CN108538866B - 一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器及其制备方法 - Google Patents
一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
发明涉及半导体器件集成的技术领域，更具体地，涉及一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器及其制备方法。一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器，其中，从下往上依次包括衬底，应力缓冲层，GaN缓冲层，GaN沟道层，AlGaN势垒层，功率器件两端形成源极和漏极以及二极管的一端形成阴极，功率器件栅极区域形成栅极以及二极管另一端形成阳极。本发明器件结构及制备工艺简单，利用二极管电流电压与温度的线性关系，在恒定电压模型下或恒定电流模型下，分别根据电流或电压的变化计算出二极管温度变化。而二极管与功率器件具有相近的温度，在不影响功率器件正常工作的同时能够实现原位监测功率器件温度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件集成的技术领域，更具体地，涉及一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器及其制备方法；具体涉及到二极管与GaN基功率器件的集成，利用二极管的电流电压与温度的线性关系，实现高灵敏度的原位监测功率器件工作温度。
背景技术
随着电子设备及信息通讯领域等高新科技的迅速发展，功率电子器件性能提升面临巨大挑战，传统Si器件系统功率密度增长出现饱和趋势。GaN材料作为第三代半导体材料的代表。其具有禁带宽度大、热导率高、击穿电场强、饱和漂移速度大及化学稳定性好等特点。并且GaN基功率电子器件凭借AlGaN/GaN异质结界面高浓度、高迁移率的二维电子气，具有导通电阻小、开关速度快等优势，因此GaN基功率电子器件在发展高温、高频、高耐压能力的大功率开关器件领域占据绝对优势。
尽管GaN材料具有优异的特性使得GaN基功率电子器件在高温、高频、高压领域占据优势，但是GaN基功率电子器件长时间工作在高温条件下仍然会劣化器件性能，比如导通电阻增加，器件漏电增大，甚至会使得器件材料中产生新的缺陷，造成不可恢复的性能退化。目前温度对GaN基功率器件的影响，主要存在两大问题：其一，温度对封装器件的影响较大，高温导致封装材料的劣化限制了GaN材料本身优异性能；其二，目前业界缺少GaN基功率电子器件安全可靠的工作温度指标。因此，监测GaN基功率电子器件在工作过程中的结温变化显得尤为重要。通过监测GaN基功率电子器件结温的变化来对比分析其性能的变化，挖掘问题突破点，通过后续器件制备工艺、封装工艺的改善来提高器件的热稳定性。也可根据GaN基功率电子器件结温变化对比其性能变化，总结归纳GaN基功率电子器件安全可靠的工作温度指标。
传统温度测量方法包括光学方法(红外传感器)、物理接触法。红外传感器利用红外辐射效应探测被测物体的温度，这种探测系统复杂，且易受其它热源的影响，导致器件结温的探测结果出现偏差。物理接触法存在测量结果准确度不高的问题，由于温度在物理传导过程中存在热量的散失，导致器件结温被低估，且灵敏度较差。因此，上述两种方法都不适合用于GaN基功率电子器件的结温监测，实现高灵敏度、高准确度的GaN基功率电子器件的结温监测面临巨大挑战。研究发现二极管的电流或电压与温度具有线性变化的关系(S.Madhusoodhanan,S.Sandoval et al.，IEEE Electron Device Letters 38,2017,pp.1105-1108)。根据我们的实验结果，利用NiO金属氧化物作阳极材料的二极管其电流电压与温度同样具有线性关系，如图10所示，这一结果为本发明奠定了理论依据。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器及其制备方法，主要目的在于实现高灵敏度、高准确度的GaN基功率器件结温原位监测。
本发明将耐高温的PN结二极管或肖特基二极管与GaN基功率器件相集成，利用二极管电流-电压特性曲线与温度的线性关系推算出二极管与GaN基功率器件结温的变化。
GaN材料的耐高温特性，使得GaN基功率器件能够工作在高温环境下，但这同时需要GaN基功率器件的电极材料满足较高环境温度的要求。传统的肖特基栅极金属高温环境容易退化，图11为TiN阳极材料二极管与Ni阳极材料二极管不同温度下的正向导通特性对比，可以发现TiN阳极材料二极管性能明显优于Ni阳极材料二极管。另外，制备PN结二极管时，形成p型GaN层的难度较大，需要离子注入或刻蚀工艺等。针对上述问题，本发明提出的一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器集成技术，其功率器件的栅极材料与二极管阳极材料为难熔金属氮化物(TiN、HfN及TaN等)或者p型金属氧化物(NiO、SnO等)，该技术工艺简单，无需离子注入、刻蚀等，可以与功率器件工艺兼容，便于集成，容易实现。
