[发明专利]具有石墨烯掩埋散热层和源接地的GaNMMIC器件及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型具有石墨烯掩埋散热层和源接地的GaN MMIC器件结构，属于H01L 27/00类半导体器件技术领域。

背景技术

单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuits，MMIC)是采用外延、注入、光刻、蒸发和溅射等半导体工艺方法在同一块半绝缘衬底上集成有源器件、无源器件、传输线和互连线等，构成的具有单一或多种功能的微波集成电路，其最适合的工作频率从高频段的分米波到毫米波和亚毫米波。它最早是由Texa Instrument公司T.M.Hyltin提出的，由于受到当时的材料工艺的限制，硅衬底的半绝缘性质经氧化、扩散等高温工艺后不复存在，使得 Si衬底不能用于制造高可靠性的电路。因此，直到1968年，才由 R.W.Wacker和E.Mehal首次实现了在GaAs衬底上MMIC电路。作为第三代半导体的杰出代表，氮化镓的室温禁带宽度为3.45eV，远大于Si和GaAs的禁带宽度，使得其电场击穿强度比之大了一个数量级，非常适合制作高耐压大功率器件。除了很大的禁带宽度这一优势外， GaN还具备很高的电子饱和速度及热导率，使它十分适合于微波/毫米波大功率应用的场合。AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管HEMT 及GaN MMIC单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuits，MMIC)在高温器件及大功率微波器件方面已显示出了得天独厚的优势，追求器件高频率、高压、高功率吸引了众多的研究。

近年来，制作更高频率高压大功率高可靠性能的AlGaN/GaN HEMT 及MMIC成为关注的又一研究热点。民用商业以及消费等领域，特别是对于即将在2020年实现商用的5G技术而言，GaN功放管及 MMIC必将占据重要地位。但就目前而言，由于器件衬底材料，器件设计和工艺等问题，GaN HEMT及MMIC的高温可靠性和高成本在一定程度上严重阻碍了其发展和普及。GaN HEMT功率器件一直没有能够突破其高温可靠性问题，散热问题制约着GaN HEMT功率器件的性能，如功率密度以及效率等。特别是对于大功率GaN HEMT器件，自热效应会导致热量在器件有源区中心迅速积聚，引起器件性能恶化失效，其高温失效原理可参阅文献Manju K C,Sanjiv T.Temperature and polarization dependent polynomial based non-linear analytical model for gate capacitance of AlGaN/GaN和Jeong P,Moo W S, Chin C L,et al.Thermal modeling and measurement of AlGaN-GaN HFETs built on sapphire and SiC substrates[J].以Si作为衬底的GaN HEMT器件因为成本较低而备受关注，但是因为Si的热导率很低，导致GaN-On-Si HEMT器件自热效应更加严重，束缚了其功率特性和应用。SiC材料具有良好的热导率，以SiC为衬底的GaN HEMT 器件自热效应减轻，但在大功率应用下的高温可靠性仍然是严重的挑战。同时，SiC衬底片十分昂贵，一片四英寸SiC衬底片的售价可高达一千美金以上，这不利于GaN功率管及MMIC在民用商业以及消费等领域的应用发展。