CN103700696A - 一种均匀散热的串管结构GaN管芯 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种均匀散热的串管结构GaN管芯。包括设置在衬底上的有源区、功率分配网络、功率合成网络，在衬底上垂直于栅条的方向设置有至少一个散热槽，散热槽将有源区隔离为至少两个以上的有源子区，每个有源子区之间相互串联连接并共用源条接地通孔，每个有源子区的输入端均与功率分配网络连接，每个有源子区的输出端均与功率合成网络连接。本发明在保持管芯尺寸基本不变的情况下，有效降低有源区的最高结温，改善了管芯的热稳定性，从而进一步提高管芯的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于三代半导体功率器件技术领域，具体涉及一种均匀散热的串管结构GaN管芯。
背景技术
固态功率器件是微波系统中的关键元件，尤其是微波功率器件和单片电路是电子对抗、相控阵雷达、精确打击、微波通信以及卫星宇航等系统中的核心元器件由于其应用背景的特殊性，固态微波功率器件和单片电路一直是国外对我国进行技术封锁和产品禁运的重点领域。随着材料制备和器件工艺的不断进步完善，目前国外的GaAs器件已经比较成熟，逐渐把精力投入到三代半导体工艺的开发。GaN功率器件作为三代半导体的代表，更是受到了广泛的关注。经过最近几年的发展，目前的GaN功率器件已经到了工程应用的前夕，国外先进国家已经在部分民用通信领域应用GaN功率器件。与GaAs功率器件相比，GaN的功率密度要大5倍左右，基本上单面面积产生的热量也是GaAs功率器件的5倍，这就对GaN功率器件的散热提出了很高的要求。
不管是采用哪种半导体材料，在制作功率放大器时末级管芯的栅宽决定了放大器的输出功率，前级管芯主要起增益放大、驱动的作用。为了尽可能的提高功率放大器芯片的输出功率往往要求增加末级栅宽，放大器的最高温度往往出现在末级管芯上。如图1所示，传统的常规管芯往往采用简单的并联结构，有源区是一个连续的整体，整个有源区都会产生大量的热，由于热量累积效应，最高结温往往出现在有源区的中间，如图3所示。这种沟道中间的热累积效应不仅会导致放大器性能的降低，更重要的是会影响芯片的可靠性。现有技术中，一种方法是通过加大栅栅间距以降低最高结温，但是管芯的尺寸会大幅增加，导致芯片面积加大，成品率下降，成本增加。另一种方法是减小衬底厚度以缩短热传导距离，降低最高结温，但是衬底厚度过小后一方面导致衬底自身容易碎裂，一致性可靠性也会下降，另一方面会导致传输线的线宽会大幅减小，无法承受高功率放大器的大功率和大电流。
发明内容
本发明解决的技术问题是，在保持管芯尺寸基本不变的情况下，降低有源区的最高结温，改善管芯的热稳定性，从而进一步提高管芯的可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种均匀散热的串管结构GaN管芯，包括设置在衬底上的有源区、功率分配网络、功率合成网络，在衬底上垂直于栅条的方向设置有至少一个散热槽，散热槽将有源区隔离为至少两个以上的有源子区，每个有源子区之间相互串联连接并共用源条接地通孔，每个有源子区的输入端均与功率分配网络连接，每个有源子区的输出端均与功率合成网络连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明通过在衬底上设置若干个散热槽，把一整个大的有源区分成几个均分串联分布并共用源极接地通孔的有源子区，使有源区沟道温度不会大量累积，有效降低了有源区的最高结温；最高结温的降低一方面提高了管芯的电性能，另一方面避免了管芯出现局部热斑，大大提高了管芯的可靠性。
附图说明
图1是传统的常规管芯结构示意图。
图2是本发明带散热槽的管芯结构示意图。
图3是传统管芯和本发明管芯沟道热分布示意图。
图4是本发明采用双散热槽三晶胞结构的示意图。
图5是本发明采用双散热槽六晶胞结构的示意图。
图6是本发明采用三散热槽三晶胞结构的示意图。
具体实施方式
本发明所述均匀散热的串管结构GaN管芯，包括设置在衬底上的有源区、功率分配网络、功率合成网络。如图2所示和图4所示，本发明在衬底上垂直于栅条的方向还设置有至少一个散热槽，散热槽将有源区隔离为至少两个以上的有源子区，每个有源子区之间相互串联连接并共用源条接地通孔，每个有源子区的输入端均与功率分配网络连接，每个有源子区的输出端均与功率合成网络连接。
散热槽可以根据具体应用在衬底上设置1～5个，被散热槽隔离而成的多个有源子区均匀分布在衬底上。
散热槽的宽度可以根据实际需要设置为5um～50um，以应用于S/C/X各波段功率放大器芯片。
在本发明中，通过使用高能离子轰击有源区的指定区域，改变GaN材料内部原子排列结构，使得该区域自身不产生热量，该区域就可以形成本发明所述的散热槽。前述指定区域可以根据设置散热槽的位置要求及宽度要求划定。
所述衬底由碳化硅，或者硅，或者蓝宝石，或者金刚石制作而成。
实施例一