本发明的技术方案是：一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器，其中，从下往上依次包括衬底，应力缓冲层，GaN缓冲层，GaN沟道层，AlGaN势垒层，功率器件两端形成源极和漏极以及二极管的一端形成阴极，功率器件栅极区域形成栅极以及二极管另一端形成阳极。功率器件与二极管为左右结构，干法刻蚀刻断两器件的二维电子气。
进一步的，所述二极管采用肖特基二极管或采用PN结二极管。
进一步的，所述的衬底为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓自支撑衬底中的任一种。
进一步的，所述的应力缓冲层为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为10nm～5μm。
进一步的，所述的外延GaN缓冲层为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂的高阻GaN外延层，所述的掺杂的高阻GaN外延层掺杂元素为碳或铁；GaN缓冲层厚度为100nm～20μm。
进一步的，所述的GaN沟道层为非故意掺杂的GaN外延层，GaN沟道层厚度为10nm～5μm。
进一步的，所述的AlGaN势垒层与GaN沟道层形成AlGaN/GaN异质结，AlGaN势垒层厚度为5nm～100nm；AlGaN势垒层材料还为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合。
进一步的，所述的功率器件源极、漏极与二极管阴极材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金，所述的功率器件栅极与二极管阳极材料为难熔金属氮化物(如TiN、HfN及TaN等)或者p型金属氧化物(NiO、SnO等)。
一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器的制备方法，其中：包括以下步骤：
S1、在Si衬底上生长应力缓冲层；
S2、在应力缓冲层上生长GaN缓冲层；
S3、在GaN缓冲层上生长GaN沟道层；
S4、在GaN沟道层上生长AlGaN势垒层；
S5、干法刻蚀刻断功率器件与二极管的二维电子气；
S6、在功率器件源极、漏极区域和二极管的阴极区域分别蒸镀上源极、漏极和阴极的金属，并通过欧姆合金退火形成欧姆接触；
S7、在功率器件栅极区域和二极管阳极区域分别蒸镀上栅极和阳极金属氮化物或热氧化制备p型金属氧化物。
步骤S1中的应力缓冲层和步骤S2中的GaN缓冲层及步骤S3中的GaN沟道层的生长方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法等高质量成膜方法；步骤S4中外延层AlGaN势垒层的生长方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法等高质量成膜方法；步骤S7中功率器件栅极和二极管阳极的P型金属氧化物的制备方法为热氧化法、原子层沉积或磁控溅射法。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供了一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器集成技术，在不影响功率器件正常工作的同时，能够实现高准确度的原位监测功率器件结温，突破了传统温度测量方法存在的局限性。其中功率器件栅极与二极管阳极材料为难熔金属氮化物(如TiN、HfN及TaN等)或者p型金属氧化物(NiO、SnO等)，工艺简单，解决了传统肖特基金属高温容易退化及P-GaN层制备工艺复杂等问题。并且该技术可以与功率器件工艺兼容，便于集成，容易实现。
附图说明
图1-图7为本发明实例1的器件制备工艺示意图。
图8为本发明实例2的器件结构示意图。
图9为本发明实例3的器件结构示意图。
图10为NiO材料作阳极的二极管电流、电压与温度的关系图。
图11为TiN阳极材料二极管与Ni阳极材料二极管不同温度下正向导通特性对比图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图7所示为本实施例的器件结构示意图，其结构由下往上依次包括衬底1，应力缓冲层2，GaN缓冲层3，GaN沟道层4，AlGaN势垒层5，功率器件两端形成源极6、漏极7，二极管一端形成阴极8，功率器件栅极区域形成栅极9，二极管另一端形成阳极10，功率器件与二极管为左右结构，干法刻蚀刻断功率器件与二极管的二维电子气。
上述一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器集成技术如图1-图7所示，包括以下步骤：
S1、利用金属有机化学气相沉积方法，在Si衬底1上生长一层应力缓冲层2，如图1所示；
S2、利用金属有机化学气相沉积方法，在应力缓冲层2上生长GaN缓冲层3，如图2所示；
S3、利用金属有机化学气相沉积方法，在GaN缓冲层3上生长一层
GaN沟道层4，如图3所示；
S4、利用金属有机化学气相沉积方法，在GaN沟道层4上生长一层
AlGaN势垒层5，如图4所示；
