CN107546198A - 一种gan基电子器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GAN基电子器件及其制备方法，其中，该GAN基电子器件中包括衬底层，和依次设置在衬底上的缓冲层、模板层、沟道层、势垒层、栅漏源金属层、邦定层以及共晶陶瓷基板。其在现有芯片结构的基础上通过散热性好的金属直接与共晶陶瓷基板连接，由于器件有源区主要靠近上表面，芯片上表面和散热系数高的共晶陶瓷基板直接相连使得芯片工作时产生的热量可以被快速传递，使得器件的散热性更好，有效解决了器件在高温下工作导致工作效率下降、失效等问题，从而大大提高器件的工作效率、稳定性、可靠性以及寿命。

Description

一种GAN基电子器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及电子器件制造领域，具体涉及一种GAN基电子器件及其制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)具有较大的直接禁带宽度(3.4ev)、高热导率、高电子饱和漂移速度等特点，因此已经成为目前半导体技术领域的研究热点。利用此特点制作的半导体器件，如高电子迁移率晶体管(HEMT)具有击穿电场大、电流密度高、电子饱和漂移速度快等特点，非常适合于制作高温、高频、高压和大功率的器件，可以用于射频微波领域及电力电子领域，例如无线通信基站、电力电子器件等信息收发、能量转换等领域。

GAN基电子器件往往工作在高压、大电流情况下，所以一般情况芯片的温度会非常高，而高温条件下工作的半导体器件的特性会变差，寿命会变短。所以好的散热对于芯片的高可靠性、高稳定性和高效率非常重要。

一般来说，III族氮化物在蓝宝石衬底、硅衬底或者SiC衬底上生长。对于蓝宝石衬底来说，虽然其作为半导体器件，例如发光二极管和激光器的衬底散热足够了，但是，将其作为半导体器件的衬底散热不够好。对于Si衬底来说，虽然散热性好，但是在Si衬底上生长III族氮化物会因晶格失配和热失配大的问题影响器件质量，难度较大。故而，目前对于散热和可靠性要求更高的III族氮化物半导体器件来说往往采用SiC衬底来提供更好的散热，但是SiC的成本较高。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种GAN基电子器件及其制备方法，有效解决了现有GAN基电子器件中的散热问题。

本发明的是通过以下技术方案实现的：

一种GAN基电子器件，其从下到上依次包括：衬底层、缓冲层、模板层、沟道层、势垒层、栅漏源金属层、邦定层以及共晶陶瓷基板。

进一步优选地，所述衬底层使用蓝宝石衬底或Si衬底或SiC衬底。

进一步优选地，所述缓冲层为AlN、GaN、AlGaN、AlInN以及AlInGaN中的一种或者多种组合。

进一步优选地，所述缓冲层为多层结构或单层结构。

进一步优选地，所述模板层为未掺杂GaN、掺杂Fe或C的GaN以及AlGaN中的一种或者多种组合。

进一步优选地，所述势垒层为AlN、AlGaN、AlInN以及AlInGaN中的一种或者多种组合。

进一步优选地，所述邦定层为Sn或Au-Sn合金。

进一步优选地，所述共晶陶瓷基板材料为AlN或Al₂O₃。

进一步优选地，所述共晶陶瓷基板表面镀有Au或Ag。

本发明还提供了一种GAN基电子器件的制备方法包括：

A1在衬底上自下而上依次生长缓冲层、模板层、沟道层以及势垒层，得到GAN基电子器件的外延结构；

A2在所述势垒层上制备栅漏源金属层，得到芯片；

A3在所述栅漏源金属层表面制备邦定层；

A4采用共晶的方式通过所述邦定层将步骤A2中形成的芯片焊接在共晶陶瓷基板上面。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明与传统芯片和封装技术相比，在现有芯片结构的基础上通过邦定层以共晶的方式与共晶陶瓷基板连接在一起，避免的了使用导线，最终得到的器件的体积大幅度降低，有效避免了由于导线脱落器件引起的可靠性问题。

