[发明专利]一种低射频损耗的硅基氮化镓射频功率器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低射频损耗的硅基氮化镓射频功率器件及其制备方法，所述制备方法包括：选取电阻率为10Ω.cm‑20000Ω.cm的Si衬底，并根据所述Si衬底的不同电阻率在所述Si衬底的正面生长不同厚度的单晶α‑Al₂O₃隔离层；在所述单晶α‑Al₂O₃隔离层上生长AlGaN/GaN异质结外延结构；在所述AlGaN/GaN异质结外延结构上形成源、漏欧姆接触、台面隔离及钝化层，形成栅极以及互连金属，完成器件正面工艺；在对器件正面进行保护的条件下对所述Si衬底的背面进行超深度刻蚀，以暴露栅极与漏极的竖直方向之间区域的所述单晶α‑Al₂O₃隔离层。本发明通过单晶α‑Al₂O₃隔离层及硅衬底背面刻蚀工艺来减小硅衬底引入的插入损耗，改善高频漏电情况，能够有效地改善功率附加效率及漏极效率。

技术领域

本发明属于射频微波器件技术领域，具体涉及一种低射频损耗的硅基氮化镓射频功率器件及其制备方法。

背景技术

近年来，以GaN为代表的第三代半导体迅猛发展，能在SiC、蓝宝石以及Si衬底上得到较好的外延结构。GaN材料具有较大的禁带宽度(3.4eV)，为直接带隙半导体，具有较高的饱和电子漂移速度，在微波尤其是毫米波应用中具有显著的优势。除此之外，GaN材料具有高热导率、高击穿电压、较强的抗辐射能力及较好的耐高温特性，适合制作高频、高效率、耐高压的射频微波器件，在太空探索、军用雷达及5G通信等领域得到了广泛的应用。

Si基GaN射频功率器件具有较低的成本、大尺寸衬底及较好的CMOS电路兼容性，在射频微波应用领域具有较为明显的优势。近年来，随着硅基外延技术逐渐成熟，Si基GaN射频功率器件的微波和功率特性已经可以与SiC基GaN相比拟，但是仍然存在以下问题：(1)存在较大的晶格失配，外延生长高质量GaN材料具有一定难度；(2)硅衬底漏电较大，在施加射频信号时尤为明显，引入不可忽视的射频插入损耗RF Loss等寄生效应。总而言之，Si基GaN射频功率器件存在高质量GaN外延生长和射频损耗等问题，极大地限制了器件的频率特性和功率特性。

目前通常选择高阻硅HR-Si作为衬底，衬底阻值越高，引入的衬底漏电和插入损耗越小，从而有效地抑制衬底漏电和插入损耗。然而，由于在HR-Si衬底上外延GaN时，首先进行AlN成核层的生长，而AlN/Si界面的晶格失配较大，且AlN材料具有强极化特性，界面处的剩余应力使得能带弯曲，形成一个电子沟道层，在该处增加了一个额外的漏电通路。且由于电子被限制在一个方形势阱中，迁移率较高，使得深入缓冲层的电流除了流经HR-Si之外，还会沿该沟道层流动，增大了基底材料的热耗散。除了界面电子沟道层，Al原子以及Ga原子的扩散会在硅衬底表面形成受主型杂质，从而引入一个空穴层，形成另一种界面漏电通道，增大插入损耗，研究表明低温生长的氮化铝成核层能够有效地抑制Al原子以及Ga原子的扩散。

为了解决插入损耗的问题，目前国际上多采用改变AlN成核层生长条件的方法，由于不同的成核层厚度对插入损耗有较大的影响，一种现有方法通过减小成核层厚度，有效地减小界面沟道漏电，进而降低插损，然而该方法会引入另一个问题，即虽然较薄的AlN成核层能够有效地降低插入损耗，但会造成外延GaN缓冲层晶体质量的退化，影响器件的直流特性。为此引入了另一种方法，采用高温-低温-高温间隔生长的方法形成一种新型AlN成核层，即HLH-AlN Nucleation，此方法可以在减小成核层厚度的同时生长出高晶格质量的GaN缓冲层，即在降低器件插入损耗的同时维持较好的直流特性。但是以上两种方法存在以下问题：(1)无法从根本上消除两种界面漏电通道，界面沟道仍然存在；(2)由于成核层上下部分采用高温生长方式，无法有效地抑制Al原子和Ga原子的扩散，无法消除空穴漏电层的影响；(3)高温下，硅衬底存在严重的热耦合效应，引入的衬底漏电较大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低射频损耗的硅基氮化镓射频功率器件及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：