一种高功率增益截止频率的InAlN/GaNHEMT及其制备方法

一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt及其制备方法，属于属于微电子器件的技术领域。

背景技术：

2.gan基高电子迁移率场效应晶体管(hemt)具有大的电流密度、高的功率密度、低噪声以及良好的频率特性，这些优势决定了gan基hemt在军用和民用微波功率器件和电路领域有广泛的应用前景。gan hemts较高的输出功率可显著降低器件的体积和重量，从而降低系统设计的难度，减少系统组件的数量，提高系统的集成度和可靠性。5g毫米波频段的频率为24.25-52.6ghz，gan目前的频率应用范围拓展到了40ghz甚至更高，其满足了5g通讯对相应高频器件的需求。随着5g通讯技术的发展，高频高功率器件的需求日益增大，提高器件的射频性能成为gan基hemt研究的重要问题之一。
3.在gan基射频器件中，栅长和栅极面积是影响器件射频性能的重要参数，在一定条件下，减小栅长可有效提高器件的电流截止频率f
t
，增加栅极面积可以提高器件的功率增益截止频率f
max
，因此，在gan hemt器件中多采用t型栅结构以同时满足减小栅长和增大栅极面积的需求。t型栅结构具有较大的栅帽和较小的栅根，可在减小栅长的同时可以增大栅极面积，从而减小栅极电阻，进而保证hemt器件具有较高的电流和功率增益截止频率。
4.由于t型栅与器件材料的接触面积较小且栅跟较高，如果覆盖较大面积的栅帽时，较小的栅根难以支撑较大的栅帽，导致t型栅结构易发生坍塌。因此，基于工艺制作良率考虑， t型栅的栅帽长度有限，无法实现更大面积的扩展，这限制了gan hemt器件f
max
的进一步提高。

技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt，在器件结构上采用双栅根型栅结构，与t型栅结构相比，在具有相同栅长的情况下，双栅根型栅结构可以支撑更大的栅帽，可有效增大栅极面积，降低器件栅极电阻，从而提高inaln/ganhemt的功率增益截止频率f
max
和开关电流比i
on
/i
off
，并且有效地抑制了器件的漏致势垒降低效应(dibl)。
6.本发明的技术方案为：
7.一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt，包括自下而上依次设置的si衬底、gan 缓冲层、ingan背势垒层、gan沟道层、aln插入层、inaln势垒层和gan帽层；gan帽层上设置有源极、双栅根型栅极和漏极，且双栅根型栅极位于源极和漏极的中间，所述双栅根型栅极包括两个栅根和一个栅帽，两个栅根平行设置在栅帽的下方，且栅根设置在gan帽层上。
8.根据本发明优选的，源极与漏极的间距l
sd
为2-3μm；双栅根型栅极的一侧栅跟与源极的间距l
gs
为500-1000nm、双栅根型栅极的另一侧栅跟与漏极的间距l
gd
为500-1000nm；
9.进一步优选的，所述源极与漏极的间距l
sd
为2μm；双栅根型栅极的一侧栅跟与源极
的间距l
gs
为750nm、双栅根型栅极的另一侧栅跟与漏极的间距l
gd
为750nm。
10.双栅根型栅极与源极或者漏极的距离过大，会增强器件的栅源、栅漏寄生电阻，降低器件频率特性；距离过小，或造成工艺制备过程中套刻的难度，套刻偏差容易造成栅极与源极或者漏极互联。
11.根据本发明优选的，在双栅根型栅极中，两个栅跟长度均为50-100nm；栅跟间距为 200-400nm；两个栅跟高度均为100-200nm；
12.进一步优选的，在双栅根型栅极中，两个栅跟长度均为50nm；栅跟间距为400nm；两个栅跟高度均为150nm。
13.双栅根型栅极的栅跟长度过小时，难以支撑较大栅帽的重量，从而导致双栅根型栅极结构发生坍塌；双栅根型栅极的栅跟长度过大时会导致栅长较大，从而降低器件的电流截止频率。
14.栅根间距过大，会增大源漏间距，从而增大寄生电阻，降低器件频率特性；栅根间距过小，会降低栅帽长度，从而降低器件功率增益截止频率。栅根高度过高，容易导致栅根发生坍塌；栅根高度过小，栅帽距离沟道近，会增加器件栅极电阻，降低器件功率增益截止频率。
