一種AlGaN/GaN HEMT晶體管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提出一種AlGaN/GaNHEMT晶體管及其制造方法，屬于高電子迀移率晶體管領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁鎵氮化合物(AlGaN)/氮化鎵(GaN)高電子迀移率晶體管(HEMT)作為第三代寬禁帶化合物半導(dǎo)體器件具有更大輸出功率、更寬工作帶寬和更高工作效率以及更強(qiáng)的抗輻射能力等優(yōu)勢，使其應(yīng)用前景廣闊。AlGaN/GaN HEMT微波功率器件大的輸出功率得益于其高的功率密度，現(xiàn)有報道GaN微波功率器件輸出功率密度可達(dá)30W/mm以上(Wu et al.1EEEElectron Device Lett.,Vol.25,N0.3,pp.117-119,2004.)，但現(xiàn)階段推出的AlGaN/GaNHEMT微波功率管和功率MMIC產(chǎn)品的輸出功率密度普遍只有35W/mm，與報道的最高輸出功率密度相差甚遠(yuǎn)。造成AlGaN/GaN HEMT微波功率器件產(chǎn)品輸出功率密度較低的一個最大原因是器件工作時溝道中的熱量無法有效得到發(fā)散，使得進(jìn)一步提升器件功率密度后的結(jié)溫將遠(yuǎn)超器件能夠進(jìn)行可靠工作的最高結(jié)溫。因此有必要增強(qiáng)器件的散熱能力，使得AlGaN/GaNHEMT器件工作時的熱量得到有效發(fā)散，以降低工作時的結(jié)溫，充分發(fā)揮AlGaN/GaN HEMT器件大功率的優(yōu)勢。
[0003]要增強(qiáng)AlGaN/GaNHEMT器件的散熱能力，首先需要弄清楚影響器件散熱的瓶頸環(huán)節(jié)。圖1中所示為以SiC作為襯底的AlGaN/GaN HEMT器件的一般結(jié)構(gòu)和該器件熱傳導(dǎo)過程的示意圖，溝道中產(chǎn)生的熱量要通過GaN緩沖層、成核層以及SiC襯底最終散到器件的熱沉上，其中SiC襯底的熱導(dǎo)率可以達(dá)到400W/mK，而GaN緩沖層以及成核層由于缺陷密度較高，熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于SiC襯底的熱導(dǎo)率，成為制約GaN器件溝道中熱量向熱沉發(fā)散的瓶頸。
[0004]為增強(qiáng)AlGaN/GaNHEMT器件散熱能力，一種方法是通過提升GaN緩沖層和成核層的晶體質(zhì)量以提高其熱導(dǎo)率，但是GaN材料理論上的熱導(dǎo)率最高也只有150W/mK，其外延材料晶體質(zhì)量即使達(dá)到理想狀態(tài)時依然是器件散熱的瓶頸。為了 GaN緩沖層和成核層這一散熱瓶頸，另一種方法是將GaN外延材料轉(zhuǎn)移到導(dǎo)熱更好的金剛石襯底上，如圖2所示，去除成核層，GaN緩沖層只保留很薄的一層，將外延層對散熱的影響降到最低，同時由于引入了導(dǎo)熱性能更好的金剛石襯底材料，預(yù)計器件整體散熱性能將提升3倍以上(F.Faili etal.Development of 111-Nitride HEMTs on CVD Diamond Substrates, CS MANTECHConference，2011.)。該方法的難點(diǎn)在于將GaN外延層減薄到盡可能薄的程度但外延層性能不發(fā)生明顯退化，以及將減薄后的GaN外延層鍵合到金剛石襯底上，鍵合所用的材料一方面要兼容后續(xù)的器件工藝，同時還不能額外引入較大的熱阻?；谠摲椒ǎ壳耙殉晒?shí)現(xiàn)了金剛石襯底GaN HEMT樣品的研制(M.Tyhach et al.Comparison of GaN on Diamond withGaN on SiC HEMT and MMIC Performance ,CS MANTECH Conference，2012.)，但是研制的器件性能依然有待進(jìn)一步提升，因此預(yù)計還有許多關(guān)鍵工藝有待進(jìn)一步突破。
