CN112466942B - 具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT及制备方法；该GaN HEMT包括自下而上的衬底、中间层和介质层；中间层包括自上而下的势垒层以及缓冲层；源、漏、栅电极分别穿过介质层与势垒层相接触；中间层上沿栅宽方向刻蚀有插指型凹槽，凹槽正上方的介质层形成第一插指结构；第一插指结构在水平方向上位于栅、漏电极之间并与栅电极相邻；栅电极和漏电极之间的介质层上表面生长有金刚石散热层；金刚石散热层的下表面形成有第二插指结构；第二插指结构与第一插指结构无缝对接；栅电极的上端向漏电极的方向延伸，以覆盖金刚石散热层的部分上表面。本发明可以提高GaN HEMT在微波大功率场景下的散热能力。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体涉及具有插指型金刚石散热层的GaN(氮化镓)HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)。
背景技术
GaN作为第三代半导体的代表材料，其应用前景非常广阔。由于GaN禁带宽度大，电子饱和速度高等特点，使其在军事、航空航天、通讯等高频大功率领域有其独特优势。随着半导体器件集成度越来越高，伴随的高产热现象也不可避免，器件的自热效应积累不仅会使器件饱和电流、跨导等基本性能下降，更严重时可能会使器件失效。
GaN自身的热导率只有130W/(m·K)(瓦/(米·开尔文))，目前的GaN HEMT中，常用的衬底主要包括SiC(碳化硅)衬底、Si(硅)衬底以及蓝宝石衬底等等。其中，即便是采用高热导率的SiC衬底，也远不能满足未来微波大功率场景下的GaN HEMT对散热的需求。
发明内容
为了进一步提高GaN HEMT在微波大功率场景下的散热能力，本发明提供了一种具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT及制备方法。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT，包括自下而上设置的衬底、中间层和介质层；所述中间层包括自上而下设置的势垒层以及GaN材质的缓冲层；所述GaN HEMT还包括：源电极、漏电极以及栅电极；其中，
所述源电极、所述漏电极以及所述栅电极分别穿过所述介质层与所述势垒层相接触；其中，在水平方向上，所述栅电极位于所述源电极和所述漏电极之间；
所述中间层上沿栅宽方向刻蚀有插指型凹槽，所述插指型凹槽正上方的介质层形成第一插指结构；所述第一插指结构在水平方向上位于所述栅电极和所述漏电极之间并与所述栅电极相邻；
所述栅电极和所述漏电极之间的介质层上表面还生长有金刚石散热层；所述金刚石散热层的下表面形成有第二插指结构；所述第二插指结构与所述第一插指结构无缝对接；
所述栅电极的上端向所述漏电极的方向延伸，以覆盖所述金刚石散热层的部分上表面。
优选地，所述金刚石散热层的材质为纳米金刚石。
优选地，所述金刚石散热层的厚度为0.5μm～1μm。
优选地，所述金刚石散热层的长度占所述栅电极和所述漏电极之间的水平间距的50％～100％。
优选地，所述介质层的材质为SiN层，所述SiN层的厚度为10nm～60nm。
优选地，所述势垒层的材质为AlGaN(铝镓氮)。
优选地，所述源电极和所述漏电极均为由钛、铝、镍以及金自下而上组成的四层金属堆栈结构。
优选地，所述栅电极为由镍和金自下而上组成的双层金属堆栈结构。
第二方面，本发明提供了一种具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT的制备方法，包括：
步骤S1：获取外延衬底；所述外延衬底包括自下而上设置的衬底和中间层；所述中间层包括自上而下设置的势垒层以及GaN材质的缓冲层；
步骤S2：在所述中间层上沿预定的栅宽方向刻蚀出插指型凹槽；
步骤S3：利用PECVD工艺在所述势垒层上生长介质层；生长完成的介质层在所述插指型凹槽上方形成第一插指结构；