15.根据本发明优选的，双栅根型栅极的栅帽长度为400-800nm；进一步优选的，双栅根型栅极的栅帽长度为800nm。
16.栅帽过小时会导致栅极面积的减小，从而增加栅极电阻，进而降低hemt器件的电流和功率增益截止频率；栅帽过大时较小的栅根难以支撑其重量，从而导致双栅根型栅极结构发生坍塌。
17.根据本发明优选的，所述gan缓冲层的厚度为2-4μm，gan缓冲层未进行掺杂；所述 ingan背势垒层的厚度为2-4nm，in的摩尔比为10-15％；所述gan沟道层的厚度为10-30nm；所述aln插入层的厚度为0.7-1.5nm；所述inaln势垒层的厚度为5-9nm，in的摩尔比为 16-18％；所述gan帽层的厚度为2-3nm；
18.进一步优选的，所述gan缓冲层的厚度为2μm，gan缓冲层未进行掺杂；所述ingan 背势垒层的厚度为4nm，in的摩尔比为12％；所述gan沟道层的厚度为15nm；所述aln插入层的厚度为1nm；所述inaln势垒层的厚度为8nm，in的摩尔比为17％；所述gan帽层的厚度为2nm。
19.上述高功率增益截止频率的inaln/gan hemt的制备方法，包括步骤：
20.(1)使用mocvd设备在衬底的表面上依次生长gan缓冲层、ingan背势垒层、gan 沟道层、aln插入层、inaln势垒层和gan帽层；
21.(2)先在gan帽层上涂覆光刻胶，再利用光刻显影技术显露出需要进行台面隔离的区域；
22.(3)采用电感耦合等离子体(icp)设备，对台面隔离的区域进行台面隔离；台面隔离是指在器件的四周，刻蚀掉一定的深度，防止相邻器件之间漏电。
23.(4)清洗台面隔离的区域之外的光刻胶；
24.(5)先在gan帽层上涂覆光刻胶，再利用光刻显影技术显露出源极和漏极的区域；
25.(6)采用电子束蒸发沉积ti/al/ni/au多层金属；ti/al/ni/au多层金属作为源极和漏极；
26.(7)利用剥离工艺去除源极和漏极的区域之外的金属，从而制备得到源极和漏极；
27.(8)采用快速退火设备(rtp)进行退火处理，形成源极和漏极欧姆接触；
28.(9)采用电子束蒸发沉积ni/au双层金属；ni/au双层金属作为双栅根型栅极；
29.(10)采用电子束曝光工艺，进行双栅根型栅极，得到具有双栅根型栅极的inaln/ganhemt。
30.本发明的有益效果为：
31.1.本发明针对现有的t型栅结构inaln/gan hemt器件进行改进，制备了双栅根型栅结构inaln/gan hemt器件。与t型栅结构相比，在具有相同栅根长度的情况下，双栅根型栅结构可以支撑更大的栅帽，增大栅极面积，降低器件的栅电阻，从而提高inaln/gan hemt 的开关电流比i
on
/i
off
。采用本技术提供的方法，双栅根型栅结构inaln/gan hemt的开关电流比i
on
/i
off
相比于t型栅结构的器件提高了61％。
32.2.本发明针对现有的t型栅结构inaln/gan hemt器件进行改进，制备了双栅根型栅结构inaln/gan hemt器件。与t型栅结构相比，在具有相同栅长的情况下，双栅根型栅结构可以支撑更大的栅帽，增大栅极面积，降低器件栅电阻，从而抑制inaln/gan hemt的漏致势垒降低效应dibl。采用本技术提供的方法，双栅根型栅结构inaln/gan hemt的漏致势垒降低效应dibl相比于t型栅结构的器件降低了80％。
33.3.本发明针对现有的t型栅结构inaln/gan hemt器件进行改进，制备了双栅根型栅结构inaln/gan hemt器件。与t型栅结构相比，在具有相同栅长的情况下，双栅根型栅结构可以支撑更大的栅帽，增大栅极面积，降低器件栅电阻，从而提高inaln/gan hemt的功率增益截止频率f
max
。采用本技术提供的方法，双栅根型栅结构inaln/gan hemt的功率增益截止频率f
max
相比于t型栅结构的器件提高了79％。
附图说明
34.图1是t型栅结构inaln/gan hemt的横截面示意图。