另外，在本发明中，在现有芯片结构的基础上通过散热性好的金属(即邦定层)直接与共晶陶瓷基板连接，由于器件有源区主要靠近上表面，芯片上表面和散热系数高的共晶陶瓷基板直接相连使得芯片工作时产生的热量可以被快速传递，使得器件的散热性更好，有效解决了器件在高温下工作导致工作效率下降、失效等问题，从而大大提高器件的工作效率、稳定性、可靠性以及寿命。

附图说明

图1本发明中GAN基电子器件结构示意图；

图中标记：1-衬底层，2-外延层，3-器件的栅漏源金属层，4邦定层，5-共晶陶瓷基板；

图2本发明中的外延结构示意图；

图中标记：21-缓冲层，22-模板层、23-沟道层、24-势垒层；

图3为本发明中一个具体实施例中GAN基电子器件结构示意图；

图中标记：11-蓝宝石衬底层，12-氮化镓低温缓冲层12，13-未掺杂的高温氮化镓层13，14-碳掺杂的半绝缘氮化镓层，15-未掺杂氮化镓沟道层15，16-铝镓氮势垒层，17-栅漏源金属层，18-邦定层，19-AlN陶瓷基板。

具体实施方式

为了更具体地说明本发明，以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，给出若干实施例。但本发明所涉及的内容并不仅仅局限于这些实施例。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示为本发明提供的GAN基电子器件的结构示意图，从图中可以看出，该GAN基电子器件从下到上依次包括：衬底层1、外延结构2(如图2所示，在该外延结构中包括缓冲层21、模板层22、沟道层23以及势垒层24)、栅漏源金属层3、邦定层4以及共晶陶瓷基板5。

在一个具体实施例中，如图3所示，封装好的电子器件结构包括蓝宝石衬底层11，以及在蓝宝石衬底层11上顺序生长的氮化镓低温缓冲层12、未掺杂的高温氮化镓层13、碳掺杂的半绝缘氮化镓层14、未掺杂氮化镓沟道层15、铝镓氮势垒层16得到外延结构。之后在外延结构上使用Ti-Al-Ni-Au合金制备源漏电极欧姆接触、使用Ni-Au合金制备栅电极，得到栅漏源金属层17。接着在栅漏源金属层17上使用Au-Sn合金在栅漏源金属层17上制备邦定层18，并采用共晶机通过该邦定层18把前面得到的芯片结构和AlN陶瓷基板9结合在一起，得到GaN电子器件芯片。

更具体来说，在该实施例中：

首先，采用MOCVD方法，在(0001)面蓝宝石衬底上自下而上依次生长GaN缓冲层、铁或者碳掺杂的半绝缘氮化镓层、未掺杂GaN沟道层以及AlGaN势垒层，其中，采用高纯N₂或高纯H₂或高纯H₂和高纯N₂的混合气体作为载气，高纯NH₃作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，n型掺杂剂为硅烷(SiH₄)，p型掺杂剂为二茂镁(Cp₂Mg)和二茂铁(Cp₂Fe)，衬底为(0001)面蓝宝石。

之后，采用ICP或者RIE干法刻蚀制备有源区，采用Ti-Al-Ni-Au合金制备源漏电极欧姆接触；随后生长SiN介质保护表面减小表面的电流坍塌，然后采用Ni-Au合金制备栅电极，得到栅漏源金属层。

之后，在栅漏源金属层上蒸镀一层Sn或者Au-Sn合金层用于邦定；

最后，采用共晶机把芯片焊接在高散热系数的AlN共晶陶瓷基板上面。

在本实施例中，通过采用Sn或者Au-Sn金属材料来直接连接芯片和高散热性的陶瓷底板来降低热阻，使得导热更好，从而提高器件的效率。以此解决大功率电力电子器件的散热问题，以此得到出光效率高、稳定性好的功率型电子器件。