S5、利用ICP刻断功率器件与二极管的二维电子气，如图5所示；
S6、在功率器件源极、漏极和二极管的阴极区域蒸镀上Ti/Al/Ni/Au合金作为源极6、漏极7和阴极8的欧姆接触金属，如图6所示；
S7、功率器件栅极区域和二极管阳极区域蒸镀难熔金属TiN或热氧化形成NiO作为栅极9和阳极10，如图7所示；
至此，完成器件的整个制备过程，图7为实例1器件结构的示意图。
实例2
如图8所示为实例2的器件结构示意图，与实例1的区别为没有利用ICP刻断二极管与功率器件之间的二维电子气，且实例2的二极管阳极位于靠近功率器件一端，阴极位于远离功率器件的另一端。
实例3
如图9所示为实例3的器件结构示意图，与实例1的区别为二极管体材料的不同，实例3的二极管区域无AlGaN层，金属电极直接蒸镀在GaN沟道层上。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器，其特征在于，从下往上依次包括衬底（1），应力缓冲层（2），GaN缓冲层（3），GaN沟道层（4），AlGaN势垒层（5），功率器件两端形成源极（6）和漏极（7）以及二极管的一端形成阴极（8），功率器件栅极区域形成栅极（9）以及二极管另一端形成阳极（10）；所述的GaN缓冲层（3）为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂的高阻GaN外延层，所述的GaN沟道层（4）为非故意掺杂的GaN外延层；功率器件栅极（9）与二极管阳极（10）材料为难熔金属氮化物或者为p型金属氧化物。
2.根据权利要求1所述的一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器，其特征在于：所述的二极管采用肖特基二极管或采用PN结二极管。
3.根据权利要求1所述的一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器，其特征在于：所述的衬底（1）为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓自支撑衬底中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器，其特征在于：所述的应力缓冲层（2）为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为10nm~5 μm。
5.根据权利要求1所述的一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器，其特征在于：所述的掺杂的高阻GaN外延层的掺杂元素为碳或铁；GaN缓冲层厚度为100 nm~20μm。
6.根据权利要求1所述的一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器，其特征在于：GaN沟道层厚度为10 nm~5 μm。
7.根据权利要求1所述的一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器，其特征在于：所述的AlGaN势垒层（5）与GaN沟道层（4）形成AlGaN/GaN异质结，AlGaN势垒层厚度为5nm~100nm；AlGaN势垒层材料还为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合。
8.根据权利要求1所述的一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器，其特征在于：所述的功率器件源极（6）、漏极（7）与二极管阴极（8）材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金。
9.一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、在Si衬底（1）上生长应力缓冲层（2）；
S2、在应力缓冲层（2）上生长GaN缓冲层（3）；
S3、在GaN缓冲层（3）上生长GaN沟道层（4）；
S4、在GaN沟道层（4）上生长AlGaN势垒层（5）；
S5、干法刻蚀刻断功率器件与二极管的二维电子气；
S6、在功率器件源极、漏极区域和二极管的阴极区域分别蒸镀上源极（6）、漏极（7）和阴极（8）的金属，并通过欧姆合金退火形成欧姆接触；
S7、在功率器件栅极区域和二极管阳极区域分别蒸镀上栅极（9）和阳极（10）金属氮化物或热氧化制备p型金属氧化物；
步骤S1中的应力缓冲层（2）和步骤S2中的GaN缓冲层（3）及步骤S3中的GaN沟道层（4）的生长方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法；步骤S4中外延层AlGaN势垒层（5）的生长方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法；步骤S7中功率器件栅极（9）和二极管阳极（10）的P型金属氧化物的制备方法为热氧化法、原子层沉积或磁控溅射法。
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