[0005]由于GaN器件溝道中產(chǎn)生的熱量要通過GaN緩沖層、成核層以及SiC襯底最終散到器件的熱沉上，其中GaN緩沖層、成核層對縱向和橫向散熱都是主要瓶頸，而從溝道下方入手來改善器件散熱能力技術(shù)難度較大，換一種思路是從溝道上方入手來改善器件的散熱能力，且技術(shù)上要更加易行。從溝道上方入手來改善器件散熱能力的研究目前主要集中在改善器件橫向散熱能力上，如圖3所示，通常的做法是在器件源漏電極上覆蓋具有高熱導(dǎo)率的材料，將器件溝道區(qū)域的熱量橫向?qū)ё?，技術(shù)上該方法較從溝道下方入手來改善器件散熱能力更為簡單。從器件溝道上方將熱量橫向?qū)ё叩年P(guān)鍵點(diǎn)在于要選用具有高熱導(dǎo)率的材料，理論分析表明采用具有熱導(dǎo)率高達(dá)2000W/mK的石墨烯材料可使得器件熱阻下降約百分之二十(Zhong Yan et al.Graphene quilts for thermal management of high-powerGaN transistors.Nat.Commun.3: 827doi: 10.1038/ncommsl828,2012.)，這一散熱改進(jìn)相較從溝道下方入手來改善器件散熱能力達(dá)到3倍以上的效果來看有一定差距，因此需要進(jìn)一步加以改進(jìn)。從GaN器件溝道上方縱向來改善散熱的途徑主要是采用倒裝技術(shù)，對于AlGaN/GaN HEMT大功率器件而言，為了實(shí)現(xiàn)良好的散熱效果，倒裝的質(zhì)量、對準(zhǔn)精度都將是一大挑戰(zhàn)，其難度不亞于從溝道上方入手來改善器件的散熱能力。
[0006]圖3中所示的方法主要用于改善器件橫向散熱能力，這一方法的缺點(diǎn)是將GaN器件溝道中的熱量橫向散開后還需要縱向通過GaN緩沖層、成核層以及SiC襯底最終散到器件的熱沉上，而GaN緩沖層以及成核層導(dǎo)熱能力很差，將使得橫向?qū)嶙饔么蟠蛘劭?。另外圖3中所示的方法改善AlGaN/GaN HEMT橫向的散熱能力是通過將高熱導(dǎo)率的材料與AlGaN/GaNHEMT器件源電極和漏電極相連來實(shí)現(xiàn)的，而器件發(fā)熱區(qū)主要集中在柵電極下，距離源電極或者漏電極通常在Iym以上，這一距離與GaN緩沖層與成核層等的厚度相當(dāng)，在改善散熱上效果又進(jìn)一步打了折扣?？梢钥紤]將高熱導(dǎo)率的材料與AlGaN/GaN HEMT器件柵電極相連來進(jìn)一步改善器件的散熱，因?yàn)闁烹姌O下是器件的熱產(chǎn)生區(qū)域，這樣的方法更加有助于改善器件的散熱能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:本發(fā)明提出一種AlGaN/GaNHEMT晶體管及其制造方法，增強(qiáng)了器件的散熱能力。
[0008]技術(shù)方案:本發(fā)明提出一種AlGaN/GaNHEMT晶體管，包括位于襯底上的器件本體，所述器件本體至少包括源極、漏極、柵極、GaN緩沖層和AlGaN勢皇層，至少器件本體的部分表面被導(dǎo)熱材料覆蓋。
[0009 ]優(yōu)選地，所述器件本體為臺形結(jié)構(gòu)。所述臺形結(jié)構(gòu)為圓臺形或方臺形。所述臺形結(jié)構(gòu)側(cè)面與襯底呈60至75度夾角。所述器件本體的表面被導(dǎo)熱材料完全覆蓋，但所述源極、漏極和柵極之間覆蓋絕緣的導(dǎo)熱材料。所述器件本體的表面被金剛石完全覆蓋。
[0010]一種AlGaN/GaN HEMT晶體管制造方法，包括以下步驟:
[0011]I)在襯底上形成器件本體，所述器件本體包括成核層、GaN緩沖層和AlGaN勢皇層；
[0012]2)器件本體被制成臺形結(jié)構(gòu)；
[0013]3)在AlGaN勢皇層上以及臺形結(jié)構(gòu)側(cè)面形成源極和漏極，于源極和漏極之間的AlGaN勢皇層上表面制作柵極；
[0014]4)在源極、漏極、柵極、AlGaN勢皇層上表面以及襯底上形成介質(zhì)層；
[0015]5)去除源極、漏極以及襯底上的介質(zhì)層；
[0016]6)在源極一側(cè)的襯底上表面以及該側(cè)臺形結(jié)構(gòu)側(cè)面電鍍第一導(dǎo)熱層，漏極一側(cè)的襯底上表面以及該側(cè)臺形結(jié)構(gòu)側(cè)面電鍍第二導(dǎo)熱層；
[0017]7)去除柵極上的介質(zhì)層，在第一導(dǎo)熱層、第二導(dǎo)熱層、柵極以及步驟5)剩余的介質(zhì)層上形成第三導(dǎo)熱層，且第三導(dǎo)熱層為絕緣材料。
[0018]一種AlGaN/GaN HEMT晶體管制造方法，包括以下步驟:
[0019]I)在襯底上形成器件本體，所述器件本體包括成核層、GaN緩沖層和AlGaN勢皇層；
[0020]2)器件本體被制成臺形結(jié)構(gòu)；