步骤S4：利用MPCVD工艺在所述介质层上生长金刚石散热层；生长完成的金刚石散热层的下表面形成第二插指结构，所述第二插指结构与所述第一插指结构无缝对接；
步骤S5：基于金属硬掩模对所述金刚石散热层进行图形化刻蚀；
步骤S6：制备GaN HEMT的器件电隔离区；
步骤S7：进一步刻蚀所述介质层，以使下方的势垒层暴露出制备源电极所需的源电极区域、制备漏电极所需的漏电极区域以及制备栅电极所需的栅槽区域；
步骤S8：依次利用光刻工艺和金属蒸发沉积工艺，在所述源电极区域和所述漏电极区域内暴露出的势垒层上制备源电极和漏电极；
步骤S9：依次利用光刻工艺和金属蒸发沉积工艺，基于所述栅槽区域内暴露出的势垒层制备栅电极；
其中，在水平方向上，所述栅电极位于所述源电极和所述漏电极之间，图形化刻蚀后的所述金刚石散热层位于所述栅电极和所述漏电极之间，所述第一插指结构位于所述栅电极和所述漏电极之间并与所述栅电极相邻。
优选地，所述金刚石散热层为0.5μm～1μm厚的纳米金刚石层。
本发明提供的具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT中，在GaN HEMT的顶部设置了一个金刚石散热层，从而利用了金刚石散热层具有的高热导率特性实现了有效散热。并且，通过在中间层上刻蚀插指型凹槽，使得在介质层形成的第一插指结构与在金刚石散热层形成的第二插指结构无缝对接，从而增加了金刚石散热层与下方热源的接触面积，并且减小了金刚石层与沟道热源的距离，进一步实现了器件结温的有效降低。因此，本发明提供的具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT，可以有效提高GaN HEMT在微波大功率场景下的散热能力。
以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1所示的GaN HEMT沿栅宽方向在势垒层上刻蚀的插指型凹槽的示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT的制备方法流程图；
图6、图7和图8共同构成了本发明实施例中制备GaN HEMT的完整过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为了提高GaN HEMT在微波大功率场景下的散热能力，本发明实施例提供了一种具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT。图1示例性的示出了该GaN HEMT的前视图，图2示例性的示出了该GaN HEMT的俯视图；参见图1和图2所示，该GaN HEMT包括自下而上设置的衬底、中间层和介质层；该中间层包括自上而下设置的势垒层以及GaN材质的缓冲层；该GaN HEMT还包括：源电极、漏电极以及栅电极，分别用符号S、D和G进行表示。另外，图1和图2中，深灰色填充部分代表的是介质层。
其中，源电极、漏电极以及栅电极分别穿过介质层与势垒层相接触；在水平方向上，栅电极位于源电极和漏电极之间。中间层上沿栅宽方向刻蚀有插指型凹槽，插指型凹槽正上方的介质层形成第一插指结构；该第一插指结构在水平方向上位于栅电极和漏电极之间并与栅电极相邻。并且，栅电极和漏电极之间的介质层上表面还生长有金刚石散热层；金刚石散热层的下表面形成有第二插指结构；第二插指结构与第一插指结构无缝对接。栅电极的上端向漏电极的方向延伸，以覆盖金刚石散热层的部分上表面。
可以理解的是，所谓的栅宽方向即是栅电极的宽度方向，该宽度方向与插指型凹槽的长度方向一致。
本发明实施例中，中间层上刻蚀的插指型凹槽的深度可以存在多种可能。例如，可以如图3示所示的在势垒层的上表面刻蚀出插指型凹槽，即插指型凹槽的深度小于势垒层的厚度；或者，该插指型凹槽的深度也可以等于势垒层的厚度，即刻蚀深度达到缓冲层的表面时停止刻蚀；或者，该插指型凹槽的深度也可以大于势垒层的厚度，且不超过势垒层加缓冲层的厚度；此时，光刻图形内的势垒层被完全移除，势垒层下方的缓冲层也被部分刻蚀。
