CN114078966B - 一种复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件领域，提供了一种复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，其特征在于，包括：衬底，由SiC上AlGaN/GaN制成；源电极，设置在衬底上方；漏电极，设置在衬底上方；栅电极，设置在衬底上方，位于源电极与漏电极之间；以及复合沟道，包括二维电子气沟道以及多晶硅电流沟道，其中，二维电子气沟道包括衬底的AlGaN层以及GaN层，多晶硅电流沟道包括多个长度不相等的凹陷沟道以及多晶硅层，多晶硅层设置于衬底的GaN层以及漏电极之间，凹陷沟道设置于漏电极以及二维电子气沟道之间，器件还包括掩蔽层，掩蔽层设置在凹陷沟道以及部分二维电子气沟道的AlGaN层之间，源电极包括第一金属层述栅电极包括第二金属层，漏电极包括第三金属层，多晶硅电流沟道为n型掺杂多晶硅。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件及其制造方法。
背景技术
GaN第三代半导体因具有较宽的禁带宽度(3.4eV)、高击穿场强(3MV/cm)以及在室温可以获得很高的电子迁移率(1500cm2/(V·s))、极高的峰值电子速度(3×107cm/s)和高二维电子气浓度(2×1013cm2)，AlGaN/GaN HEMTs功率器件正在逐渐取代RF-LDMOS、GaAs功率器件，成为相控阵雷达中T/R组件的首选微波功率器件。另一方面，随着5G通信对海量数据宽带传输的迫切需求，在高频段工作且有高功率密度优势的AlGaN/GaN HEMTs器件在民用无线通信中又将大展身手，但在针对5G新应用以及GaAs功率密度较低的弊端，微波射频GaN器件亟待同时突破低膝点电压、大电流驱动能力、高频率特性等技术瓶颈，以实现用数量更少的GaN微波器件满足应用终端、中继层设备对高功率密度以及小型化的要求。
低电压下的高功率密度应用是近些年GaN固态电子器件研究的热点之一。目前多采用增加GaN器件的栅宽Wg来获得更高的射频电流，但较长的栅宽Wg不但给版图设计增加了难度，也因芯片面积较大，给GaN射频器件的一致性提出了较高的要求。另一方面，虽然GaAs具有微波毫米波频段的低电压应用优势，能较好地满足移动终端的应用，但存在单位射频电流偏低的弊端，制约了它在5G/6G宽带通信的应用，故具有高功率密度优势的GaN射频器件若能突破自身在膝点电压、低电压应用较GaAs高的技术难点，将有望在微波毫米波低压功率应用中成为取代GaAs的新微波固态器件。目前采用微缩栅源Lgs、栅漏Lgd减小沟道电阻以降低膝点电压，这不但对光刻等关键工艺提出了苛刻的要求，并且未能有效地改善低电压下单位射频电流的微波性能。
发明内容
为解决上述问题，提供一种复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，其特征在于，包括：衬底，由SiC上AlGaN/GaN制成；源电极，设置在衬底上方；漏电极，设置在衬底上方；栅电极，设置在衬底上方，位于源电极与漏电极之间；以及复合沟道，包括二维电子气沟道以及多晶硅电流沟道，其中，二维电子气沟道包括衬底的AlGaN层以及GaN层，多晶硅电流沟道包括多个长度不相等的凹陷沟道以及多晶硅层，多晶硅层设置于衬底的GaN层以及漏电极之间，凹陷沟道设置于漏电极以及二维电子气沟道之间，器件还包括掩蔽层，掩蔽层设置在凹陷沟道以及部分二维电子气沟道的AlGaN层之间，源电极包括第一金属层述栅电极包括第二金属层，漏电极包括第三金属层，多晶硅电流沟道为n型掺杂多晶硅。
本发明提供的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，其中，漏电极的长度为5μm～10μm。
本发明提供的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，还可以具有这样的特征，其中，凹陷沟道的长度为1μm～5μm，宽度为0.1μm～10μm，凹陷沟道与凹陷沟道之间的间距为0.5μm～5μm。
本发明提供的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，还可以具有这样的特征，其中，n型掺杂多晶硅厚度为0.05μm～0.5μm。
