一种基于栅极终端电场调控的氮化镓器件制备方法及器件

本发明属于微电子，具体涉及一种基于栅极终端电场调控的氮化镓器件制备方法及器件。

背景技术：

1、在5g和未来6g等技术的推动下，现代无线通信系统在数据传输速率和系统容量方面正面临着巨大的挑战。然而，氮化镓器件凭借其卓越的材料特性，已经崭露头角，广泛应用于高频率和大功率领域，为各种应用提供了广泛的潜力，包括但不限于超高容量的高速移动通信、高分辨率雷达、保密通信等军事和民用领域的激光武器。

2、为了进一步提升氮化镓器件的输出功率密度，通常将两个或多个导电沟道并联形成双沟道或多沟道结构，以此降低器件的沟道导通电阻，提升饱和输出电流，进而实现输出功率密度的改善。然而，常规的双沟道或多沟道结构通常具有较大的势垒层厚度，使得栅极离下层的导电沟道距离较远，栅控能力差。这一方面会导致器件的关态漏电增大，降低击穿电压，限制器件的工作电压范围，此外，较大的关态漏电通常会导致器件的工作效率较低，严重影响系统待机时长和能耗，造成较大的能源浪费。同时多沟道结构中较厚的沟道层会阻碍不同沟道电子之间的耦合，使得器件的跨导轮廓出现明显的双峰特性，跨导平坦度受到影响，进而造成毫米波功率器件增益压缩迅速，交调特性差，线性度恶化严重，会限制多沟道氮化镓器件在现代无线通信系统领域的应用前景。

3、针对以上提及的双/多沟道结构的氮化镓器件的问题，研究人员已经开展了多项相关的技术研究，为了解决多沟道结构因势垒层较厚导致的栅控能力较差的问题，josephine chang等人在2019年提出三维栅结构增强了栅控能力，可以实现1.8a/mm的饱和输出电流和6w/mm的输出功率密度。但该技术通常是以牺牲器件的栅宽为代价，使得器件的实际栅宽大于有效栅宽，并不利于系统的集成，具体的，该种技术通过对器件栅宽方向的多沟道势垒层进行周期性地刻蚀，使得栅金属电极对多沟道形成三维方向的环绕结构，该种技术的栅电极主要包括顶部的平面栅和两侧的侧栅结构，通过平面栅可以实现对顶沟的控制作用，通过侧栅可以实现对下放的沟道进行调控，从而实现栅对沟道载流子的开关控制作用。然而该种技术通常会造成实际栅宽小于器件的有效栅宽，使得器件的实际导通能力受到严重影响，且在整个器件的准备过程中通常会造成较大的刻蚀损伤，引入严重的界面态问题。此外，侧壁栅的调控作用严重依赖于三维栅结构单个周期的阵列化宽度，当宽度较大时，侧壁只能对两侧的部分载流子进行调控，对离侧壁较远的中间区域则无法形成有效的栅控。同时刻蚀会使得异质结界面处的晶格应力释放，减少二维电子气浓度，器件输出电流降低，输出功率密度严重退化。此外，三维栅结构形成的寄生电容也限制了器件的应用频率。

4、针对双沟道结构中因较厚的沟道层厚度导致沟道间载流子耦合作用较差的问题，qian yu等人在2023年采用沟道层的si掺杂技术增强了双沟道之间的耦合作用，使得器件的跨导平坦度得到了有效改善，器件在3.6ghz下的oip3达到39.3dbm，然而该项技术并未解决双/多沟道结构栅控能力较差的问题，器件的截止频率较低，使得器件的工作频率范围受到限制，难以满足更高频段下的应用需求。具体的，该种技术主要通过对多沟道结构的下方势垒层进行si掺杂，以此降低沟道之间的能带势垒，通过该种技术可以使得不同沟道间的载流子在较高电场作用下实现沟道之间的耦合迁移，从而改善器件跨导轮廓的双峰特性，进一步使得器件的线性度得到有效改善，然而有效的si掺杂需要较厚的下方势垒厚度才能保证能带结构的有效调制，且较大浓度的si掺杂可能会造成下方沟道载流子散射作用加剧，使得下方沟道迁移率降低，限制器件的饱和输出电流。同时该种技术并未有效解决栅电极对下方沟道调控作用弱的问题，器件的关态特性较差。

