一种垂直氮化镓基鳍式射频晶体管及制备方法

1.本发明属于射频器件技术领域，涉及一种垂直氮化镓基鳍式射频晶体管及制备方法。


背景技术：

2.随着近年来无线通信市场的高涨，传统军事应用的发展，微波射频(rf)晶体管也在不断地发展，并在人类活动的众多方面发挥着关键作用。然而，各种应用需求使得微波射频器件的性能要求也越来越高，放大器也需要工作在更高的频率、更高的线性度、更大的功率和更高的效率。
3.氮化镓(gan)作为第三代宽禁带半导体典型材料，具有宽带隙、高临界电场强度、高电子饱和速度、高击穿电场，高自发极化系数等优良特性，这些优良特性使得gan相比于传统的si半导体在射频领域有更大的优势。因此，gan等宽禁带半导体的高频优良特性使得以宽禁带半导体为基础的射频功率器件在射频领域中具有巨大潜力。
4.目前已经应用的和公开报道的gan射频晶体管均为横向结构，即高电子迁移率晶体管(hemt)。横向gan晶体管在卫星、雷达和4glte、5g通信基站中实现了商业化。
5.然而，横向gan射频晶体管具有很多缺点，具体表现在以下方面，第一，大功率器件需要增加栅电极的宽度和栅电极的个数，导致器件的面积急剧增大，由电极引入的寄生电容也显著增加；第二，横向gan射频晶体管的导电沟道距离三族氮化物的表面很近，一般在30nm以内，三族氮化物大量的表面态对器件性能造成了很多负面的影响，包括电流崩塌效应、射频色散效应和器件的长期可靠性退化；第三，横向gan射频晶体管的发热区域集中于栅电极边沿靠近漏极的一侧，发热比较集中，影响器件的散热性能；第四，横向gan射频晶体管的线性度比较差。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种垂直氮化镓基鳍式射频晶体管及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.本发明实施例提供了一种垂直氮化镓基鳍式射频晶体管，所述垂直氮化镓基鳍式射频晶体管包括：
8.衬底层；
9.漏极接触层，所述漏极接触层设置于所述衬底层之上；
10.沟道层，所述沟道层设置于部分所述漏极接触层之上，所述沟道层包括第一沟道子层和第二沟道子层，所述第二沟道子层设置于所述第一沟道子层之上，且所述第二沟道子层的宽度小于所述第一沟道子层的宽度；
11.源极接触层，所述源极接触层设置于所述第二沟道子层之上；
12.两个漏电极，两个所述漏电极均设置于所述漏极接触层的两端，且所述沟道层位于两个所述漏电极之间，所述漏电极与所述漏极接触层形成欧姆接触；
13.两个栅电极，两个所述栅电极均设置于所述第一沟道子层之上，所述第二沟道子层位于两个所述栅电极之间，且所述栅电极的侧边与所述第二沟道子层的侧边相接处，所述栅电极与所述沟道层形成肖特基接触；
14.源电极，所述源电极设置于所述源极接触层之上，所述源电极与所述源极接触层形成欧姆接触。
15.在本发明的一个实施例中，所述垂直氮化镓基鳍式射频晶体管还包括：
16.复合缓冲层，所述复合缓冲层设置于所述衬底层和所述漏极接触层之间。
17.在本发明的一个实施例中，所述复合缓冲层包括：
18.成核层，所述成核层设置于所述衬底层之上；
19.过渡层，所述过渡层设置于所述成核层之上；
20.缓冲层，所述缓冲层设置于所述过渡层之上。
21.在本发明的一个实施例中，所述漏极接触层、所述沟道层和所述源极接触层的材料均为三族氮化物半导体材料。
22.在本发明的一个实施例中，所述漏极接触层的材料为氮化镓、或algan、或ingan，所述漏极接触层的厚度为50nm-2μm，所述漏极接触层的掺杂杂质为si，掺杂浓度为1x10
17-1x10
21
cm-3
；
23.所述沟道层的材料为氮化镓、或algan、或ingan，所述沟道层的厚度为50nm-10μm，所述沟道层的掺杂杂质为si，掺杂浓度为1x10
15-1x10
18
cm-3
；