35.图2是本发明提供的基于双栅根型栅结构的inaln/gan hemt的横截面示意图。
36.图3是栅结构inaln/gan hemt相比于t型栅结构器件在源漏电压v
ds
＝1v和10v时，源漏电流id取对数坐标的转移特性曲线示意图。
37.图4是t型栅结构inaln/gan hemt在源漏电压v
ds
＝10v，栅极偏压v
gs
＝-2.5v时的射频特性曲线示意图。
38.图5是双栅根型栅结构inaln/ganhemtinaln/gan hemt在源漏电压v
ds
＝10v，栅极偏压v
gs
＝-2.5v时的射频特性曲线示意图。
具体实施方式
39.下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
40.实施例1
41.一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt，如图2所示，包括自下而上依次设置的 si衬底、gan缓冲层、ingan背势垒层、gan沟道层、aln插入层、inaln势垒层和gan帽层；gan帽层上设置有源极和漏极；双栅根型栅极位于源极和漏极的中间。
42.所述gan缓冲层的厚度为2-4μm，gan缓冲层未进行掺杂；所述ingan背势垒层的厚
衬底、gan缓冲层、ingan背势垒层、gan沟道层、aln插入层、inaln势垒层和gan帽层； gan帽层上设置有源极和漏极；t型栅极位于源极和漏极的中间。
64.所述gan缓冲层的厚度为2μm；所述ingan背势垒层的厚度为4nm，in的摩尔比为12％；所述gan沟道层的厚度为15nm；所述aln插入层的厚度为1nm；所述inaln势垒层的厚度为8nm，in的摩尔比为17％；所述gan帽层的厚度为2nm。
65.所述源极与漏极的间距l
sd
为2μm；t型栅极的栅跟长度为100nm；t型栅极的栅跟高度为150nm；t型栅极的栅帽长度为400nm；t型栅极的栅跟与源极和漏极的间距l
gd
和l
gs
均为950nm。
66.将实施例2制备的inaln/gan hemt和对比例1制备的inaln/gan hemt的电学和射频性能测试对比：
67.(1)inaln/gan hemt的开关电流比i
on
/i
off
68.开关电流比i
on
/i
off
是指在源极漏极之间加上固定电压后，在栅极施加栅极偏压调控器件开关过程中，器件开启状态电流与关断状态电流的比值，其反应了栅极对导电沟道的控制能力。通过测试双栅根型栅和t型栅结构inaln/gan hemt的漏极电流id随栅源电压v
gs
变化的转移特性曲线，并对漏极电流id取对数坐标后，即可得到双栅根型栅和t型栅结构器件在不同源漏电压v
ds
下的开关电流比i
on
/i
off
，从而验证双栅根型栅结构增加inaln/gan hemt 开关电流比i
on
/i
off
这一方法的可行性。
69.图3为测试的双栅根型栅和t型栅结构inaln/gan hemt的漏极电流id(取对数坐标) 与栅极偏压v
gs
在源漏电压v
ds
＝10v和1v下的转移特性曲线。当源漏电压v
ds
＝10v时， t型栅结构器件的开态电流i
on
＝1.50a/mm，关态电流i
off
＝4.59
×
10-6
a/mm，开关电流比i
on
/i
off
＝ 3.6
×
105；双栅根型栅结构器件的开态电流i
on
＝1.31a/mm，关态电流i
off
＝2.38
×
10-6
a/mm，开关电流比i
on
/i
off
＝5.8
×
105；相比于t型栅结构器件提高了61％，结果表明双栅根型栅结构使得inaln/gan hemt的开关电流比i
on
/i
off
得到了有效提升，进而提高了器件的栅极控制能力。
70.(2)inaln/gan hemt的漏致势垒降低效应dibl
