一种高线性氮化镓HBT射频功率器件及其制备方法与流程

本发明涉及一种射频功率器件，具体涉及一种高线性氮化镓hbt射频功率器件及其制备方法，属于射频功率器件领域。

背景技术：

gan第三代半导体因具有较宽的禁带宽度(3.4ev)、高击穿场强(3mv/cm)以及在室温可以获得很高的电子迁移率(1500cm²/(v·s))、极高的峰值电子速度(3×10⁷cm/s)和高二维电子气浓度(2×10¹³cm²)，algan/ganhemts功率器件正在逐渐取代rf-ldmos、gaas功率器件，成为相控阵雷达中t/r组件的首选微波功率器件。另一方面，随着5g通信对海量数据宽带传输的迫切需求，在高频段工作且有高功率密度优势的algan/ganhemts器件在民用无线通信中又将大展身手，但前者在5g通信应用中也面临着高频调制信号的高线性传输等难点需要突破。

近些年，研究人员重点围绕algan/ganhemts器件分别从材料、器件与应用等方面对高线性射频功率器件开展了深入的研究。在材料方面，通过变al组分形成主从复合沟道以线性化跨导gm。研究人员也提出了基于finfet结构的algan/ganhemts新器件，以解决源栅间的电流饱和raccess,gs较大的问题，但鱼鳍结构导致射频功率性能退化。

此外，长期以来，双极型器件因其具有较好的线性度、较高的电流增益等优点，曾一直是硅基微波功率器件的主要器件结构，而随着微波器件技术的发展，符合摩尔定律的表面型微波功率器件成为趋势，被用于研制面向4g-lte应用rf-ldmos、相控阵雷达应用微波algan/ganhemts功率器件，但该器件结构存在不利于功率密度提升的技术难点。

近些年，algan/ganhemt微波功率器件已在相控阵应用获得成功，但随着上述器件在面向5g应用中也逐渐暴露出线性度低、应用尚未能覆盖移动终端等弊端。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种在p-gan非本征基区采用成熟的p型si半导体实现自镇流结构的高线性氮化镓hbt射频功率器件及其制备方法。

本发明提供了一种高线性氮化镓hbt射频功率器件，具有这样的特征，包括：外延材料层，由非均匀掺杂的ganonsapphire制成；次集电层，设置在外延材料层上方，由高掺杂n⁺-gan材料制成；集电层，设置在次集电层上方，由非故意掺杂gan材料制成；氮化硅层，设置在集电层上方，具有一对沿氮化硅层中心线对称设置的集电极接触孔以及一对沿氮化硅层中心线对称设置在一对集电极接触孔内侧的外延窗口；集电极接触孔金属层，填充在集电极接触孔内；p-氮化镓基层，与外延窗口大小相适应并填充在外延窗口内；发射极层，设置在p-氮化镓基层上方，包括从下而上依次设置的n⁺-algan发射极层以及发射极金属层；p型多晶硅层，设置在一对外延窗口之间的氮化硅层上方；以及基极金属层，设置在p型多晶硅层上方。

在本发明提供的高线性氮化镓hbt射频功率器件中，还可以具有这样的特征：其中，述外延材料层厚度为1.5μm-2.5μm，次集电层厚度为0.5μm-1.5μm，集电层的厚度为0.25μm-0.75μm，外延窗口的线宽为0.5μm-1.5μm，p-氮化镓基层的厚度为60nm-80nm，n⁺-algan发射极层的厚度为40nm-60nm，发射极层的线宽为0.25μm-0.75μm，p型多晶硅层的厚度为0.1μm-0.2μm。

在本发明提供的高线性氮化镓hbt射频功率器件中，还可以具有这样的特征：其中，发射极金属层包括从下而上依次设置的厚度为15nm-25nm的钛层、厚度为110nm-130nm的铝层、厚度为50nm-60nm的镍层以及厚度为60nm-70nm的金层。

在本发明提供的高线性氮化镓hbt射频功率器件中，还可以具有这样的特征：其中，集电极接触孔金属层包括从下而上依次设置的厚度为15nm-25nm的钛层以及厚度为110nm-130nm的铝层。

在本发明提供的高线性氮化镓hbt射频功率器件中，还可以具有这样的特征：其中，基极金属引线层包括从下而上依次设置的厚度为15nm-25nm的钛层以及厚度为110nm-130nm的铝层。