需要说明的是，GaN HEMT工作在高压下时，需要承受极高的漏极电压，耗尽区的正电中心会产生由正电中心出发指向低电位的栅电极的电场线，从而在栅电极产生电场线集聚效应；因此，靠近漏电极一侧的栅电极管脚沟道处的电场线分布更加密集，电场峰值在栅电极边缘形成，在电场峰值处电流产热更集中；也就是说，GaN HEMT栅电极偏向漏电极一侧的管脚处产热量大，此处更接近GaN HEMT的上表面。
有鉴于此，本发明实施例在GaN HEMT的顶部设置了一个金刚石散热层，从而利用了金刚石散热层具有的高热导率特性实现了有效散热。并且，该金刚石散热层的下表面形成有第二插指结构，与介质层形成的第一插指结构无缝对接，增加了金刚石散热层与下方热源的接触面积，并且缩短了金刚石散热层与热源的距离，进一步实现了器件结温的有效降低。因此，本发明实施例提供的具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT，可以有效提高GaNHEMT在微波大功率场景下的散热能力。
优选地，本发明实施例中，金刚石散热层的材质可以为纳米金刚石。
优选地，金刚石散热层的厚度可以为0.5μm～1μm。例如，在一个较佳的实施例中，金刚石散热层的厚度优选为1μm。需要说明的是，1μm厚的金刚石散热层，是综合了散热效果和制备工艺的优选厚度。
优选地，金刚石散热层的长度占栅电极和漏电极之间的水平间距的50％～100％。
可以理解的是，当金刚石散热层的长度占栅电极和漏电极之间的水平间距的100％时，金刚石散热层在水平方向上不仅与栅电极相邻，还与漏电极相邻。
优选地，介质层的材质可以为SiN层，该SiN层的厚度为10nm～60nm。另外，该介质层的材质也可以为Al2O3(三氧化二铝)，此时该介质层的厚度可参见SiN层的厚度。
可以理解的是，如果介质层过厚，可能影响顶部散热层的散热效果，故而经过实际验证，确定介质层的厚度优选为10nm～60nm。
优选地，势垒层的材质为AlGaN，当然，并不局限于此。
优选地，源电极和漏电极均可以为由钛、铝、镍以及金自下而上组成的四层金属堆栈结构，当然，并不局限于此。
优选地，栅电极可以为由镍和金自下而上组成的双层金属堆栈结构。或者，栅电极也可以为由镍、金、镍自下而上组成的三层金属堆栈结构等。
优选地，上述的衬底可以是硅衬底、蓝宝石衬底或者SiC衬底等等。
另外，在一个可选的实施例中，如图4所示，本发明实施例提供的GaN HEMT还可以具有器件电隔离区；该器件电隔离区的作用是对器件之间进行电隔离。具体到实际中，当同时制备多个GaN HEMT时，该器件电隔离区可以有效避免相邻的GaN HEMT的有源区产生电接触。关于器件电隔离区的相关工艺属于现有技术，本发明实施例不做赘述。
以上，完成对基于p型掺杂金刚石散热层的GaN HEMT的说明。
相应于本发明实施例提供的具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT，本发明实施例还提供了该GaN HEMT的制备方法。如图5所示，该方法可以包括以下步骤：
步骤S1：获取外延衬底；该外延衬底包括自下而上设置的衬底和中间层；该中间层包括自上而下设置的势垒层以及GaN材质的缓冲层。
其中，衬底可以是硅衬底、蓝宝石衬底或者SiC衬底等等。势垒层的材质优选为AlGaN(铝镓氮)，当然，并不局限于此。另外，方便起见，后续将待制备的GaN HEMT统一称为样品。
步骤S2：在中间层上沿预定的栅宽方向刻蚀出插指型凹槽。
这里，插指型凹槽的结构可以参见图3所示。
具体的，该步骤S2可以包括下述的多个子步骤：
步骤S2-a：对样品进行清洗。
举例而言，可以先对样品进行超声清洗3分钟，超声强度可以为3.0W/cm2(瓦/平方厘米)。然后将清洗后的样品置入约60℃的剥离液中进行水浴加热5分钟之后，将进一步清洗后的样品依次置入丙酮溶液和乙醇溶液中进行超声清洗3分钟，超声强度可以为3.0W/cm2。最后，利用超纯水冲洗样品，并用氮气吹干样品。
步骤S2-b：在势垒层上光刻用于制备插指型凹槽的光刻图形。
