基于GaN基功率与射频电子的单片集成器件及其制备方法与流程

基于gan基功率与射频电子的单片集成器件及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种基于gan基功率与射频电子的单片集成器件及其制备方法。


背景技术：

2.面对当前电子信息装备的进一步发展，传统si基工艺技术的t/r芯片产品还存在着输出功率低、效率低、噪声大等问题，严重限制了高性能信息装备的发展。
3.第三代半导体材料iii族氮化物具有禁带宽度大、击穿电压高、电子饱和漂移速度高等特性，因此以algan/gan hemt为代表的gan基器件具备大功率、高效率、低噪声等性能，使得algan/gan hemt器件在微波射频、功率器件等应用中的地位日渐突出。在实现高性能电子器件的同时，对电子器件的集成度以及生产成本也提出了越来越严苛的要求。
4.为了满足t/r组件高集成度和低成本的发展需求，迫切需要开发具有电源控制和信号负载等功能的新型gan基单片集成工艺技术。基于以上的新型gan基单片集成工艺技术，gan基功率器件可以在更高的电压下工作并提高芯片的驱动能力和开关比，能够有效、快速地控制gan基射频器件的电流并保证其高频等性能，实现单片集成芯片的微型化、大功率、高效率、低噪声等性能。
5.因此，迫切需要一种单片集成器件技术，在保证功率器件具有高性能的同时，控制射频器件的电流并保持射频器件高频等特性，这对于实现高性能的t/r组件具有重大意义。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供基于gan基功率与射频电子的单片集成器件。
7.本发明的另一目的在于提供上述基于gan基功率与射频电子的单片集成器件的制备方法。
8.本发明目的通过以下技术方案实现：
9.第一方面，本发明提供一种基于gan基功率与射频电子的单片集成器件，包括algan/gan hemt外延片，所述algan/gan hemt外延片上按照一定水平顺序依次设有漏金属电极、栅金属电极、源漏金属电极、t型栅金属电极和源金属电极；并且所述漏金属电极、所述源漏金属电极和所述源金属电极分别与所述algan/gan hemt外延片的algan势垒层形成欧姆接触，所述栅金属电极和所述t型栅金属电极分别与所述algan/gan hemt外延片的algan势垒层形成肖特基接触。
10.优选地，所述漏金属电极、源金属电极和源漏金属电极均由ti、al、ni和au四层金属组成。
11.优选地，所述栅金属电极由ni和au两层金属组成，栅长为3-10μm。
12.优选地，所述t型栅金属电极由ni和au两层金属组成，栅长为20-250nm，栅帽为60nm-500nm。
13.进一步地，所述algan/gan hemt外延片、所述漏金属电极、所述栅金属电极、所述源漏金属电极、所述t型栅金属电极和所述源金属电极的表面设有延续不间断的钝化层。
14.进一步地，所述钝化层为sin
x
钝化层。
15.优选地，所述sin
x
钝化层的厚度为50～100nm。
16.第二方面，本发明提供上述基于gan基功率与射频电子的单片集成器件的制备方法，包括以下步骤：
17.步骤1，对algan/gan hemt外延片进行光刻，暴露出各器件之外的区域，然后进行icp刻蚀处理，刻蚀至gan层以下，实现各器件的algan/gan异质结之间完全阻断；
18.步骤2，对步骤1所得的外延片进一步进行光刻，暴露出源、漏和源漏金属电极区域，然后依次进行蒸镀、剥离、退火，形成漏金属电极、源金属电极、源漏金属电极；
19.步骤3，对步骤2所得的外延片进一步进行光刻，暴露出栅金属电极区域，然后依次进行蒸镀、剥离，形成栅金属电极；
20.步骤4，对步骤3所得的外延片再进一步进行光刻，并刻蚀至势垒层，暴露出t型栅金属电极区域，进行蒸镀、剥离，形成t型栅金属电极。
21.优选地，所述步骤1中刻蚀至gan层以下，采用感应耦合等离子体刻蚀(icp)，刻蚀反应气体为cl2和bcl3混合气体，压强为1-20mtorr，上射频功率为50-500w，下射频功率为50-500w。
22.优选地，所述步骤2中退火处理的控制参数为：退火气氛为n2，退火温度为800～900℃，保温时间为20～40s，升温速率为15～20℃/s；
23.优选地，所述步骤4中光刻，是采用电子束曝光进行光刻。
24.进一步地，所述制备方法还包括：步骤5，对步骤4所得的外延片进行sin
x
钝化，形成钝化层。
25.优选地，所述步骤5中sin
x
钝化层采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为230～320℃；
