GaN外延结构的AlGaN势垒层表面镀上金属薄膜作器件的栅极(G)。
5、通过离子注入的方式将离子注入到两个漏极(D与Vdd)之间，离子掺入GaN当中会对GaN的晶体结构造成一定的破坏，从而减少其中载流子的运动而使这部分区域的电阻变大，从而达到对电压的放大。注入的离子可以是氦离子或者是氟离子等其他离子。
在本实施例中，在GaN上表面顺序镀上一个源极、两个漏极以及一个栅极的步骤之前，将所述GaN的AlGaN势垒层和n-型GaN层以刻蚀的方式刻蚀，以在所述GaN上形成台柱结构。在台柱的表面执行顺序镀上一个源极、两个漏极以及一个栅极，以及后续在两个漏极之间注入离子的操作。通过台柱结构来防止电流在基片上传导而影响器件性能。
此外，本发明新型GaN共源放大器的制备方法同样适用于于制备以SiC为衬底的放大器。
进一步的，本发明还提供一种新型GaN共源放大器，所述新型GaN共源放大器采用上述实施例的制备方法制备获得。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN共源放大器的制备方法，其特征在于，所述共源放大器的制备方法包括如下步骤：
在n型高掺杂自支撑GaN衬底上生长GaN外延结构，所述GaN外延结构包括外延层以及AlGaN势垒层；
在所述GaN外延结构表面顺序镀上一个源极、一个漏极和一个Vdd极以及一个栅极；
在所述漏极和Vdd极之间注入离子，离子掺入所述GaN外延结构当中会对GaN外延结构的晶体结构造成一定的破坏，减少其中载流子的运动而使这部分区域的电阻变大，达到对电压的放大，形成所述GaN共源放大器。
2.根据权利要求1所述的GaN共源放大器的制备方法，其特征在于，所述在所述GaN外延结构表面顺序镀上一个源极、一个漏极和一个Vdd极以及一个栅极的步骤之前，还包括：
将所述GaN外延结构的AlGaN势垒层和n-型GaN层以刻蚀的方式刻蚀，以在所述GaN外延结构上形成台柱结构。
3.根据权利要求1所述的GaN共源放大器的制备方法，其特征在于，所述在所述GaN外延结构表面顺序镀上一个源极、一个漏极和一个Vdd极以及一个栅极的步骤包括：
在所述GaN外延结构的AlGaN势垒层表面沉积Ti/Al/Ni/Au金属薄膜制作所述源极和、漏极和Vdd极，高温快速退火形成所述源极和所述漏极与所述AlGaN势垒层的欧姆接触；
在所述GaN外延结构的AlGaN势垒层表面沉积Ni/Au金属薄膜制作所述栅极，所述栅极位于所述源极与所述漏极之间。
4.根据权利要求1所述的GaN共源放大器的制备方法，其特征在于，所述在所述GaN外延结构表面顺序镀上一个源极、一个漏极和一个Vdd极以及一个栅极的步骤包括：
在所述GaN外延结构的AlGaN势垒层表面沉积Ti/Al/Pt/Au金属薄膜制作所述源极、漏极和Vdd极，高温快速退火形成所述源极和所述漏极与所述AlGaN势垒层的欧姆接触；
在所述GaN外延结构的AlGaN势垒层表面沉积Ti/Au金属薄膜制作所述栅极，所述栅极位于所述源极与所述漏极之间。
5.根据权利要求1所述的GaN共源放大器的制备方法，其特征在于，在所述漏极和Vdd极之间注入的离子为氦离子和氟离子中的任意一个。
6.根据权利要求1-5任一所述的GaN共源放大器的制备方法，其特征在于，所述在n型高掺杂自支撑GaN衬底生长成GaN外延结构的步骤包括：
采用有机化学气相沉积法在所述n型高掺杂自支撑GaN衬底上依次生长n+型GaN和n-型GaN；
采用等离子体增强化学气相沉积方法或原子层沉积方法在所述GaN衬底表面沉积一层AlGaN势垒层。
7.根据权利要求6所述的GaN共源放大器的制备方法，其特征在于，所述n+型GaN的厚度为1~4μm，载流子浓度为5 x1017~3x1018cm-3；所述n-型GaN的厚度为15~30μm，载流子浓度为4x1015~1x1016cm-3；所述AlGaN势垒层的厚度为15~30nm。
8.根据权利要求7所述的GaN共源放大器的制备方法，其特征在于，所述n+型GaN的厚度为1.5~3μm，载流子浓度为1x1018~2x1018cm-3；所述n-型GaN的厚度为20~25μm，载流子浓度为6x1015~9x1015cm-3；所述AlGaN势垒层的厚度为20~25nm。
9.根据权利要求8所述的GaN共源放大器的制备方法，其特征在于，所述n+型GaN的厚度为2μm，载流子浓度为1.5x1018cm-3；所述n-型GaN的厚度为23μm，载流子浓度为8x1015cm-3；所述AlGaN势垒层的厚度为20nm。
10.一种GaN共源放大器，其特征在于，所述GaN共源放大器由权利要求1-9任一所述制备方法制备获得。
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