本发明提供的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，还可以具有这样的特征，其中，n型掺杂多晶硅中的磷杂质的掺杂浓度为1e14/cm2～2e16/cm2，能量为40keV～60keV。
本发明提供的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，还可以具有这样的特征，其中，第一金属层为Au/Ni/Al/Ti，自上而下依次为20～40nm厚的Ti层，120～150nm厚的Al层，55～70nm厚的Ni层以及65～100nm厚的Au层，第二金属层以及第三金属层为Au/Ni，自上而下依次为60～80nm的Au层以及20～40nm的Ni层。
本发明提供了一种复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件的制备方法，用于制备本发明的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，其特征在于，包括如下步骤：选用SiC上AlGaN/GaN作为衬底，在衬底上曝光出欧姆接触的源电极图形；采用电子束蒸发第一金属层，衬底经过去胶剥离和快速热退火后，形成器件的源电极；采用等离子体增强化学的气相沉积法淀积SiN形成掩蔽层，曝光出器件的MESA图形；采用干法刻蚀掩蔽层以及AlGaN层并过刻，形成器件区；采用低压力化学气相沉积法淀积多晶硅，利用离子注入磷杂质；曝光出复合沟道和扩展漏电极的图形，采用干法刻蚀未掩蔽的多晶硅薄膜并去胶，再用稀释后的HF溶液去除未掩蔽的SiN介质薄膜，快速热退火激活磷杂质，形成n型掺杂多晶硅；曝光出栅电极以及漏电极的图形，采用电子束蒸发第二金属层以及第三金属层，第二金属层以及第三金属层经过去胶剥离，能同时得到栅电极以及漏电极，从而得到复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件。
本发明提供的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件的制备方法，还可以具有这样的特征，其中，对源电极在800℃～850℃快速热退火30s～50s，对n型多晶硅在650℃～750℃下快速热退火30s～50s。
本发明提供的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件的制备方法，还可以具有这样的特征，其中，过刻深度为20nm～50nm。
发明作用与效果
根据本发明的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，利用承受低电场强度的掺杂磷杂质的n型掺杂多晶硅作为漂移区的部分沟道，为电流提供了相较于厚度约为2nm的AlGaN/GaN量子阱更宽的电流通路。同时，多晶硅复合沟道结构也让掺杂多晶硅起到互连线作用，减小了有源区长度，将漏电极防止与有源区之外，明显改善器件的频率特性。n型掺杂多晶硅的多线条化实现了多漂移区的图形化，优化了沿栅宽方向的电场，有助于缩短栅漏Lgd，降低导通电阻和膝点电压，增加了正向电流。
附图说明
图1是本发明实施例中复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件制备方法流程图；
图2是本发明实施例的衬底的结构示意图；
图3是本发明实施例的形成源电极后的器件结构示意图；
图4是本发明实施例的形成器件区后的器件结构示意图；
图5是本发明实施例的淀积多晶硅后的器件结构示意图；
图6是本发明实施例的形成n型掺杂多晶硅后的器件主视结构示意图；
图7是本发明实施例的形成n型掺杂多晶硅后的器件俯视结构示意图；
图8是本发明实施例的复合沟道形成后器件结构示意图；
图9是本发明实施例的形成栅电极以及漏电极后的器件主视结构示意图；
图10是本发明实施例的形成栅电极以及漏电极后的器件俯视结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例来说明本发明的具体实施方式。
<实施例>
图1是本发明实施例的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件制备方法流程图。
如图1所示，本实施例提供的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件100的制备方法包括如下步骤：