24.所述源极接触层的材料为氮化镓、或algan、或ingan，所述源极接触层的厚度为10nm-500nm，所述源极接触层的掺杂杂质为si，掺杂浓度为1x10
17-1x10
21
cm-3
。
25.在本发明的一个实施例中，所述第一沟道子层的宽度为100nm-5μm，高度为10nm-10μm，所述第二沟道子层的宽度为10nm-500nm，高度为10nm-2μm。
26.在本发明的一个实施例中，所述栅电极的厚度小于或者等于所述第二沟道子层的高度。
27.在本发明的一个实施例中，所述栅电极中与所述第一沟道子层接触的材料为ni、或pt、或ti。
28.在本发明的一个实施例中，所述漏电极和所述源电极的材料为包括ti/al、或ta/al、或mo/al的合金。
29.本发明一个实施例还提供一种垂直氮化镓基鳍式射频晶体管的制备方法，用于制备上述任一项实施例所述的垂直氮化镓基鳍式射频晶体管，所述制备方法包括：
30.选取衬底层；
31.在所述衬底层上外延生长漏极接触层；
32.在所述漏极接触层上外延生长沟道层；
33.在所述沟道层上外延生长源极接触层；
34.在所述源极接触层上形成源电极，所述源电极与所述源极接触层形成欧姆接触；
35.刻蚀所述源电极、所述源极接触层和部分深度的所述沟道层，以使所述沟道层形成为第一沟道子层和第二沟道子层，并暴露所述第一沟道子层两侧的所述源极接触层，所述第二沟道子层设置于所述第一沟道子层之上，且所述第二沟道子层的宽度小于所述第一沟道子层的宽度；
36.在所述第二沟道子层两侧的所述第一沟道子层上分别制备栅电极，所述栅电极与所述沟道层形成肖特基接触；
37.在所述漏极接触层的两端制备漏电极，所述漏电极与所述漏极接触层形成欧姆接触。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果：
39.第一、本发明提出一种采用垂直鳍片结构的射频晶体管，栅长由栅电极金属材料的厚度决定，更容易实现超短栅长。
40.第二、本发明更容易通过增加栅电极横向尺寸的方式，实现低栅电极电阻、最高振荡频率和功率增益。
41.第三、本发明的电流为垂直流向，截面面积比较大，器件线性度更高。
42.第四、本发明的导电沟道中的载流子受三族氮化物的表面陷阱影响小，能够减小电流崩塌效应、射频色散效应，提高器件的长期可靠性。
43.第五、本发明的栅电极边缘电场尖峰小，击穿电压高，电流崩塌效应也小。
44.第六、本发明的器件的热场分布封均匀，散热性能更好。
45.通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
46.图1为本发明实施例提供的一种垂直氮化镓基鳍式射频晶体管的结构示意图；
47.图2为本发明实施例提供的另一种垂直氮化镓基鳍式射频晶体管的结构示意图；
48.图3为本发明实施例提供的一种复合缓冲层的结构示意图；
49.图4为本发明实施例提供的一种垂直氮化镓基鳍式射频晶体管的制备方法的流程示意图；
50.图5a～图5i本发明实施例提供的一种垂直的氮化镓基鳍片射频晶体管的制备方法的过程示意图。
51.附图标记说明：
52.1-衬底层、8-复合缓冲层、2-漏极接触层、3-沟道层、4-源极接触层、5-漏电极、6-栅电极、7-源电极、81-成核层、82-过渡层、83-缓冲层。
具体实施方式
53.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
54.实施例一
55.请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种垂直氮化镓基鳍式射频晶体管的结构示意图。本发明提供一种垂直氮化镓基鳍式射频晶体管，该垂直氮化镓基鳍式射频晶体管包括：
56.衬底层1；
57.漏极接触层2，漏极接触层2设置于衬底层1之上；