[0021 ] 3)在AlGaN勢皇層上以及臺形結(jié)構(gòu)側(cè)面形成源極和漏極；?0022] 4)在源極、漏極、AlGaN勢皇層上表面以及襯底上形成介質(zhì)層；
[0023]5)去除源極、漏極以及襯底上的介質(zhì)層；
[0024]6)在臺形結(jié)構(gòu)和襯底的表面形成絕緣導(dǎo)熱層；
[0025]7)在臺形結(jié)構(gòu)頂部導(dǎo)熱層以及介質(zhì)層開孔，并于孔內(nèi)形成柵極。
[0026]有益效果:本發(fā)明中的AlGaN/GaN HEMT器件源電極和漏電極通過一高熱導(dǎo)率的材料直接實(shí)現(xiàn)與器件所采用SiC襯底的連接，器件柵電極下產(chǎn)生的熱量經(jīng)過與源電極和漏電極相連的高熱導(dǎo)率材料實(shí)現(xiàn)向SiC襯底的散熱;本發(fā)明中的AlGaN/GaN HEMT器件還存在一高熱導(dǎo)率的材料將器件柵電極與S i C襯底相連接，器件柵電極下產(chǎn)生的熱量經(jīng)過與柵電極相連的高熱導(dǎo)率材料實(shí)現(xiàn)向SiC襯底的散熱，進(jìn)一步增強(qiáng)器件的散熱能力。
【附圖說明】
[0027]圖1為現(xiàn)有SiC襯底的AlGaN/GaNHEMT器件的結(jié)構(gòu)和熱傳導(dǎo)過程示意圖；
[0028]圖2為現(xiàn)有金剛石襯底AlGaN/GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)和熱傳導(dǎo)過程示意圖；
[0029]圖3為現(xiàn)有改善器件橫向散熱能力的方法示意圖；
[0030]圖4為現(xiàn)有AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖5為實(shí)施例1中AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖6為實(shí)施例中襯底、成核層、GaN緩沖層和AlGaN勢皇層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖7為實(shí)施例中襯底上的器件本體臺形結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖8為實(shí)施例1中AlGaN勢皇層上方淀積源極、柵極和漏極后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖9為實(shí)施例1中器件淀積介質(zhì)層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖10為實(shí)施例1中器件淀積第一導(dǎo)熱層和第二導(dǎo)熱層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖11為實(shí)施例2中AlGaN勢皇層上方淀積源極和漏極后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖12為實(shí)施例2中器件淀積介質(zhì)層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖13為實(shí)施例2中刻蝕多余介質(zhì)層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖14為實(shí)施例2中淀積柵極后的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等同形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0042]本發(fā)明說明書、權(quán)利要求書以及說明書附圖中所稱“下”為靠近襯底的方向，所稱“上”為遠(yuǎn)離襯底的方向。
[0043]實(shí)施例1:如圖4所示，經(jīng)典的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)和工作原理與場效應(yīng)管相似，由下向上地設(shè)有襯底、AlN緩沖層、GaN層和AlGaN層。電流都是在柵極電壓的控制下從源極流向漏極。在GaN與AlGaN的界面處由于導(dǎo)帶的不連續(xù)性，會形成三角形勢阱，從而在GaN—側(cè)聚集很多電子，形成二維