一种低噪声N极性GaN射频器件及其制备方法

本技术属于半导体，具体涉及一种低噪声n极性gan射频器件及其制备方法。

背景技术：

1、随着第六代移动通信、毫米波成像雷达及卫星通信等技术的发展，射频前端系统对低噪声放大器（low noise amplifier，lna）的性能要求不断提高。作为射频接收机前端的关键器件，低噪声放大器的噪声性能直接影响整个接收系统的灵敏度和信噪比，因此，降低器件最小噪声系数（nfmin）是提升低噪声放大器性能的关键，也是当前低噪声射频器件性能优化的重要研究方向。目前，低噪声射频器件主要采用gaas、inp等半导体技术路线，其中，gaas、inp器件具有较好的低噪声性能，但由于其禁带宽度较小，在高功率、辐照等应用场景下存在一定局限。相比之下，gan材料具有宽禁带、高电子饱和漂移速度和高击穿场强等特点，可兼顾高频、高功率等性能，在部分接收机前端甚至无需额外配置限幅器，能够简化系统设计。因此，gan射频器件在低噪声射频前端领域展现出广阔的应用前景。

2、当前gan低噪声器件研究主要基于ga面（ga-polar）gan异质结结构，通过γ型栅、t型栅、场板等栅极工程优化沟道电场分布及寄生参数，以降低器件噪声。具体地，在ga面gan低噪声器件中，γ型栅结构是在传统t型栅基础上引入栅帽延伸形成的栅极结构，通过增大栅帽宽度提高栅极横截面积，有效降低栅极电阻，从而减小最小噪声系数，同时栅帽边缘可形成微型场板，对漏侧沟道电场进行重新分布，降低峰值电场强度，抑制热载流子效应导致的噪声恶化。t型栅结构则通过采用窄栅脚配合宽栅帽的设计，在保持较短栅长、减小载流子渡越时间的同时，增大栅帽横截面积以降低栅极电阻，从而兼顾器件的高频性能与低噪声性能，并能够改善栅极对沟道电子的调控能力，在一定程度上降低寄生效应，提高跨导及截止频率。例如，2021年hrl实验室n.v等人采用渐变沟道结合γ型场板结构，实现了横向电场约5%的降低，从而有效抑制热载流子效应并改善器件噪声性能；2024年，西安电子科技大学g. gao等人制备了120 nm凹槽t型栅inaln/gan mishemt器件，通过引入10 nm薄介质钝化层，使相同栅长条件下器件最小噪声系数达到当时较低水平（相关技术参见“渐变沟道结合γ型场板结构”以及“120 nm凹槽t型栅inaln/gan mishemt器件”）。

3、然而，随着器件工作频率进一步提升至w波段及以上频段，现有ga面gan射频器件在进一步优化低噪声性能方面面临诸多局限。一方面，为获得更高的截止频率和最大振荡频率，ga面gan hemt的栅长需要不断缩短，但随着器件尺寸持续缩放，短沟道效应逐渐加剧，栅极对沟道载流子的控制能力减弱，器件跨导及电流调控能力下降，导致器件最小噪声系数难以进一步降低。另一方面，γ型栅结构需依赖场板结构，无法制成浮空栅，会在漏侧栅帽和势垒层之间引入较大的场板电容，造成较大的栅漏寄生电容，增强栅漏反馈效应，不利于器件高频性能及低噪声性能的进一步优化；且为获得更好的电场调制效果而优化漏侧栅帽尺寸及延伸长度时，往往会导致寄生电容进一步增加，使电场调控与寄生参数优化之间形成相互制约，随着器件向w波段及更高频段发展，该矛盾愈发突出。此外，传统t型栅结构中，为降低栅极电阻而增大栅帽尺寸时，栅帽向源极方向延伸会增加栅源寄生电容，限制器件高频响应能力，其进一步优化空间受到一定限制，难以满足w波段低噪声gan器件对高频性能和低噪声性能协同提升的需求。相比之下，n面（n-polar）gan器件由于极化方向反转，可在沟道下方形成天然背势垒结构，具有更强的电子限域性，有利于抑制短沟道效应，提高器件跨导，降低器件最小噪声系数。然而，现有n面gan器件研究主要集中于高频高功率应用方向，针对低噪声射频前端应用的研究仍相对较少，尤其缺乏兼顾电场调控、高能电子抑制以及寄生参数优化的低噪声栅结构设计。因此，亟需提出一种低噪声n极性gan射频器件，通过优化栅极结构及沟道电场分布，在保证器件高频性能的同时降低最小噪声系数，从而满足毫米波低噪声射频前端系统的发展需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本技术提供了一种低噪声n极性gan射频器件及其制备方法。本技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、一种低噪声n极性gan射频器件，自下而上依次包括衬底、缓冲层、势垒层、沟道层以及帽层；