举例而言，先将样品在200℃左右的高温下烘烤5分钟，然后，在势垒层上进行光刻胶的涂胶和甩胶，甩胶厚度为0.77μm。之后，将样品在90℃的高温下烘烤l分钟。接着，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中对光刻图形内的光刻胶进行曝光。最后，将完成曝光的样品放入显影液中移除光刻图形内的光刻胶，对其进行超纯水冲洗和氮气吹干。
步骤S2-c：利用ICP(Inductive Coupled Plasma，电感耦合等离子体)刻蚀工艺对光刻图形内的中间层进行刻蚀。
其中，刻蚀深度可以小于或等于势垒层的厚度；或者，刻蚀深度也可以大于势垒层的厚度，且不超过势垒层加缓冲层的厚度。
示例性的，如果势垒层的厚度为20nm～30nm，则具体的刻蚀条件可以包括：
ICP光刻机的上下电极功率分别为50W、15W；BCl3(三氯化硼)流量为20sccm(standard cubic centimeter per minute，每分钟1立方厘米的流量)，Cl2(氯气)的流量为8sccm，工作压强为5mTorr(毫托)，采用中速刻蚀，刻蚀速率为20nm/min(纳米/分钟)，刻蚀深度可以100nm。
步骤S2-d：将样品依次放入丙酮溶液、剥离液、丙酮溶液和乙醇溶液中进行清洗，以移除光刻图形外的光刻胶。
步骤S3：利用PECVD工艺在势垒层上生长介质层；生长完成的介质层在插指型凹槽上方形成第一插指结构。
其中，PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)工艺是指等离子体增强化学气相沉积工艺。
其中，介质层的材质可以是SiN或者Al2O3等等，并不局限于此。
举例而言，当需要生长厚度为20μm的SiN层时，具体的PECVD工艺可以包括：采用NH3(氨气)和SiH4(硅烷)作为反应气体，外延衬底的温度为250℃，反应腔室压力为600mTorr(毫托)，射频功率为22W。
可以理解的是，10nm～60nm厚的介质层相对于势垒层来说是非常薄的。故而生长完介质层后，金刚石散热层上的插指型凹槽仍然存在，即介质层在该插指型凹槽的上方形成了第一插指结构。
优选地，该步骤中生成的介质层的厚度可以为10nm～60nm。
步骤S4：利用MPCVD工艺在介质层上生长金刚石散热层；生长完成的金刚石散热层的下表面形成第二插指结构，该第二插指结构与第一插指结构无缝对接。
其中，MPCVD(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition)工艺是指微波等离子体化学气相沉积工艺。
举例而言，当利用MPCVD工艺在SiN介质层上生长厚度为1μm的金刚石散热层时，具体的工艺参数可以包括：气体使用3％的CH4(甲烷)提供碳源，并用H2(氢气)稀释；气体总流量为400sccm(standard cubic centimeter per minute，每分钟1立方厘米的流量)～600sccm；气压200mTorr，沉积速率为0.13μm/h(微米每小时)～0.2μm/h；基底温度为800℃～1000℃；这里说的基底为已生长完介质层后的外延衬底；微波功率为1500W～3500W。
步骤S5：基于金属硬掩模对金刚石散热层进行图形化刻蚀。
具体的，该步骤S5可以进一步包括以下子步骤：
步骤5-a：在金刚石散热层上光刻硬掩模图形。
例如，可以将生长好金刚石散热层的样品先在200℃温度下烘烤5分钟；然后，对样品进行剥离胶的涂胶和甩胶，甩胶厚度可以为0.35μm；继续将样品放在200℃温度下烘烤5分钟。然后，在涂好的剥离胶上进行光刻胶的涂胶和甩胶，甩胶厚度可以为0.77μm；将样品在90℃下烘烤1分钟。之后，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中进行曝光，从而在金刚石散热层的上表面形成硬掩模图形。最后，将完成曝光的样品放入显影液中移除硬掩模图形内的光刻胶和剥离胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干。
步骤5-b：蒸发金属硬掩模。