26.进一步地，所述制备方法还包括：步骤6，对步骤5所得的外延片进行光刻，暴露出所有金属电极区域，经过化学腐蚀处理去除所有金属电极区域下的sin
x
钝化层后，实现打孔、蒸镀形成电极。
27.优选地，所述步骤6中化学腐蚀处理，具体为：采用质量分数比为hf:hn4f＝1:(5～7)的缓冲氧化物刻蚀剂(boe)溶液浸泡50～100s。
28.进一步地，所述步骤6中蒸镀，是蒸镀金属cu形成电极。
29.进一步地，所述algan/gan hemt外延片的制备方法包括：
30.(1)采用金属有机化学气相沉积法(mocvd)在衬底上外延生长制备gan沟道层，所述gan沟道层的生长温度为850～950℃；
31.(2)再采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进一步生长制备algan势垒层，具体为：在900～1000℃下，通入(三甲基铝)tmal、tmga与nh3在衬底表面作用，tmal和tmga以恒定的摩尔量变化，nh3流量为10～30sccm，通入tmal、tmga和nh3的时间均为40～60s，保持algan生长速率都是恒定的。
32.本发明的器件及制备方法具有如下优点及有益效果：
33.(1)本发明的基于gan基功率与射频电子的单片集成器件在实现了功率器件高击
穿电压等性能的同时，对射频端的栅下势垒层进行刻蚀来抑制射频器件端的短沟道效应，从而实现了射频器件的高频等性能。
34.(2)本发明的基于gan基功率与射频电子的单片集成器件，实现了功率器件端的电源管理来控制射频器件端信号。
35.(3)本发明的基于gan基功率与射频电子的单片集成器件，实现了单片集成器件的微型化，并且具有高效率、低噪声、低功耗等性能特征。
36.(4)本发明的单片集成器件制备过程简单易行，成本较低，具有很高的应用价值和经济价值。
附图说明
37.图1是本发明实施例中基于gan基功率与射频电子的单片集成器件的结构示意图。
38.图2是本发明实施例中基于gan基功率与射频电子的单片集成器件的结构俯视示意图。
39.图1～2中，1为外延片、2为漏金属电极、3为栅金属电极、4为源漏金属电极、5为t型栅金属电极、6为源金属电极、7为sin
x
钝化层。
具体实施方式
40.在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
41.下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
42.实施例1
43.本实施例提供一种基于gan基功率与射频电子的单片集成器件，其结构示意图如图1和2所示，包括algan/gan hemt外延片1，所述algan/gan hemt外延片上按照一定水平顺序依次设有漏金属电极2、栅金属电极3、源漏金属电极4、t型栅金属电极5、源金属电极6。所述algan/gan hemt外延片、所述漏金属电极、所述栅金属电极、所述源漏金属电极、所述t型栅射频金属电极和所述源金属电极的表面设有延续不间断的sin
x
钝化层7，其中：
44.所述外延片1中的gan、algan由下至上依次层叠；
45.所述漏金属电极2、源漏金属电极4和源金属电极6分别位于外延片1中algan势垒层上，漏金属电极2、源漏金属电极4和源金属电极6与外延片1中algan势垒层之间形成欧姆接触；所述漏金属电极、源金属电极和源漏金属电极均由ti、al、ni和au四层金属组成。
46.所述栅金属电极3、t型栅金属电极5位于外延片1中的algan势垒层上，栅金属电极3、t型栅金属电极5与外延片1中的algan势垒层之间形成肖特基接触；所述栅金属电极由ni和au两层金属组成，栅长为3μm。所述t型栅金属电极由ni和au两层金属组成，栅长为20nm，栅帽为60nm。
47.所述sin
x
钝化层的厚度为80nm。
48.本实施例的基于gan基功率与射频电子的单片集成器件通过如下方法制备：
49.步骤1，对algan/gan hemt外延片进行光刻，暴露出各器件之外的区域，然后进行
icp刻蚀处理，刻蚀至gan层以下，实现各器件的algan/gan异质结之间完全阻断；
50.步骤2，对步骤1所得的外延片进行光刻，暴露出源、漏和源漏金属电极区域，进行蒸镀、剥离、退火，形成漏、源、源漏金属电极；所述的退火处理，退火气氛为n2，退火温度为800℃，保温时间为20s，升温速率为15℃/s；
51.步骤3，对步骤2所得的外延片进行光刻，暴露出栅金属电极区域，进行蒸镀、剥离，形成栅金属电极，栅长为3μm；