在另一个具体实施例中：

首先，采用MOCVD方法，在Si衬底或者SiC衬底上自下而上依次生长AlN或者AlGaN多层结构缓冲层、铁或者碳掺杂的半绝缘氮化镓层、未掺杂GaN沟道层以及AlGaN势垒层，其中，采用高纯N₂或高纯H₂或高纯H₂和高纯N₂的混合气体作为载气，高纯NH₃作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，n型掺杂剂为硅烷(SiH₄)，p型掺杂剂为二茂镁(Cp₂Mg)和二茂铁(Cp₂Fe)，衬底为(0001)面蓝宝石。

之后，采用ICP或者RIE干法刻蚀制备有源区，采用Ti-Al-Ni-Au合金制备源漏电极欧姆接触；随后生长SiN介质保护表面减小表面的电流坍塌，然后采用Ni-Au合金制备栅电极，得到栅漏源金属层。

之后，接着在栅漏源金属层上蒸镀一层Sn或者Au-Sn合金层用于邦定；

最后，采用共晶机把芯片焊接在高散热系数的AlN共晶陶瓷基板上面。

在另一个具体实施例中：

首先，采用MOCVD方法，在(0001)面蓝宝石衬底上自下而上依次生长GaN缓冲层、铁或者碳掺杂的半绝缘氮化镓层、未掺杂GaN沟道层以及AlGaN势垒层，其中，采用高纯N₂或高纯H₂或高纯H₂和高纯N₂的混合气体作为载气，高纯NH₃作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，n型掺杂剂为硅烷(SiH₄)，p型掺杂剂为二茂镁(Cp₂Mg)和二茂铁(Cp₂Fe)，衬底为(0001)面蓝宝石。

之后，采用ICP或者RIE干法刻蚀制备有源区，采用Ti-Al-Ni-Au合金制备源漏电极欧姆接触；随后生长SiN介质保护表面减小表面的电流坍塌，然后采用Ni-Au合金制备栅电极，得到栅漏源金属层。

之后，接着在栅漏源金属层上蒸镀一层Sn或者Au-Sn合金层用于邦定；

最后，采用共晶机把芯片焊接在高散热系数的Al₂O₃共晶陶瓷基板上面。

上述实施例仅列示性说明本发明的技术思想与特点，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改与变化。因此凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，应涵盖在本发明的保护范围。

本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种GAN基电子器件，其特征在于，所述GAN基电子器件从下到上依次包括：衬底层、缓冲层、模板层、沟道层、势垒层、栅漏源金属层、邦定层以及共晶陶瓷基板。

2.如权利要求1所述的GAN基电子器件，其特征在于，所述衬底层使用蓝宝石衬底或Si衬底或SiC衬底。

3.如权利要求1所述的GAN基电子器件，其特征在于，所述缓冲层为AlN、GaN、AlGaN、AlInN以及AlInGaN中的一种或者多种组合。

4.如权利要求3所述的GAN基电子器件，其特征在于，所述缓冲层为多层结构或单层结构。

5.如权利要求1所述的GAN基电子器件，其特征在于，所述模板层为未掺杂GaN、掺杂Fe或C的GaN以及AlGaN中的一种或者多种组合。

6.如权利要求1所述的GAN基电子器件，其特征在于，所述势垒层为AlN、AlGaN、AlInN以及AlInGaN中的一种或者多种组合。

7.如权利要求1所述的GAN基电子器件，其特征在于，所述邦定层为Sn或Au-Sn合金。

8.如权利要求1所述的GAN基电子器件，其特征在于，所述共晶陶瓷基板材料为AlN或Al₂O₃。

9.如权利要求1所述的GAN基电子器件，其特征在于，所述共晶陶瓷基板表面镀有Au或Ag。

10.一种GAN基电子器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

A1在衬底上自下而上依次生长缓冲层、模板层、沟道层以及势垒层，得到GAN基电子器件的外延结构；

A2在所述势垒层上制备栅漏源金属层，得到芯片；

A3在所述栅漏源金属层表面制备邦定层；

A4采用共晶的方式通过所述邦定层将步骤A2中形成的芯片焊接在共晶陶瓷基板上面。