图2是本发明实施例中衬底的结构示意图。
步骤S1，选用AlGaN/GaN on SiC作为衬底10，衬底10结构如图2所示，然后在其上采用标准光学光刻工艺，曝光出欧姆接触的源电极图形。
衬底10自下而上依次为SiC层11、GaN层12和AlGaN层13。
图3是本发明实施例的形成源电极后的器件结构示意图。
步骤S2，用电子束蒸发自下而上依次形成20nm厚的Ti层21、120nm厚的Al层22、55nm厚的Ni层23以及65nm厚的Au层24，然后经过去胶剥离后，在800～850℃下快速热退火50s，如图3所示，形成源电极20。
图4是本发明实施例的形成器件区后的器件结构示意图。
步骤S3，采用低压力化学气相沉积法(LPCVD)或者等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)淀积100nm SiN作为掩蔽层30。
步骤S4，曝光出器件的MESA图形，然后利用反应离子刻蚀法(RIE)干法刻蚀掩蔽层30以及AlGaN层13，并过刻20-50nm以保证将AlGaN层13刻蚀干净，形成器件区，所得结构如图4所示。
图5是本发明实施例的淀积多晶硅后的器件结构示意图。
步骤S5，采用低压力化学气相沉积法(LPCVD)或者等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)淀积50nm～70nm厚的多晶硅40a。利用离子注入进行剂量为1e14/cm2～2e16/cm2，能量为40keV～60keV的磷杂质掺杂，所得结构如图5所示。
图6是本发明实施例的形成n型掺杂多晶硅后的器件主视结构示意图，图7是本发明实施例的形成n型掺杂多晶硅后的器件俯视结构示意图。
步骤S6，曝光出符合沟道和扩展漏电极的图形，采用干法刻蚀未掩蔽的多晶硅薄膜并去胶，在650℃～750℃下快速热退火30～50s激活磷杂质，形成n型掺杂多晶硅，即多晶硅电流沟道41，具有多晶硅层411以及凹陷沟道412，所得结构如图6以及图7所示。
如图7所示，本实施例中，多晶硅电流沟道41具有多个长度不相等的凹陷沟道412，凹陷沟道412长度为1μm～5μm，宽度W2为0.1μm～10μm，多晶硅电流沟道41的厚度为0.05～0.5μm，其方块电阻可控制在50Ω～120Ω/Square，每个凹陷沟道与凹陷沟道之间的间距W1为0.5μm～5μm。
图8是本发明实施例的复合沟道形成后器件结构示意图。
本发明中，GaN层12和AlGaN层13构成的二维电子气沟道与多晶硅电流沟道41组成复合沟道。复合沟道的GaN层12以及多晶硅层411内具有二维电子气A(2DEG)。
图9是本发明实施例的形成栅电极后的器件主视结构示意图，图10是本发明实施例的形成栅电极后的器件俯视结构示意图。
步骤S7，曝光栅电极以及漏电极图形，分别采用电子束蒸发形成由下至上的20nm厚的Ni层51和60nm厚的Au层52以及20nm厚的Ni层61和60nm厚的Au层62，如图9所示，金属层经过去胶剥离得到栅电极60以及漏电极50，并最终制备出复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件100，如图9以及图10所示。
实施例作用与效果
本实施例提供的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，利用承受低电场强度的掺杂磷杂质的n型掺杂多晶硅作为漂移区的部分沟道，为电流提供了相较于厚度约为2nm的AlGaN/GaN量子阱更宽的电流通路。同时，多晶硅复合沟道结构也让掺杂多晶硅起到互连线作用，减小了有源区长度，将漏电极防止与有源区之外，明显改善器件的频率特性。n型掺杂多晶硅的多线条化实现了多漂移区的图形化，优化了沿栅宽方向的电场，有助于缩短栅漏Lgd，降低导通电阻和膝点电压，增加了正向电流。
进一步，引入n型掺杂多晶硅后形成的GaN/N-polysi异质结，去除了漏电极下方AlGaN/GaN异质结结构，解决了2DEG二维电子气翻越较高的Ec势垒才能漏电极收集的弊端，显著改善器件的电流输运机制。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。
Claims (9)
1.一种复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，其特征在于，包括：
