CN111384163A - 改善GaN HEMT器件散热性能的结构及布局 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善GaN HEMT器件散热性能的结构及布局，该结构包括：衬底；外延结构，制作于该衬底之上；源极，制作于该外延结构之上；漏极，制作于该外延结构之上；以及栅极，制作于该外延结构之上；其中，源极的宽度大于所述漏极的宽度，所述宽度表示在栅长方向上的尺寸。该结构通过将源电极尺寸做大，使得源电极相较于漏电极沿着栅长方向的尺寸增大，以增大金属的面积，使得多指器件源电极两侧的栅指间距增大，有利于平衡多指器件内部有源区的温度，当器件的布局需要多个单胞进行组合时，通过设计版图，将单胞之间用pad连接，利用金属的良好导热性，帮助器件散热。
Description
技术领域
本公开属于半导体器件技术领域，涉及一种改善GaN HEMT器件散热性能的结构和布局。
背景技术
氮化镓作为第三代宽禁带半导体的典型代表，具有优良的物理和化学特性，非常适于研制高频、高压、高功率的器件和电路。GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有耐压高、输出功率密度高、耐高温以及工作频率高等特点，在军用和民用的微波功率领域有广泛的应用前景。
氮化镓基场效应晶体管的原理为：由于组成异质结的两种材料的禁带不同，在异质结界面处形成了势垒和势阱，由于极化效应或调制掺杂产生的自由电子，积累在非掺杂的氮化镓层靠近界面的三角形势阱中，形成二维电子气，由于使势阱中的这些电子与势垒中的电离杂质空间分离，大大降低了库伦散射，从而显著提高了材料的迁移率。研制成器件后，通过栅电极可以控制异质结界面处的二维电子气浓度，在一定的直流偏压下，可以对高频微波信号进行放大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种改善GaN HEMT器件散热性能的结构和布局，以提升GaN HEMT器件的散热性能。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种改善GaN HEMT器件散热性能的结构，包括：衬底；外延结构，制作于该衬底之上；源极，制作于该外延结构之上；漏极，制作于该外延结构之上；以及栅极，制作于该外延结构之上；其中，源极的宽度大于所述漏极的宽度，所述宽度表示在栅长方向上的尺寸。
在本公开的一些实施例中，该改善GaN HEMT器件散热性能的结构为单胞多指栅器件，该单胞多指栅器件中源极和漏极尺寸不同，设置源极、栅极、漏极的尺寸满足：在不改变器件整体尺寸的情况下使得源极两边的栅极间距相同。
在本公开的一些实施例中，该改善GaN HEMT器件散热性能的结构还包括：漏极pad，该漏极pad与单胞多指栅器件中的每一个漏极均相连；以及栅极pad，该栅极pad与单胞多指栅器件中的每一个栅极均相连。
在本公开的一些实施例中，改善GaN HEMT器件散热性能的结构，还包括：通孔，该通孔从衬底背面打通，连接到源极背面；桥墩，该桥墩制作在源极上；以及桥面，该桥面制作在桥墩之上，将每个源极通过桥墩和桥面电学连接在一起。
在本公开的一些实施例中，桥墩为空气桥或者介质桥桥墩。
在本公开的一些实施例中，外延结构包括：依次层叠的成核层、缓冲层、高迁层、插入层、势垒层、以及盖帽层。
在本公开的一些实施例中，势垒层的材料为InxAlyGa1-x-yN，铟组分为0≤x≤1，铝组分为0≤y≤1，厚度为10-30nm；所述盖帽层的材料为InxGa1-xN，铟组分为0≤x≤1，厚度为0-5nm。
在本公开的一些实施例中，源极和漏极的位置并不固定，漏极也可位于器件的左右两端。
根据本公开的另一个方面，提供了一种布局，包含本公开提到的任一种改善GaNHEMT器件散热性能的结构。
在本公开的一些实施例中，通过设计版图使得多个单胞进行组合，将单胞之间用金属pad连接。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的改善GaN HEMT器件散热性能的结构和布局，具有以下有益效果：
(1)通过将源电极尺寸做大，使得源电极相较于漏电极沿着栅长方向的尺寸增大，散热金属的面积增大，使得多指器件源电极两侧的栅指间距增大，有利于平衡多指器件内部有源区的温度和方便散热；
(2)当器件的布局需要多个单胞进行组合时，通过设计版图，将单胞之间的漏极、栅极用pad连接，源电极之间通过桥墩、桥面结构的金属实现互联，利用金属的良好导热性，帮助器件散热。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的改善GaN HEMT器件散热性能的结构的示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的单胞多指器件的平面结构示意图。