这里说的金属硬掩模可以是由Ti(钛)和Ni(镍)两种金属组成的金属硬掩模。以该金属硬掩模举例而言，可以先将有硬掩模图形的样品放入等离子体去胶机中进行底膜处理约5分钟，底膜处理主要去除的是残留的光刻胶和剥离胶。然后，将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr(托)之后，便可以在硬掩模图形的光刻胶上依次蒸发金属Ti和金属Ni。接着，对完成金属蒸发的样品进行剥离，以移除硬掩模图形外的金属、光刻胶和剥离胶；最后，用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
步骤5-c：利用ICP工艺对硬掩模图形外的金刚石散热层进行刻蚀。
示例性的，当金刚石散热层的厚度为1μm时，刻蚀条件可以包括：ICP刻蚀机的偏压功率约100W(瓦)，ICP源功率约500W，氦气流量约40sccm(standard cubic centimeter perminute，每分钟1立方厘米(1ml/min)的流量)，氧气流量约30sccm，工作压强约10mTorr(毫托)，刻蚀速率约180nm/min，刻蚀深度约1μm。
可以理解的是，该步骤5-c执行完毕后，便可以暴露出部分区域的介质层。暴露出的该部分区域主要用于后续制备三个电极。
步骤5-d：刻蚀掉金属硬掩模。
这里，可以用腐蚀液来化学刻蚀掉该金属硬掩模；腐蚀液具体可以是采用由氧化剂、增速剂、掩模稳定剂以及刻蚀面平滑促进剂等成分构成的液体。
步骤S6：制备GaN HEMT的器件电隔离区。
具体的，可以通过刻蚀介质层、势垒层以及部分的缓冲层实现器件电隔离区的制备；关于器件电隔离区的详细制备工艺可参见现有成熟技术，本发明实施例不做赘述。
步骤S7：进一步刻蚀介质层，以使下方的势垒层暴露出制备源电极所需的源电极区域、制备漏电极所需的漏电极区域以及制备栅电极所需的栅槽区域。
其中，在水平方向上，栅槽区域位于源电极区域和漏电极区域之间，步骤S5中图形化刻蚀后的金刚石散热层位于该栅电极区域和该漏电极区域之间，第一插指结构位于该栅槽区域和该漏电极区域之间并与栅槽区域相邻。这样，对于制备完成的GaN HEMT而言，在水平方向上，栅电极位于源电极和漏电极区域之间，金刚石散热层位于栅电极和漏电极之间，无缝对接的第一插指结构和第二插指结构均位于栅电极和漏电极之间并与栅电极相邻。
具体的，该步骤S7可以包括下述的多个子步骤：
步骤S7-a：在介质层上光刻源电极图形、栅槽图形以及漏电极图形。
示例性的，可以先将样品在200℃下烘烤5分钟；然后，在介质层上进行剥离胶的涂胶和甩胶，甩胶厚度约0.35μm，再将样品在200℃下烘烤5分钟。接着，在剥离胶上进行光刻胶的涂胶和甩胶，甩胶厚度约0.77μm，继续将样品在90℃下烘烤l分钟。之后，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中进行曝光，从而在介质层上形成源电极图形、栅槽图形以及漏电极图形。最后，将完成曝光的样品放入显影液中，以移除源电极图形、栅槽图形以及漏电极图形内的光刻胶和剥离胶，然后再对样品进行超纯水冲洗和氮气吹干。
步骤S7-b：利用ICP工艺，刻蚀掉源电极图形、栅槽图形以及漏电极图形内的介质层。
具体的，刻蚀深度以达到势垒层的表面为准，即当刻蚀到势垒层的表面时停止刻蚀。这样，便可以使势垒层暴露出制备栅电极所需的栅槽区域、制备源电极所需的源电极区域以及制备漏电极所需的漏电极区域。
举例而言，当介质层的厚度为20nm时，ICP刻蚀的条件可以包括：反应气体为CF4(四氟化碳)和O2(氧气)，反应腔室压力为l0mTorr，ICP刻蚀机的上电极和下电极的射频功率分别为100W和l0W，刻蚀的深度以达到势垒层的表面为准，即当刻蚀到势垒层的表面时停止刻蚀。
步骤S8：依次利用光刻工艺和金属蒸发沉积工艺，在所述源电极区域和所述漏电极区域内暴露出的势垒层上制备源电极和漏电极。
具体的，该步骤S8可以包括下述多个子步骤：
步骤8-a：分别在源电极区域和漏电极区域上光刻出源电极图形和漏电极图形。