58.沟道层3，沟道层3设置于部分漏极接触层2之上，沟道层3包括第一沟道子层31和第二沟道子层32，第二沟道子层32设置于第一沟道子层31之上，且第二沟道子层32的宽度w2小于第一沟道子层31的宽度w1；
59.源极接触层4，源极接触层4设置于第二沟道子层32之上；
60.两个漏电极5，两个漏电极5均设置于漏极接触层2的两端，且沟道层3位于两个漏电极5之间，漏电极5与漏极接触层2形成欧姆接触；
61.两个栅电极6，两个栅电极6均设置于第一沟道子层31之上，第二沟道子层32位于两个栅电极6之间，且栅电极6的侧边与第二沟道子层32的侧边相接处，栅电极6与沟道层3形成肖特基接触；
62.源电极7，源电极7设置于源极接触层4之上，源电极7与源极接触层4形成欧姆接触。
63.也就是说，该垂直氮化镓基鳍式射频晶体管结构自下而上依次包括：衬底层1、以及依次位于衬底层1之上的漏极接触层2、沟道层3、源极接触层4；其中，沟道层的形状为“凸”型，上半部(即第二沟道子层32)为鳍片(fin)形状，下半部(即第一沟道子层31)为基台；设置栅电极6在鳍片的左右两侧，沿着垂直于鳍片沟道的延伸方向而延伸；设置漏电极5在漏极接触层2远离衬底层1一侧的上表面，设置在沟道层3的基台的左右两端；设置源电极7在源极接触层4上方。
64.漏电极5和源电极7通过漏极接触层2、源极接触层4及沟道层3形成导电沟道，沟道层3的鳍片部分导电沟道中的电流受到两侧的栅电极6上的偏压控制，形成晶体管。同常规的横向射频高电子迁移率晶体管(hemt)相比，本实施例所提出的垂直氮化镓基鳍片射频晶体管更容易实现超短栅长；更容易实现低栅电极电阻、最高振荡频率和功率增益；线性度高；导电沟道载流子受表面陷阱影响小，电流崩塌效应弱；栅电极边缘电场尖峰小，击穿电压高；散热更好。
65.在本实施例中，衬底层1的材料可为硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、氮化镓中的一种。
66.优选的，衬底层1的材料为硅，厚度为650μm。
67.在本实施例中，漏极接触层2、沟道层3和源极接触层4的材料均为三族氮化物半导体材料。
68.进一步地，漏极接触层2的材料为氮化镓、或algan、或ingan，漏极接触层2的厚度为50nm-2μm，重掺杂，漏极接触层2的掺杂杂质为si，掺杂浓度为1x10
17-1x10
21
cm-3
；沟道层3的材料为氮化镓、或algan、或ingan，沟道层3的厚度为50nm-10μm，沟道层3的掺杂杂质为si，轻掺杂，掺杂浓度为1x10
15-1x10
18 cm-3
；源极接触层4的材料为氮化镓、或algan、或ingan，源极接触层4的厚度为10nm-500nm，重掺杂，源极接触层4的掺杂杂质为si，掺杂浓度为1x10
17-1x10
21
cm-3
。
69.优选的，漏极接触层2的材料是氮化镓，厚度为100nm；重掺杂，掺杂杂质为si，浓度1x10
18
cm-3
。
70.优选的，沟道层3的材料是氮化镓，厚度为1300nm；轻掺杂，掺杂杂质为si，浓度为1x10
16 cm-3
。
71.优选的，源极接触层4的材料是氮化镓，厚度为200nm；重掺杂，掺杂杂质为si，浓度
为1x10
20
cm-3
。
72.在本实施例中，沟道层3为“凸”型形状，上半部鳍片(第二沟道子层32)比较窄，下半部基台(第一沟道子层31)比较宽；上半部鳍片的宽度w2为10nm-500nm，高度d2为10nm-2μm；下半部基台的宽度w1为100nm-5μm，高度d1为10nm-10μm。
73.优选的，沟道层3的上半部鳍片宽度w2为50nm，高度d2为300nm；下半部基台的宽度w为500nm，高度d1为1μm。
74.在本实施例中，栅电极6与沟道层3形成肖特基接触，栅电极6与第一沟道子层31接触的金属为ni、或pt、或ti。
75.优选的，栅电极6的材料为ni/au，其中，/之前的为下层材料，/之后的为上层材料。