5、另外还有相关技术采用背势垒结构提高载流子限域性，该种技术通过在下方沟道层增加一层ingan等背势垒结构，提升下方沟道载流子的限域性，以此改善器件的关态特性。但采用背势垒的多个叠层结构一方面使得器件的材料结构复杂，生长过程困难，同时背势垒结构可能会感生出下方buffer层的导电通道，在较高电场下造成器件源漏区域贯通，发生器件的击穿，从而限制器件的工作电压范围，同样地，该种技术并未有效解决栅电极对沟道控制能力较弱的问题，使得器件的亚阈特性较差，频率特性受到限制，难以胜任更高频段诸如ka及以上工作频段的应用需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于栅极终端电场调控的氮化镓器件制备方法及器件。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明实施例提供了一种基于栅极终端电场调控的氮化镓器件制备方法，所述方法包括：

3、在衬底层上依次生长gan缓冲层、至少两个由沟道层和势垒层组成的异质结；

4、在最后生长出的顶层势垒层的表面制备源电极和漏电极；

5、在所述源电极、所述漏电极以及所述顶层势垒层的表面生长钝化层；

6、在所述钝化层中形成源电极和漏电极对应的互联金属层孔洞；

7、在所述源电极和所述漏电极间靠近所述源电极的位置刻蚀钝化层制作栅电极；

8、根据栅极终端电场调控的需求确定辅助栅极参数，根据所述辅助栅极参数，通过刻蚀钝化层制作辅助栅极；其中，所述辅助栅极参数包括辅助栅极位置信息、辅助栅极深度、辅助栅极金属功函数和辅助栅极偏置电压中的一个或多个；所述辅助栅极位置信息表示辅助栅极与所述栅电极的位置关系；所述辅助栅极深度表示所述辅助栅极接触的势垒层的位置；

9、根据形成的源电极和漏电极对应的互联金属层孔洞位置，制备源电极和漏电极对应的互联金属层。

10、在本发明的一个实施例中，所述辅助栅极位置信息，包括：

11、所述辅助栅极在所述栅电极和所述源电极之间，或所述辅助栅极在所述栅电极和所述漏电极之间。

12、在本发明的一个实施例中，所述辅助栅极位置信息，还包括：所述辅助栅极和所述栅电极的距离。

13、在本发明的一个实施例中，所述辅助栅极和所述栅电极的距离包括0，以使得所述辅助栅极和所述栅电极形成一体化栅极。

14、在本发明的一个实施例中，所述辅助栅极深度，包括：

15、所述辅助栅极接触所述顶层势垒层的表面，或所述辅助栅极通过刻蚀凹槽的方式接触除所述顶层势垒层以外的其余势垒层的表面。

16、在本发明的一个实施例中，所述辅助栅极金属功函数，包括：

17、与所述栅电极相同的金属功函数，或与所述栅电极不同的金属功函数。

18、在本发明的一个实施例中，所述辅助栅极偏置电压，包括：

19、与所述栅电极相同的偏置电压，或与所述栅电极不同的偏置电压。

20、在本发明的一个实施例中，所述衬底层的材料，包括：

21、sic、蓝宝石、si、gan。

22、在本发明的一个实施例中，任一势垒层的材料，包括：

23、algan、aln、inaln、scaln、inalgan以及n面gan层。

24、第二方面，本发明实施例提供了一种氮化镓器件，所述氮化镓器件根据第一方面所述的基于栅极终端电场调控的氮化镓器件制备方法制备得到。

25、本发明的有益效果：

26、本发明实施例中，通过根据栅极终端电场调控的需求确定辅助栅极参数，包括辅助栅极位置信息、辅助栅极深度、辅助栅极金属功函数和辅助栅极偏置电压中的一个或多个；根据所述辅助栅极参数制作辅助栅极，能够形成不同的辅助栅极结构，从而形成不同的氮化镓器件结构，可以有效改善双/多沟道结构因顶部栅电极离下沟道层载流子的距离较远导致的栅控能力差，器件关态特性退化，工作效率低的问题，同时，辅助栅极结构可以有效平坦化沟道之间的电场分布，提升双/多异质结器件在高场下的rs稳定性，从而实现器件跨导轮廓的平坦化调制，改善明显双峰特性，使得线性度得到有效提升，为双/多异质结氮化镓器件在高功率、高线性的微波通信领域的应用提供新的优化技术方案。