图3为根据本公开一实例所示的多胞器件的布局方式以及单胞之间通过pad连接的方式。
图4为根据本公开另一实例所示的多胞器件的布局方式以及单胞之间通过pad连接的方式。
【符号说明】
01-衬底； 02-成核层；
03-缓冲层； 04-高迁层；
05-插入层； 06-势垒层；
07-盖帽层； 08-源极；
09-漏极； 10-栅极；
11-漏电极pad； 12-栅电极pad；
13-通孔； 14-桥墩；
15-桥面。
具体实施方式
随着GaN HEMT器件功率以及功率密度的提升，自热效应成为影响GaN HEMT器件特性的主要问题之一。其将导致沟道温度升高，进而导致器件电流、增益和输出功率的下降，严重影响了器件电学和热学性能的进一步提升，并且降低了器件的可靠性，进而制约了器件应用的广泛开展。
随着GaN基功率器件功率密度的提升，电子器件在高频大功率领域应用中集成化和小型化，使得单位面积电子器件的总功率密度大幅度提高，功耗大部分转化为热能，单位体积功耗的提升导致器件结温显著提高以至于失效。因此器件的散热性能提升愈加重要。
现有技术中，常常将源极与漏极设置为同样尺寸大小，本公开提供了一种改善GaNHEMT器件散热性能的结构和布局，通过将源电极尺寸做大，使得源电极相较于漏电极沿着栅长方向的尺寸增大，以增大金属的面积，使得多指器件源电极两侧的栅指间距增大，有利于平衡多指器件内部有源区的温度，当器件的布局需要多个单胞进行组合时，通过设计版图，将单胞之间用pad连接，利用金属的良好导热性，帮助器件散热。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种改善GaN HEMT器件散热性能的结构。
图1为根据本公开一实施例所示的改善GaN HEMT器件散热性能的结构的示意图。图2为根据本公开一实施例所示的单胞多指器件的平面结构示意图。
结合图1和图2所示，本公开的改善GaN HEMT器件散热性能的结构，包括：衬底01；外延结构，制作于该衬底之上；源极08，制作于该外延结构之上；漏极09，制作于该外延结构之上；以及栅极10，制作于该外延结构之上；其中，源极08的宽度大于所述漏极09的宽度，所述宽度表示在栅长方向上的尺寸。
本实施例的器件结构包括：
(1)衬底01；衬底为碳化硅或蓝宝石或氮化镓或硅。
(2)成核层02，该成核层20制作在衬底01上面；
(3)缓冲层03，该缓冲层03制作在成核层02上面；其中高阻层30为AlyGa1-yN，铝组分为0≤y≤0.15，厚度为1-5μm，掺杂剂为Fe、C、B、Mg等，掺杂浓度为(1018-1020)cm-3；
(4)非有意掺杂层04，该非有意掺杂层为高迁层04制作在有意掺杂层03上面；
(5)AlN插入层05该插入层05制作在高迁层04上面，插入层厚度为0-2nm。
(6)非有意掺杂势垒层06，该非有意掺杂势垒层06制作在AlN插入层05上面；其中的非有意掺杂势垒层06的材料为InxAlyGa1-x-yN，铟组分为0≤x≤1，铝组分为0≤y≤1，厚度为10-30nm；
(7)非有意掺杂氮化镓盖帽层07，该非有意掺杂氮化镓盖帽层07制作在非有意掺杂势垒层06上面；
(8)欧姆电极源电极08，该欧姆电极08制作在氮化镓帽层07上面，相较于欧姆电极漏电极09较宽；
(9)欧姆电极漏电极09，该欧姆电极09制作在氮化镓帽层07上面，相较于欧姆电极源电极08较窄；
(10)栅电极10，该栅电极10制作在氮化镓帽层07上面；
(11)漏电极pad 11，该pad与器件中每一个漏电极09相连；
(12)栅电极pad 12，该pad与器件中每一条栅电极10相连；
(13)通孔13，该通孔从衬底背面打通，连接到源电极08背面；
(14)桥墩14，该桥墩14为空气桥或者介质桥桥墩，制作在源电极08上；
(15)桥面15，该桥面15制作在桥墩14之上，将每个源电极08通过桥墩14和桥面15电学连接在一起。
在一实例中，提供了上述器件的制作步骤，包括：
步骤1：选择一衬底01；
步骤2：在衬底01上生长一层成核层02，生长厚度为0.01-0.50μm；
步骤3：在成核层02上生长缓冲层03；
步骤4：在缓冲层03上生长高迁层04，厚度为50nm～100nm；
步骤5：在高迁层04上生长AlN插入层05，厚度为1nm～3nm；
步骤6：在AlN插入层05上生长非有意掺杂势垒层06；
步骤7：在非有意掺杂势垒层06上生长非有意掺杂氮化镓盖帽层07，厚度为1-5nm；
步骤8：利用Ti/Al/Ni/Au合金作为欧姆金属，并通过高温退火形成欧姆接触；
步骤9：利用台面隔离或者例子注入对器件进行隔离。
步骤10：利用Ni/Au作为器件的栅电极；
步骤11：利用Ni/Au做漏极pad和栅极pad以及漏电极与漏pad互联，栅极与栅pad互联；
步骤12：用光刻胶保护器件正面，对背面进行减薄，减薄到100-200nm；
步骤13：在源电极背面开通孔；
