[实用新型]一种GaN器件原位生长石墨烯掩埋电极结构

说明书

技术领域

本实用新型属于半导体器件技术领域，具体涉及一种GaN器件原位生长石墨烯掩埋电极结构。

背景技术

作为第三代半导体的杰出代表，氮化镓(GaN)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。GaN电力电子开关器件，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。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。

为了提高器件高温可靠性，减小器件热阻，大功率GaN器件往往采用背面减薄，背面通孔结构和附加各种高热导率导热热沉。背面通孔结构在2005年由Masahiro Hikita等人提出，称之为SVG(Source-via Grounding)，其具体结构可查看文献M.Hikita,M.Yanagihara,K.Nakazawa,et al.AlGaN/GaN Power HFET on Silicon Substrate With Source-Via Grounding(SVG)Structure[J].IEEE Transctions on Electron Devices,2005,52(9),pp.1963-1968。该结构通过器件旁边打孔，用金属将源极与衬底或背面电极相连。SVG结构可以提高器件耐压，降低器件热阻，使栅极和沟道区的热量能通过SVG金属通孔快速沉降到器件背面基板。但是，背面减薄(往往需要将几百微米的衬底片从背面研磨减薄到几十微米)和深通孔的刻蚀，以及使用镀金工艺填充通孔，一方面工艺复杂成本高，造成GaN功率管和MMIC成本高昂；另外，背面减薄和几十微米深通孔的刻蚀容易造成器件的损伤，使良率和器件可靠性降低。通孔中填充的金在器件温升剧烈时，由于金的膨胀系数与GaN及衬底材料的差异也容易导致器件受到损伤，可靠性降低。

对于高热导率热沉，目前导热材料在各种工业领域中均有广泛的应用，但由于热导率的限制，导热散热效果并不理想，限制了器件或者系统的设计。尤其是在电子产业中，电子电路设计的集成化、小型化趋势越来越明显，高性能导热散热材料的要求也越来越高，需求也越来越大。但是传统的导热散热材料多是以金属或者石墨为基础材料进行制造，目前已经不能满足电子产业对于导热散热的需求。

石墨烯材料导热系数可高达5300W/m·K，其常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，远高于一般的衬底材料和金属，为目前世界上已知的热导率最高的材料，十分适用于对热导率要求苛刻的领域。石墨烯和AlN间晶格失配度为4.5％，以AlN作为缓冲成核层，可以在石墨烯上通过MOCVD等工艺生长出质量很好的GaN薄膜。