如图4所示，实施例一采用双散热槽管芯结构。其中，在衬底上设置有两个散热槽，即散热槽4A和散热槽4B，散热槽4A和散热槽4B将管芯的有源区间隔隔离为三个有源子区，即有源子区2A、有源子区2B、有源子区2C，相邻的有源子区之间被散热槽隔离。有源子区2A、有源子区2B、有源子区2C相互串联连接，形成串管结构。有源子区2A、有源子区2B、有源子区2C共用源极接地通孔。有源子区2A、有源子区2B、有源子区2C的输入端与功率分配网络1连接，有源子区2A、有源子区2B、有源子区2C的输出端均与功率合成网络3连接。功率分配网络1将微波信号均匀的分配到各个晶胞。功率合成网络3把各个晶胞的输出信号合成到一路，便于和后续的匹配网络连接。
由于散热槽4A和散热槽4B的存在，将原本集中在一起的热源分散成三段，可以避免管芯中间位置的热量过度集中。图4中，有源子区2A、有源子区2B、有源子区2C是一种串管结构，信号的传输方向一致，而散热槽的宽度往往很窄，在X波段以下对信号传输的影响很小，因此在电路设计时可以将有源子区2A、有源子区2B、有源子区2C当做一个整体来处理。
实施例二
如图5所示，实施例二采用三散热槽三晶胞结构，用三个散热槽，即散热槽4A、散热槽4B和散热槽4C将整个有源区间隔隔离为四个均匀的有源子区，即有源子区2A、有源子区2B、有源子区2C和有源子区2D，相邻的有源子区之间被散热槽隔离。有源子区2A、有源子区2B、有源子区2C和有源子区2D均采用均匀的串管结构分布，每个有源子区共用源极接地通孔。功率分配网络1将微波信号均匀的分配到各个晶胞，功率合成网络3把各个晶胞的输出信号合成到一路，便于和后续的匹配网络连接。
散热槽4A、散热槽4B和散热槽4C将原先一整条发热源分隔为四段，避免沟道中间热量过度集中。采用三散热槽三晶胞结构，在保证沟道温度的前提下总栅宽可以得到增加，提高了单个芯片的输出功率。
实施例三
本发明将实施例一或实施例二所示的管芯结构进行简单的镜像复制后就可以使得总栅宽加倍，增加输出功率。实施例三如图6所示，其管芯是双散热槽六晶胞结构，整体结构以图6中的中心线E-E为基准互为镜像。本实施例的实质是将实施例一的管芯镜像复制成两个，即管芯A1和管芯A2。管芯A1和管芯A2分别具有各自的功率分配网络1A和1B，整体还是保持左边输入信号。管芯A1和管芯A2的输出信号在功率合成网络3输出端并联输出，整体还是保持右边输出信号。
本发明的有益效果可以通过以下实验进一步说明。
实验内容：在相同直流功耗下分别测试三只具有不同结构管芯样品的最高结温。三只管芯均是4×100um GaN HEMT管芯，采用同一种工艺在同一个圆片上实现。1#管芯样品为传统的无散热槽结构；2#管芯样品在有源区设置一个宽度为20um的散热槽；3#管芯样品在有源区设置一个宽度为50um的散热槽；漏极电压为28V，漏极电流为150mA，热台温度为85℃，采用红外热像仪测试管芯的最高结温，实验结果如下表所示。
| 管芯结构 | 管芯尺寸 | 电压（V） | 电流(mA) | 最高结温(℃) | |
| 1#样品 | 无散热槽 | 4×100um | 28 | 150 | 174 |
| 2#样品 | 散热槽宽20um | 4×100um | 28 | 150 | 158 |
| 3#样品 | 散热槽宽50um | 4×100um | 28 | 150 | 148 |
从上表可以看出，由于散热槽的存在，使得有源区沟道温度无法大量累积，有源区的最高结温降低了20℃左右。实验结果说明本发明可以有效降低管芯的最高结温。最高结温的降低一方面使得放大器的电性能得以提高；同时，最高结温的降低避免了局部热斑，使得管芯正常工作时最高结温从原先的170℃降低到150℃左右，大大提高管芯的可靠性。
Claims (7)
1.一种均匀散热的串管结构GaN管芯，包括设置在衬底上的有源区、功率分配网络、功率合成网络，其特征在于，在衬底上垂直于栅条的方向设置有至少一个散热槽，散热槽将有源区隔离为至少两个以上的有源子区，每个有源子区之间相互串联连接并共用源条接地通孔，每个有源子区的输入端均与功率分配网络连接，每个有源子区的输出端均与功率合成网络连接。
2.如利要求1所述的均匀散热的串管结构GaN管芯，其特征在于，每个有源子区均匀分布在衬底上。
3.如利要求1所述的均匀散热的串管结构GaN管芯，其特征在于，衬底上设置有两个散热槽，两个散热槽将有源区分为三个有源子区。
4.如利要求1所述的均匀散热的串管结构GaN管芯，其特征在于，衬底上设置有三个散热槽，三个散热槽将有源区分为四个有源子区。
5.如权利要求1所述的均匀散热的串管结构GaN管芯，其特征在于，使用高能离子轰击有源区形成所述散热槽。
6.如权利要求1所述的均匀散热的串管结构GaN管芯，其特征在于，所述衬底由碳化硅，或者硅，或者蓝宝石，或者金刚石制作而成。
7.如权利要求1所述的均匀散热的串管结构GaN管芯，其特征在于，所述散热槽的宽度在5um～50um之间。
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