52.步骤4，对步骤3所得的外延片进行电子束曝光光刻、刻蚀处理，形成t型栅，栅长为20nm，栅帽为60nm；
53.步骤5，对步骤4所得的外延片进行钝化处理，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备sin
x
钝化层，生长温度为230℃；
54.步骤6，对步骤5所得的外延片进行光刻，然后进行化学腐蚀处理，最后蒸镀金属，剥离，形成电极，具体为：采用质量分数比为hf:hn4f＝1:7的缓冲氧化物刻蚀剂(boe)溶液浸泡sin
x
钝化层50s，然后蒸镀金属cu，形成电极。
55.本实施例获得的单片集成器件尺寸为：450μm
×
110μm，最大电流密度为500ma/mm、击穿电压为300v、最大震荡频率为300ghz、功率附加效率为30％、功率增益为20db。
56.实施例2
57.本实施例的一种基于gan基功率与射频电子的单片集成器件，其结构示意图如图1和2所示。结构同实施例1。
58.本实施例的基于gan基功率与射频电子的单片集成器件通过如下方法制备：
59.步骤1，对algan/gan hemt外延片进行光刻，暴露出各器件之外的区域，然后进行icp刻蚀处理，刻蚀至gan层以下，实现各器件的algan/gan异质结之间完全阻断；
60.步骤2，对步骤1所得的外延片进行光刻，暴露出源、漏和源漏金属电极区域，进行蒸镀、剥离、退火，形成漏、源、源漏金属电极；所述的退火处理，退火气氛为n2，退火温度为850℃，保温时间为30s，升温速率为20℃/s；
61.步骤3，对步骤2所得的外延片进行光刻，暴露出栅金属电极区域，进行蒸镀、剥离，形成栅金属电极，栅长为5μm；
62.步骤4，对步骤3所得的外延片进行电子束曝光光刻、刻蚀至势垒层，形成t型栅，栅长为100nm，栅帽为300nm；
63.步骤5，对步骤4所得的外延片进行钝化处理，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备sin
x
钝化层，生长温度为265℃；
64.步骤6，对步骤5所得的外延片进行光刻，然后进行化学腐蚀处理，最后蒸镀金属，剥离，形成电极，具体为：采用质量分数比为hf:hn4f＝1:6的缓冲氧化物刻蚀剂(boe)溶液浸泡sin
x
钝化层75s，然后蒸镀金属cu，形成电极。
65.本实施例获得的单片集成器件尺寸为：450μm
×
110μm，最大电流密度为550ma/mm、击穿电压为400v、最大震荡频率为100ghz、微型化、功率附加效率为33％、功率增益为25db。
66.实施例3
67.本实施例的一种基于gan基功率与射频电子的单片集成器件，其结构示意图如图1所示。结构同实施例1。
68.本实施例的基于gan基功率与射频电子的单片集成器件通过如下方法制备：
69.步骤1，对algan/gan hemt外延片进行光刻，暴露出各器件之外的区域，然后进行icp刻蚀处理，刻蚀至gan层以下，实现各器件的algan/gan异质结之间完全阻断；
70.步骤2，对步骤1所得的外延片进行光刻，暴露出源、漏和源漏金属电极区域，进行蒸镀、剥离、退火，形成漏、源、源漏金属电极；所述的退火处理，退火气氛为n2，退火温度为900℃，保温时间为40s，升温速率为20℃/s；
71.步骤3，对步骤2所得的外延片进行光刻，暴露出栅金属电极区域，进行蒸镀、剥离，形成栅金属电极，栅长为10μm；
72.步骤4，对步骤3所得的外延片进行电子束曝光光刻、刻蚀至势垒层，形成t型栅，栅长为250nm，栅帽为500nm；
73.步骤5，对步骤4所得的外延片进行钝化处理，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备sin
x
钝化层，生长温度为300℃；
74.步骤6，对步骤5所得的外延片进行光刻，然后进行化学腐蚀处理，最后蒸镀金属，剥离，形成电极，具体为：采用质量分数比为hf:hn4f＝1:5的缓冲氧化物刻蚀剂(boe)溶液浸泡sin
x
钝化层100s，然后蒸镀金属cu，形成电极。
75.本实施例获得的单片集成器件尺寸为：450μm
×
110μm，最大电流密度为700ma/mm，击穿电压为650v、最大震荡频率为60ghz、功率附加效率为40％、功率增益为30db。
76.综上所述，本发明的基于gan基功率与射频电子的单片集成器件，实现了单片集成器件的微型化、高效率、低噪声、低功耗等性能，具有广泛的应用前景和经济价值。
77.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。