76.在本实施例中，栅电极6的厚度小于或者等于第二沟道子层32的高度，即栅电极6的厚度不超过沟道层3的上半部鳍片的高度。
77.优选的，栅电极6的厚度为200nm。
78.在本实施例中，源电极7与源极接触层4形成欧姆接触，所用材料为包括ti/al、或ta/al、或mo/al的合金。
79.优选的，源电极7的材料为ti/al/ni/au。
80.在本实施例中，漏电极5与漏极接触层2形成欧姆接触，所用材料为包括ti/al、或ta/al、或mo/al的合金。
81.优选的，漏电极5的材料为包括ti/al/ni/au。
82.另外，请参见图2，垂直氮化镓基鳍式射频晶体管还可以包括：
83.复合缓冲层8，复合缓冲层8设置于衬底层1和漏极接触层2之间。
84.具体地，请参见图3，复合缓冲层8包括：
85.成核层81，成核层81设置于衬底层1之上；
86.过渡层82，过渡层82设置于成核层81之上；
87.缓冲层83，缓冲层83设置于过渡层82之上。
88.进一步的，成核层81的材料为氮化铝，厚度为100-300nm。
89.优选的，成核层81的厚度为200nm。
90.进一步的，过渡层82的材料为渐变铝镓氮，厚度为200-1000nm。
91.优选的，过渡层82的材料为渐变铝镓氮，其中铝的组分从下至上由0.75渐变到0.15，过渡层82的厚度为800nm。由此可以优化gan外延层的晶体质量。
92.进一步的，缓冲层83的材料为氮化镓或铝镓氮，缓冲层83的厚度为100-3000nm，采用受主陷阱，掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3-1
×
10
17
cm-3
，目的是为了减小缓冲层83漏电。
93.优选的，缓冲层83的材料为氮化镓，掺杂物质为fe，掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
，厚度为1100nm。
94.在本发明中，在漏电极5和源电极7通过漏极接触层2、源极接触层4及沟道层3形成导电沟道，沟道层3的鳍片部分导电沟道中的电流受到两侧的栅电极6上的偏压控制，形成晶体管。同常规的横向射频高电子迁移率晶体管相比，本发明提出的垂直氮化镓基鳍片射频晶体管更容易实现超短栅长；更容易实现低栅电极电阻、最高振荡频率和功率增益；线性度高；导电沟道载流子受表面陷阱影响小，电流崩塌效应弱；栅电极边缘电场尖峰小，击穿电压高；散热更好。
95.实施例二
96.在上述实例一的基础上，本实施例提供了一种垂直的氮化镓基鳍片射频晶体管的制备方法。请参照见4、图5a～图5i，图4为本发明实施例提供的一种垂直氮化镓基鳍式射频晶体管的制备方法的流程示意图；图5a～图5i本发明实施例提供的一种垂直的氮化镓基鳍片射频晶体管的制备方法的过程示意图。该垂直的氮化镓基鳍片射频晶体管的具体制备过程如下：
97.s1、请参见图5a，选取衬底层1。
98.具体地，在1000℃左右的高温下，将氢气通入反应室，去除衬底层1表面的污染物，并在衬底层1表面形成台阶结构，提高gan的结晶质量。
99.s2、请参见图5b，在衬底层1表面利用外延技术方法生长复合缓冲层8；
100.具体地，复合缓冲层8包括三层，请参照图2，自下而上分别为成核层81、过渡层82与缓冲层83；先在低温条件下(500-650℃)用有机化学气相淀积法(mocvd)方法生长成核层81，例如为200nm的aln成核层，然后升高温度到过渡层82和缓冲层83的生长温度(1000-1100℃)，用有机化学气相淀积法方法生长过渡层82，例如从下至上依次包括300nm的al
0.75
ga
0.25
n、300nm的al
0.5
ga
0.5
n和200nm的al
0.2
ga0.8n，然后生长缓冲层83，例如为1100nm的gan缓冲层。
101.s3、请参见图5c，在衬底层1上外延生长漏极接触层2。