示例性的，可以先将样品在200℃下烘烤5分钟；然后，在介质层上进行剥离胶的涂胶和甩胶，甩胶厚度约0.35μm，再将样品在200℃下烘烤5分钟。接着，在剥离胶上进行光刻胶的涂胶和甩胶，甩胶厚度约0.77μm，继续将样品在90℃下烘烤l分钟。之后，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中对源电极图形、漏电极图形内的光刻胶进行曝光，从而在介质层上形成源电极图形和漏电极图形。最后，将完成曝光的样品放入显影液中，以移除源电极图形和漏电极图形内的光刻胶和剥离胶，然后再对样品进行超纯水冲洗和氮气吹干。
步骤8-b：蒸发欧姆金属。
其中，欧姆金属可以为由钛、铝、镍和金四层金属自下而上组成的金属堆栈结构，当然，并不局限于此。
举例而言，可以先将光刻有源电极图形和漏电极图形的样品放入等离子去胶机中进行底膜处理，处理的时间约5分钟。然后，将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr之后，在源电极图形和漏电极图形内依次蒸发钛、铝、镍和金这四种金属；源电极图形和漏电极图形外的光刻胶上也会蒸发上金属。因此，接着对完成欧姆金属蒸发的样品进行剥离，便可以移除源电极图形和漏电极图形外的欧姆金属、光刻胶和剥离胶。最后，用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
步骤8-c：对剥离出的样品进行退火处理。
具体的，将剥离出的样品放入快速热退火炉中进行退火，以使源电极和漏电极的欧姆金属下沉至势垒层，从而形成欧姆金属与异质结沟道之间的欧姆接触。例如，退火的工艺条件可以包括：退火气氛为N2(氮气)，退火温度为830℃，退火时间为30秒。
步骤S9：依次利用光刻工艺和金属蒸发沉积工艺，基于所述栅槽区域内暴露出的势垒层制备栅电极。
具体的，该步骤S9可以包括以下多个子步骤：
步骤S9-a：分别对势垒层上的栅槽区域和金刚石散热层的部分表面进行光刻，得到制备栅电极所需的栅电极图形；
例如，可以先将样品在200℃下烘烤5分钟；然后，对样品进行剥离胶的涂胶和甩胶，甩胶厚度为0.35μm，再将样品在200℃下烘烤5分钟。接着，对样品进行光刻胶的涂胶和甩胶，甩胶厚度为0.77μm，然后将样品在90℃下烘烤1分钟。之后，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中，对栅槽区域内暴露出的势垒层表面以及金刚石散热层的部分表面上的光刻胶进行曝光，形成栅电极图形；最后，将完成曝光的样品放入显影液中，以移除栅电极图形内的光刻胶和剥离胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干。
步骤S9-b：利用金属蒸发沉积工艺，在栅电极图形上制备栅电极。
具体的，在样品表面蒸发栅金属。该栅金属可以为由镍和金自下而上组成的双金属堆栈结构；或者，该栅金属也可以为由镍、金、镍自上而下组成的三层金属堆栈结构等等。
举例而言，可以先将光刻有栅电极图形的样品放入等离子体去胶机中进行约5分钟的底膜处理。然后，将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr之后，便可以在栅电极图形内外的光刻胶上蒸发上栅金属。接着，对完成栅金属蒸发的样品进行剥离，以移除栅电极图形外的栅金属、光刻胶和剥离胶。最后，用超纯水冲洗金刚石散热层并用氮气吹干。
以上，为GaN HEMT的制备流程。
为了方案更为清楚，图6、图7以及图8以图形化的方式示出了GaN HEMT的制备过程示意图。其中，标记(a)代表外延衬底；标记(b)代表在势垒层上刻蚀好插指型凹槽后的样品；标记(c)代表生长好介质层后的样品；标记(d)代表在介质层上生长好金刚石散热层的样品；标记(e)代表在金刚石散热层的样品上制作好金属硬掩模后的样品；标记(f)代表基于金属硬掩模对金刚石散热层进行了图形化刻蚀后的样品；标记(g)代表将金属硬掩模刻蚀掉了的样品；标记(h)代表制备好器件电隔离区后的样品；标记(i)代表刻蚀介质层形成源电极区域、漏电极区域以及栅槽区域后的样品；标记(j)代表制备好源、漏电极后的样品；标记(k)代表制备好栅电极后的GaN HEMT成品。