本发明还提供了一种高线性氮化镓hbt射频功率器件的制备方法，具有这样的特征：包括如下步骤：s1，在非均匀掺杂的ganonsapphire上方使用金属有机化合物化学气相沉淀法依次沉积高掺杂n⁺-gan以及非故意掺杂gan，依次形成次集电层和集电层；s2，在集电层上方使用等离子体增强化学的气相沉积法法沉积sin，形成氮化硅层；s3，在氮化硅层表面使用缓冲氟化物刻蚀液刻蚀，形成外延窗口；s4，在外延窗口中依次外延p-gan以及n⁺-algan，从而形成p-氮化镓基层以及n⁺-algan发射极层；s5，在氮化硅层以及n⁺-algan发射极层上方沉积金属，光刻，打开发射极窗口，采用反应离子刻蚀法刻蚀金属以及氮化硅层，刻蚀停留在p-氮化镓基层表面，形成发射极；s6，快速热处理，形成发射极的欧姆接触，光刻，打开外基区窗口；s7，物理气相沉积溅射p型α-si，剥离去胶，炉退火，将p型α-si转变为p型多晶硅，形成p型多晶硅层；s8，光刻sin介质层至集电层上表面，形成集电极接触孔，光刻至p型多晶硅上表面，形成基极金属孔；s9，采用电子束蒸发金属填充至集电极接触孔以及基极金属孔，分别形成集电极接触孔金属层以及基极金属层；s10，剥离去胶，快速热退火，使集电极接触孔金属层以及基极金属层形成欧姆接触，即得高线性氮化镓hbt射频功率器件。

在本发明提供的高线性氮化镓hbt射频功率器件的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，沉积高掺杂n⁺-gan的掺杂浓度为2.5×10¹⁸cm^-3-3.5×10¹⁸cm^-3。

在本发明提供的高线性氮化镓hbt射频功率器件的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，p型α-si的掺杂浓度为0.5×10²⁰cm^-3-1.5×10²⁰cm^-3。

在本发明提供的高线性氮化镓hbt射频功率器件的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤s7中炉退火温度为800℃-820℃，炉退火的时间为20min-30min。

在本发明提供的高线性氮化镓hbt射频功率器件的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤s10中快速热退火的温度为800℃-850℃，快速热退火的时间为45s-55s。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的高线性氮化镓hbt射频功率器件，因为在p-gan非本征基区采用成熟的p型si半导体实现自镇流结构，同时利用多晶硅互连线rb为镇流电阻。所以，本发明可以利用这个负反馈结构降低器件i-v中的非线性分量。

根据本发明所涉及的高线性氮化镓hbt射频功率器件，因为采用了多晶硅互连线有效地缩短非本征基区区域，所以本发明能够降低rc延迟时间，明显提高器件高的ft、fmax高频参数。

附图说明

图1是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件的结构示意图；

图2是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件制备方法步骤1得到的中间产品结构示意图；

图3是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件制备方法步骤2得到的中间产品结构示意图；

图4是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件制备方法步骤3得到的中间产品结构示意图；

图5是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件制备方法步骤4得到的中间产品结构示意图；

图6是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件制备方法步骤5得到的中间产品结构示意图；

图7是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件制备方法步骤6得到的中间产品结构示意图；

图8是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件制备方法步骤7得到的中间产品结构示意图；

图9是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件制备方法步骤8得到的中间产品结构示意图；

图10是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件在电路中的应用示意图；

图11是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件沿x轴方向的能级示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

<实施例>

图1是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件的结构示意图。

如图1所示，高线性氮化镓hbt射频功率器件包括：外延材料层、次集电层、集电层、氮化硅层、集电极接触孔金属层、p-氮化镓基层、发射极层、p型多晶硅层以及基极金属层。

外延材料层由非均匀掺杂的ganonsapphire制成，厚度为2μm。

次集电层(subcollerctor层)设置在外延材料层上方且与外延材料层接触，由高掺杂n⁺-gan材料制成，厚度为1μm。沉积高掺杂n⁺-gan的掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3。

集电层(collerctorlayer层)设置在次集电层上方且与次集电层接触，由非故意掺杂gan材料制成，厚度为0.5μm。

氮化硅层设置在集电层上方且与集电层接触，具有一对沿氮化硅层中心线对称设置的集电极接触孔以及一对沿氮化硅层中心线对称设置在一对集电极接触孔内侧的外延窗口。其中，外延窗口的线宽lbase＝1.0μm。

集电极接触孔金属层填充在集电极接触孔内，厚度为140nm，集电极接触孔金属层由从下而上依次设置的厚度为20nm的钛层以及厚度为120nm的铝层组成。

p-氮化镓基层与外延窗口大小相适应并填充在外延窗口内，厚度为70nm，线宽为1μm。

发射极层包括从下而上依次设置的n⁺-algan发射极层以及发射极金属层，设置在p-氮化镓基层上方，其中n⁺-algan发射极层与p-氮化镓基层接触。发射极层的线宽lemitter＝0.5μm。