步骤14：在背面和通孔中淀积Ni/Au对源进行接地；
步骤15：在正面源电极金属上用光刻定义桥墩并淀积金属；
步骤16：用光刻定义桥面并沉积金属，形成桥面。
在本公开的一些实施例中，该改善GaN HEMT器件散热性能的结构为单胞多指栅器件，该单胞多指栅器件中源极和漏极尺寸不同，设置源极、栅极、漏极的尺寸满足：在不改变器件整体尺寸的情况下使得源极两边的栅极间距相同。
在本公开的一些实施例中，该改善GaN HEMT器件散热性能的结构还包括：漏极pad，该漏极pad与单胞多指栅器件中的每一个漏极均相连；以及栅极pad，该栅极pad与单胞多指栅器件中的每一个栅极均相连。
在本公开的一些实施例中，改善GaN HEMT器件散热性能的结构，还包括：通孔，该通孔从衬底背面打通，连接到源极背面；桥墩，该桥墩制作在源极上；以及桥面，该桥面制作在桥墩之上，将每个源极通过桥墩和桥面电学连接在一起。
在本公开的一些实施例中，桥墩为空气桥或者介质桥桥墩。
在本公开的一些实施例中，外延结构包括：依次层叠的成核层、缓冲层、高迁层、插入层、势垒层、以及盖帽层。
在本公开的一些实施例中，势垒层的材料为InxAlyGa1-x-yN，铟组分为0≤x≤1，铝组分为0≤y≤1，厚度为10-30nm；所述盖帽层的材料为InxGa1-xN，铟组分为0≤x≤1，厚度为0-5nm。
在本公开的一些实施例中，源极和漏极的位置并不固定，漏极也可位于器件的左右两端。
在本公开的第二个实施例中，提供了一种布局，包含本公开提到的任一种改善GaNHEMT器件散热性能的结构。
图3为根据本公开一实例所示的多胞器件的布局方式以及单胞之间通过pad连接的方式。
图4为根据本公开另一实例所示的多胞器件的布局方式以及单胞之间通过pad连接的方式。
在本公开的一些实施例中，通过设计版图使得多个单胞进行组合，将单胞之间用金属pad连接，如图3和图4所示。当然，图3和图4并非为所有的连接设计，也并限于4个单胞，其他形式的排列均可用栅pad或者漏pad连接在一起。
综上所示，本公开提供了一种改善GaN HEMT器件散热性能的结构和布局，通过将源电极尺寸做大，使得源电极相较于漏电极沿着栅长方向的尺寸增大，以增大金属的面积，使得多指器件源电极两侧的栅指间距增大，有利于平衡多指器件内部有源区的温度，当器件的布局需要多个单胞进行组合时，通过设计版图，将单胞之间用pad连接，利用金属的良好导热性，帮助器件散热。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种改善GaN HEMT器件散热性能的结构，其特征在于，包括：
衬底；
外延结构，制作于该衬底之上；
源极，制作于该外延结构之上；
漏极，制作于该外延结构之上；以及
栅极，制作于该外延结构之上；
其中，所述源极的宽度大于所述漏极的宽度，所述宽度表示在栅长方向上的尺寸。
2.根据权利要求1所述的改善GaN HEMT器件散热性能的结构，其特征在于，该结构为单胞多指栅器件，该单胞多指栅器件中源极和漏极尺寸不同，设置源极、栅极、漏极的尺寸满足：在不改变器件整体尺寸的情况下使得源极两边的栅极间距相同。
3.根据权利要求2所述的改善GaN HEMT器件散热性能的结构，其特征在于，还包括：
漏极pad，该漏极pad与单胞多指栅器件中的每一个漏极均相连；
栅极pad，该栅极pad与单胞多指栅器件中的每一个栅极均相连。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的改善GaN HEMT器件散热性能的结构，其特征在于，还包括：
通孔，该通孔从衬底背面打通，连接到源极背面；
桥墩，该桥墩制作在源极上；
桥面，该桥面制作在桥墩之上，将每个源极通过桥墩和桥面电学连接在一起。
5.根据权利要求4所述的改善GaN HEMT器件散热性能的结构，其特征在于，所述桥墩为空气桥或者介质桥桥墩。
6.根据权利要求1所述的改善GaN HEMT器件散热性能的结构，其特征在于，所述外延结构包括：
依次层叠的成核层、缓冲层、高迁层、插入层、势垒层、以及盖帽层。
7.根据权利要求6所述的改善GaN HEMT器件散热性能的结构，其特征在于，所述势垒层的材料为InxAlyGa1-x-yN，铟组分为0≤x≤1，铝组分为0≤y≤1，厚度为10-30nm；所述盖帽层的材料为InxGa1-xN，铟组分为0≤x≤1，厚度为0-5nm。
8.根据权利要求1所述的改善GaN HEMT器件散热性能的结构，其特征在于，所述源极和漏极的位置并不固定，漏极也可位于器件的左右两端。
9.一种布局，其特征在于，包含权利要求1至8中任一项所述的改善GaN HEMT器件散热性能的结构。
10.根据权利要求9所述的布局，其特征在于，通过设计版图使得多个单胞进行组合，将单胞之间用金属pad连接。
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