衬底，由SiC上AlGaN/GaN制成；
源电极，设置在所述衬底上方；
漏电极，设置在所述衬底上方；
栅电极，设置在所述衬底上方，位于所述源电极与所述漏电极之间；以及
复合沟道，包括二维电子气沟道以及多晶硅电流沟道，
其中，所述二维电子气沟道包括所述衬底的AlGaN层以及GaN层，
所述多晶硅电流沟道包括多个长度不相等的凹陷沟道以及多晶硅层，所述多晶硅层设置于所述衬底的GaN层以及所述漏电极之间，所述凹陷沟道设置于所述漏电极以及所述二维电子气沟道之间，
所述器件还包括掩蔽层，所述掩蔽层设置在所述凹陷沟道以及部分所述二维电子气沟道的所述AlGaN层之间，
所述源电极包括第一金属层，所述栅电极包括第二金属层，所述漏电极包括第三金属层，
所述多晶硅电流沟道为n型掺杂多晶硅。
2.根据权利要求1所述的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，其特征在于：
其中，所述漏电极的长度为5μm ~10μm。
3.根据权利要求1所述的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，其特征在于：
其中，所述凹陷沟道的长度为1μm ~5μm，宽度为0.1μm ~10μm，所述凹陷沟道与凹陷沟道之间的间距为0.5μm ~5μm。
4.根据权利要求1所述的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，其特征在于：
其中，所述n型掺杂多晶硅的厚度为0.05μm~0.5μm。
5.根据权利要求1所述的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，其特征在于：
其中，所述n型掺杂多晶硅中的磷杂质的掺杂浓度为1e14/cm2~2e16/cm2，能量为40keV~60keV。
6.根据权利要求1所述的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，其特征在于：
其中，所述第一金属层为Au/Ni/Al/Ti，自下而上依次为20~40nm厚的Ti层，120~150nm厚的Al层，55~70nm厚的Ni层以及65~100nm厚的Au层，
所述第二金属层以及所述第三金属层为Au/Ni，自上而下依次为60~80nm的Au层以及20~40nm的Ni层。
7.一种复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件的制备方法，用于制备权利要求1-6任意一项所述的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件，其特征在于，包括如下步骤：
选用SiC上AlGaN/GaN作为所述衬底，在所述衬底上曝光出欧姆接触的源电极图形；
采用电子束蒸发所述第一金属层，所述衬底经过去胶剥离和快速热退火后，形成所述器件的所述源电极；
采用低压力化学气相沉积法或者等离子体增强化学的气相沉积法淀积SiN形成掩蔽层，曝光出所述器件的MESA图形；
采用干法刻蚀所述掩蔽层以及所述AlGaN层并过刻，形成器件区；
采用低压力化学气相沉积法或者等离子体增强化学的气相沉积法淀积多晶硅，利用离子注入磷杂质；
曝光出所述复合沟道和扩展漏电极的图形，采用干法刻蚀未掩蔽的所述多晶硅薄膜并去胶，再用稀释后的HF溶液去除未掩蔽的所述掩蔽层，快速热退火激活磷杂质，形成所述n型掺杂多晶硅；
曝光出所述栅电极以及漏电极的图形，采用电子束蒸发所述第二金属层以及所述第三金属层，所述第二金属层以及所述第三金属层经过去胶剥离，能同时得到所述栅电极以及所述漏电极，从而得到所述复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件。
8.根据权利要求7所述的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件的制备方法，其特征在于：
其中，对所述源电极在800℃~850℃快速热退火30s~50s，对所述n型多晶硅在650℃~750℃下快速热退火30s~50s。
9.根据权利要求7所述的复合沟道结构的射频AlGaN/GaN器件的制备方法，其特征在于：
其中，所述过刻深度为20nm~50nm。
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