102.具体地，采用mocvd的方法在缓冲层83上生长漏极接触层2，例如生长厚度为1000nm的漏极接触层2。
103.s4、请参见图5d，在漏极接触层2上外延生长沟道层3。
104.具体地，采用mocvd的方法在漏极接触层2上生长沟道层3，例如生长厚度为1300nm的沟道层3。
105.s4、请参见图5e，在沟道层3上外延生长源极接触层4。
106.具体地，采用mocvd的方法在沟道层3上生长源极接触层4，例如生长厚度为300nm的源极接触层4。
107.s5、表面清洗
108.具体地，先将完成上述步骤的样片放在丙酮中去除表面的有机污染物，然后再放进酸性溶剂中去除表面氧化层以及无机污染物，最后用去离子水去除表面溶剂，在氮气氛围中烘干即可。
109.s6、请参见图5f，在源极接触层4上形成源电极7，源电极7与源极接触层4形成欧姆接触。
110.具体地，采用光刻工艺，制作源电极图案。然后采用电子束蒸发技术制备源电极7，例如在源极接触层4顶部溅射ti/al/ni/au(各层厚度为20/120/40/50nm)金属层制备源电极7。最后采用快速退火的方式，在850℃温度的氮气环境中退火，以形成源电极7的欧姆接触。
111.s7、请参见图5g，刻蚀源电极7、源极接触层4和部分深度的沟道层3，以使沟道层3形成为第一沟道子层31和第二沟道子层32，并暴露第一沟道子层31两侧的源极接触层4，第二沟道子层32设置于第一沟道子层31之上，且第二沟道子层32的宽度小于第一沟道子层31的宽度。
112.具体地，在等离子系统中，基于cl2/bcl3进行干法刻蚀出鳍片沟道，为获得垂直光滑的沟道侧壁，需进行基于热tmah(四甲基氢氧化铵)的湿法刻蚀处理侧壁表面，另外，鳍式沟道的厚度小于沟道层3的厚度。之后，在等离子系统中，基于cl2/bcl3进行干法刻蚀出沟道的下半部分基台，露出漏极接触层2。为获得垂直光滑的沟道侧壁，需进行基于热tmah的湿法刻蚀处理侧壁表面。
113.s8、请参见图5h，在第二沟道子层32两侧的第一沟道子层31上分别制备栅电极6，栅电极6与沟道层3形成肖特基接触。
114.具体地，在栅电极制备中，采用磁控溅射技术，制备栅电极6金属，例如制备200nm的ni/au作为栅电极6金属；采用光刻技术，借助光刻胶掩膜，腐蚀去除源电极7表面、源极接触层4侧面和部分沟道层3鳍片侧面的多余栅电极金属。
115.s9、请参见图5i，在漏极接触层2的两端制备漏电极(5)，漏电极5与漏极接触层2形成欧姆接触。
116.具体地，采用光刻工艺，制作漏电极图案。然后采用电子束蒸发技术制备漏电极6，例如在漏极接触层3上面、沟道层4基台的左右两端制备ti/al/ni/au(各层厚度为20/120/40/50nm)的金属层制备漏电极6。最后采用快速退火的方式，在850℃温度的氮气环境中退火，以形成漏电极6的欧姆接触。
117.本发明所制备的该射频器件采用垂直鳍片结构，更容易实现超短栅长；更容易实现低栅电极电阻、最高振荡频率和功率增益；线性度高；导电沟道载流子受表面陷阱影响小，电流崩塌效应弱；栅电极边缘电场尖峰小，击穿电压高；散热更好，在高频、高功率和高温的射频器件应用领域中有巨大潜力。
118.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
119.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特数据点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特数据点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
120.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。