3、所述沟道层两端间隔设置有源极与漏极，所述源极和漏极底部设有高掺杂n+gan欧姆接触层，并与沟道层形成欧姆接触；

4、源极与漏极之间的帽层上方设置有非对称浮空栅结构，所述非对称浮空栅结构包括至少一个栅脚与栅帽，所述栅帽中靠近源极的第一矩形部分与沟道层的悬空垂直高度大于靠近漏极的第二矩形部分与沟道层的悬空垂直高度；所述靠近源极的矩形栅帽底部低于靠近漏极的矩形栅帽顶部，形成第一矩形部分与第二矩形部分在垂直方向上的阶梯状高度差；

5、所述栅脚底部与帽层接触、顶部连通并支撑所述栅帽，使其浮空；所述低噪声n极性gan射频器件表面覆盖有钝化层，所述栅帽与钝化层之间无介质填充层。

6、一种低噪声n极性gan射频器件的制备方法，用于制备所述的低噪声n极性gan射频器件，所述制备方法包括：

7、s1，选择衬底，并在所述衬底上自下而上依次制备缓冲层、势垒层、沟道层以及帽层；

8、s2，对帽层定义的源极区域和漏极区域对应沉积栅极金属和源极金属，形成欧姆接触的源极与漏极，并在所述源极、漏极及帽层表面生长第一钝化层；

9、s3，在所述第一钝化层上进行光刻与刻蚀开窗形成栅脚凹槽，在所述栅脚凹槽内沉积栅金属得到栅脚和栅帽，并腐蚀掉第一钝化层，形成非对称浮空栅结构；

10、s4，在所述非对称浮空栅结构、源极、漏极和所述帽层表面沉积一层钝化层，并在所述源极和所述漏极开孔，并制备互连金属。

11、有益效果：

12、（1）本技术采用n面gan器件，其极化方向相对于ga面器件发生反转，在沟道下方形成天然背势垒结构，从而具有更强的电子限域性，能够有效抑制短沟道效应，提高器件跨导；同时n面gan器件具有更大的栅长缩放潜力，有利于实现更高的截止频率和最大振荡频率，在获得优异频率特性的同时降低最小噪声系数，为器件低噪声性能的优化提供有利条件。

13、（2）本技术在源极与漏极之间的帽层上方设置非对称浮空栅结构，栅帽中靠近源极的第一矩形部分与沟道层的悬空垂直高度大于靠近漏极的第二矩形部分与沟道层的悬空垂直高度，形成阶梯状高度差，使源侧栅帽与沟道层之间的距离增大，从而有效降低栅源寄生电容；同时，栅帽具有较大的横向尺寸和等效横截面积，能够降低栅极寄生电阻。栅源寄生电容和栅极寄生电阻的降低均有利于减小器件最小噪声系数。

14、（3）本技术中栅帽下方及两侧为钝化层，并且栅帽与钝化层之间无介质填充层，即栅极为浮空结构。该结构无需依赖传统γ型栅中的场板结构，避免了场板结构在漏侧栅帽和势垒层之间引入较大的场板电容，从而有效减小栅漏寄生电容减弱栅漏反馈效应，有利于提高器件截止频率和最大振荡频率，并进一步降低器件最小噪声系数。

15、（4）本技术进一步采用类π型双栅脚结构，包括靠近源极的栅脚和靠近漏极的栅脚，且靠近源极的栅脚高度大于靠近漏极的栅脚高度，两个栅脚之间设置有空腔。该双栅脚结构能够调制栅下电势分布及电子输运过程，降低电子能量分布函数中的高能电子比例，从而减弱热电子效应及其引起的陷阱产生和可靠性退化现象，有利于改善器件噪声特性。

16、（5）本技术在栅脚与帽层之间设置栅漏电抑制层，形成mis栅结构。栅漏电抑制层能够有效降低界面态密度，减弱界面陷阱对沟道载流子的俘获与释放作用，抑制由界面陷阱对载流子的随机俘获与发射过程所引起的低频噪声，同时抑制栅极漏电流及陷阱辅助导电过程，提高栅极电势调控的稳定性，从而进一步提升器件低噪声工作的稳定性和可靠性。相应地，本技术的制备方法通过在栅脚刻蚀完成后、沉积栅金属之前引入栅漏电抑制层的沉积步骤，利用后续湿法腐蚀工艺中栅金属对栅下栅漏电抑制层的保护作用，实现mis栅结构的自对准形成，无需额外光刻步骤，简化了工艺流程.

17、以下将结合附图及实施例对本技术做进一步详细说明。