71.漏致势垒降低效应dibl是场效应晶体管中的一种短沟道效应。在长沟道场效应晶体管中，漏端偏压可以改变沟道的有效长度，但是源端的势垒保持不变，故漏端电压的改变不会影响器件的阈值电压。当源漏沟道靠近时，由于漏端到源端表面区域的电场渗透，漏端偏压会改变源端势垒高度，源端势垒的下降会引入额外的载流子从源端注入漏端，于是电流显著增加，导致阈值电压随着漏极偏压的升高而减小。通过测试双栅根型栅和t型栅结构 inaln/gan hemt的漏极电流id随栅源电压v
gs
变化的转移特性曲线，可得到双栅根型栅和 t型栅结构器件在不同源漏电压v
ds
下的阈值电压v
th
，将阈值电压差值δv
th
除去对应的源漏电压差值δv
ds
，即可得到衡量漏致势垒降低效应dibl的数值，从而验证双栅根型栅结构抑制inaln/gan hemt漏致势垒降低效应dibl这一方法的可行性。
72.图3为测试的双栅根型栅和t型栅结构inaln/gan hemt的漏极电流id(取对数坐标) 与栅极偏压v
gs
在源漏电压v
ds
＝10v和1v下的转移特性曲线。当源漏电压v
ds
＝10v时， t型栅结构器件的阈值电压为-4.45v，当源漏电压v
ds
＝1v时，t型栅结构器件的阈值电压为-4v，计算得到t型栅结构器件的dibl＝50mv/v。当源漏电压v
ds
＝10v时，双栅根型栅结构器件的阈值电压为-4.6v，当源漏电压v
ds
＝1v时，双栅根型栅结构器件的阈值电压为
ꢀ‑
4.5v，计
算得到双栅根型栅结构器件的dibl＝10mv/v，相比于t型栅结构器件降低了80％。结果表明双栅根型栅结构可以有效抑制inaln/gan hemt漏致势垒降低效应dibl。
73.(3)inaln/gan hemt的功率增益截止频率f
max
74.器件的电流增益截止频率f
t
和功率增益截止频率f
max
是表征微波功率晶体管频率特性的两个重要参数，反映了器件在高频下的工作能力，与器件可适用的工作频率范围密切相关。电流增益截止频率f
t
为器件输出端短路时电流增益|h
21
|2为0db时候的频率；功率增益截止频率f
max
为器件的单向功率增益u为0db时候的频率。栅极偏置电压v
gs
通常选在跨导最大值所对应的栅源电压附近，通过测试得到不同频率下器件的散射参数，再计算得到相应频率下的输出短路电流增益|h
21
|2和单向功率增益u随频率变化的曲线，再根据电流增益截止频率和功率增益截止频率的定义，以频率减少10倍，衰减增加20db(-20db/decade)的斜率将|h
21
|2和u曲线进行外推，得到0db时候所对应的频率值，即为器件的f
t
和f
max
，从而验证双栅根型栅结构提高inaln/gan hemt功率增益截止频率f
max
这一方法的可行性。
75.如图4和图5所示，当源漏电压v
ds
＝10v、栅极偏压v
gs
＝-2.5v时，双栅根型栅结构器件的功率增益截止频率f
max
＝250ghz，相比于t型栅结构器件的功率增益截止频率f
max
＝140 ghz，提高了79％，结果表明双栅根型栅结构使得inaln/gan hemt的功率增益截止频率f
max
得到了有效提高。
76.综上可知，与t型栅结构相比，在具有相同栅长的情况下，双栅根型栅结构可以支撑更大的栅帽，可有效增大栅极面积，降低器件栅极电阻，从而提高inaln/gan hemt的功率增益截止频率f
max
和开关电流比i
on
/i
off
，并且有效地抑制了器件的漏致势垒降低效应(dibl)。

技术特征：

1.一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt，其特征在于，包括自下而上依次设置的si衬底、gan缓冲层、ingan背势垒层、gan沟道层、aln插入层、inaln势垒层和gan帽层；gan帽层上设置有源极、双栅根型栅极和漏极，且双栅根型栅极位于源极和漏极的中间，所述双栅根型栅极包括两个栅根和一个栅帽，两个栅根平行设置在栅帽的下方，且栅根设置在gan帽层上。2.根据权利要求1所述的一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt，其特征在于，源极与漏极的间距l
sd
为2-3μm；双栅根型栅极的一侧栅跟与源极的间距l
gs
为500-1000nm、双栅根型栅极的另一侧栅跟与漏极的间距l