n⁺-algan发射极层由n⁺-algan材料制成，设置在p-氮化镓基层上方，与p-氮化镓基层接触，厚度为50nm，线宽0.5μm，位于发射基层中心位置。

发射极金属层设置在n⁺-algan发射极层上方，与n⁺-algan发射极层接触，厚度为260nm，线宽0.5μm，由从下而上依次为厚度为20nm的钛层、120nm的铝层、55nm的镍层和65nm的金层组成。

p型多晶硅层设置在一对外延窗口之间的氮化硅层上方且与氮化硅层接触，厚度为1.5μm。

基极金属层设置在p型多晶硅层上方且与p型多晶硅层接触，厚度为140nm，由从下而上依次设置的厚度为20nm的钛层以及厚度为120nm的铝层组成。

本实施例提供的高线性氮化镓hbt射频功率器件的制备方法步骤如下：

s1，在非均匀掺杂的ganonsapphire上方使用金属有机化合物化学气相沉淀法(mocvd法)依次沉积高掺杂n⁺-gan(掺杂浓度3×10¹⁸cm^-3)以及非故意掺杂gan，依次形成次集电层和集电层，得到如图2所示的中间产品；

s2，在集电层上方使用等离子体增强化学的气相沉积法法(pecvd法)沉积sin，形成厚度为0.12μm的氮化硅层，得到如图3所示的中间产品；

s3，使用光刻刻蚀法确定外延窗口所在位置，然后在氮化硅层表面使用缓冲氟化物刻蚀液(boe)刻蚀，形成外延窗口，得到如图4所示的中间产品；

s4，在外延窗口中依次外延70nm的p-gan以及50nm的n⁺-algan，从而形成p-氮化镓基层以及n⁺-algan发射极层，其中，外延窗口的线宽lbase＝1μm，得到如图5所示的中间产品；

s5，在氮化硅层以及n⁺-algan发射极层上方沉积金属，从下而上依次沉积20nm的钛层、120nm的铝层、55nm的镍层和65nm的金层，在金层表面涂覆光刻胶，光刻，打开发射极窗口，采用反应离子刻蚀法(rie法)刻蚀金属以及氮化硅层，刻蚀停留在p-氮化镓基层表面，去除光刻胶后形成发射极，发射极的线宽lemitter＝0.5μm，得到如图6所示的中间产品；

s6，对图6中所示的中间产品进行快速热处理(rtp)，快速热处理的温度为850℃，快速热处理的时间为50s，形成发射极的欧姆接触，随后在上表面进行涂覆光刻胶，光刻，打开外基区窗口，得到如图7所示的中间产品；

s7，在外基区窗口物理气相沉积溅射(pvd)厚度为0.15μmp型α-si(掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3)，剥离去除光刻胶，在810℃下炉退火25min，将p型α-si转变为p型多晶硅，形成p型多晶硅层，得到如图8所示的中间产品；

s8，在图8所示的中间产品上表面涂覆光刻胶，光刻sin介质层至集电层上表面，形成集电极接触孔，光刻至p型多晶硅上表面，形成基极金属孔，得到如图9所示的中间产品；

s9，采用电子束蒸发厚度为20nm的钛层以及厚度为120nm的铝层填充至集电极接触孔以及基极金属孔，分别形成集电极接触孔金属层以及基极金属层；

s10，剥离去胶，快速热退火(rta)，快速热退火的温度为825℃，快速热退火的时间为50s，使集电极接触孔金属层以及基极金属层形成欧姆接触，即得如图1所示的高线性氮化镓hbt射频功率器件。

图10是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件在电路中的应用示意图。

如图10所示，利用硅基polysi作为布线形成hbt的rb，实现了si、gan工艺的交融，且较好地起到了镇流作用，这对hbt的负反馈、非线性具有明显的改善。polysi布线层明显减小器件的本征区，前者位于介质层sin上，故实现了c、b电极隔离，故明显改善器件的高频率特性。

图11是本发明的实施例中高线性氮化镓hbt射频功率器件沿x轴方向的能级示意图。

如图11所示，因si的禁带宽度约为gan宽禁带半导体的1/3，故作为p型基极，当p-si(禁带宽度1.12ev)与p-gan接触后形成的异质结价带差δev1大于p-gan(禁带宽度3.4ev)/p-gan异质结价带差δev2，即p-si的价带比p-gan的价带电势能更低，故空穴更容易从p-gan向p-si移动。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的高线性氮化镓hbt射频功率器件，因为在p-gan非本征基区采用成熟的p型si半导体实现自镇流结构，同时利用多晶硅互连线rb为镇流电阻。所以，本实施例可以利用这个负反馈结构降低器件i-v中的非线性分量。

根据本实施例所涉及的高线性氮化镓hbt射频功率器件，因为采用了多晶硅互连线有效地缩短非本征基区区域，所以本实施例能够降低rc延迟时间，明显提高器件高的ft、fmax高频参数。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。