gd
为500-1000nm。3.根据权利要求2所述的一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt，其特征在于，所述源极与漏极的间距l
sd
为2μm；双栅根型栅极的一侧栅跟与源极的间距l
gs
为750nm、双栅根型栅极的另一侧栅跟与漏极的间距l
gd
为750nm。4.根据权利要求1所述的一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt，其特征在于，在双栅根型栅极中，两个栅跟长度均为50-100nm；栅跟间距为200-400nm；两个栅跟高度均为100-200nm。5.根据权利要求4所述的一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt，其特征在于，在双栅根型栅极中，两个栅跟长度均为50nm；栅跟间距为400nm；两个栅跟高度均为150nm。6.根据权利要求1所述的一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt，其特征在于，双栅根型栅极的栅帽长度为400-800nm。7.根据权利要求6所述的一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt，其特征在于，双栅根型栅极的栅帽长度为800nm。8.根据权利要求1所述的一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt，其特征在于，所述gan缓冲层的厚度为2-4μm，gan缓冲层未进行掺杂；所述ingan背势垒层的厚度为2-4nm，in的摩尔比为10-15％；所述gan沟道层的厚度为10-30nm；所述aln插入层的厚度为0.7-1.5nm；所述inaln势垒层的厚度为5-9nm，in的摩尔比为16-18％；所述gan帽层的厚度为2-3nm。9.根据权利要求8所述的一种高功率增益截止频率的inaln/gan hemt，其特征在于，所述gan缓冲层的厚度为2μm，gan缓冲层未进行掺杂；所述ingan背势垒层的厚度为4nm，in的摩尔比为12％；所述gan沟道层的厚度为15nm；所述aln插入层的厚度为1nm；所述inaln势垒层的厚度为8nm，in的摩尔比为17％；所述gan帽层的厚度为2nm。10.根据权利要求1-9任一项所述的高功率增益截止频率的inaln/gan hemt的制备方法，其特征在于，包括步骤：(1)使用mocvd设备在衬底的表面上依次生长gan缓冲层、ingan背势垒层、gan沟道层、aln插入层、inaln势垒层和gan帽层；(2)先在gan帽层上涂覆光刻胶，再利用光刻显影技术显露出需要进行台面隔离的区域；(3)采用电感耦合等离子体设备，对台面隔离的区域进行台面隔离；(4)清洗台面隔离的区域之外的光刻胶；(5)先在gan帽层上涂覆光刻胶，再利用光刻显影技术显露出源极和漏极的区域；(6)采用电子束蒸发沉积ti/al/ni/au多层金属；
(7)利用剥离工艺去除源极和漏极的区域之外的金属，从而制备得到源极和漏极；(8)采用快速退火设备进行退火处理，形成源极和漏极欧姆接触；(9)采用电子束蒸发沉积ni/au双层金属；(10)采用电子束曝光工艺，进行双栅根型栅极，得到具有双栅根型栅极的inaln/gan hemt。

技术总结

本发明涉及一种高功率增益截止频率的InAlN/GaN HEMT及其制备方法，InAlN/GaNHEMT包括Si衬底、GaN缓冲层、InGaN背势垒层、GaN沟道层、AlN插入层、InAlN势垒层和GaN帽层；GaN帽层上设置有源极、双栅根型栅极和漏极，且双栅根型栅极位于源极和漏极的中间，双栅根型栅极包括两个栅根和一个栅帽，两个栅根平行设置在栅帽的下方，且栅根设置在GaN帽层上。本申请提供的双栅根型栅结构可以支撑更大的栅帽，增大栅极面积，降低器件的栅电阻，提高InAlN/GaN HEMT的开关电流比，抑制漏致势垒降低效应，提高功率增益截止频率。高功率增益截止频率。高功率增益截止频率。