本发明实施例提供的具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT的制备方法中，在GaNHEMT的顶部制备了一个金刚石散热层，从而利用了金刚石散热层具有的高热导率特性实现了有效散热。并且，通过在势垒层上刻蚀插指型凹槽，使得介质层形成的第一插指结构与金刚石散热层形成的第二插指结构无缝对接，从而增加了金刚石散热层与下方热源的接触面积，并减小了金刚石散热层与热源之间的距离，进一步实现了器件结温的有效降低。因此，本发明提供的具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT，可以有效提高GaN HEMT在微波大功率场景下的散热能力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT，其特征在于，包括自下而上设置的衬底、中间层和介质层；所述中间层包括自上而下设置的势垒层以及GaN材质的缓冲层；所述GaNHEMT还包括：源电极、漏电极以及栅电极；其中，
所述源电极、所述漏电极以及所述栅电极分别穿过所述介质层与所述势垒层相接触；其中，在水平方向上，所述栅电极位于所述源电极和所述漏电极之间；
所述中间层上沿栅宽方向刻蚀有插指型凹槽，所述插指型凹槽正上方的介质层形成第一插指结构；所述第一插指结构在水平方向上位于所述栅电极和所述漏电极之间并与所述栅电极相邻；
所述栅电极和所述漏电极之间的介质层上表面还生长有金刚石散热层；所述金刚石散热层的下表面形成有第二插指结构；所述第二插指结构与所述第一插指结构无缝对接；
所述栅电极的上端向所述漏电极的方向延伸，以覆盖所述金刚石散热层的部分上表面。
2.根据权利要求1所述的GaN HEMT，其特征在于，所述金刚石散热层的材质为纳米金刚石。
3.根据权利要求1所述的GaN HEMT，其特征在于，所述金刚石散热层的厚度为0.5μm～1μm。
4.根据权利要求1所述的GaN HEMT，其特征在于，所述金刚石散热层的长度占所述栅电极和所述漏电极之间的水平间距的50％～100％。
5.根据权利要求1所述的GaN HEMT，其特征在于，所述介质层的材质为SiN层，所述SiN层的厚度为10nm～60nm。
6.根据权利要求1所述的GaN HEMT，其特征在于，所述势垒层的材质为AlGaN。
7.根据权利要求1所述的GaN HEMT，其特征在于，所述源电极和所述漏电极均为由钛、铝、镍以及金自下而上组成的四层金属堆栈结构。
8.根据权利要求1所述的GaN HEMT，其特征在于，所述栅电极为由镍和金自下而上组成的双层金属堆栈结构。
9.一种具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S1：获取外延衬底；所述外延衬底包括自下而上设置的衬底和中间层；所述中间层包括自上而下设置的势垒层以及GaN材质的缓冲层；
步骤S2：在所述中间层上沿预定的栅宽方向刻蚀出插指型凹槽；
步骤S3：利用PECVD工艺在所述势垒层上生长介质层；生长完成的介质层在所述插指型凹槽上方形成第一插指结构；
步骤S4：利用MPCVD工艺在所述介质层上生长金刚石散热层；生长完成的金刚石散热层的下表面形成第二插指结构，所述第二插指结构与所述第一插指结构无缝对接；
步骤S5：基于金属硬掩模对所述金刚石散热层进行图形化刻蚀；
步骤S6：制备GaN HEMT的器件电隔离区；
步骤S7：进一步刻蚀所述介质层，以使下方的势垒层暴露出制备源电极所需的源电极区域、制备漏电极所需的漏电极区域以及制备栅电极所需的栅槽区域；
步骤S8：依次利用光刻工艺和金属蒸发沉积工艺，在所述源电极区域和所述漏电极区域内暴露出的势垒层上制备源电极和漏电极；
步骤S9：依次利用光刻工艺和金属蒸发沉积工艺，基于所述栅槽区域内暴露出的势垒层制备栅电极；
其中，在水平方向上，所述栅电极位于所述源电极和所述漏电极之间，图形化刻蚀后的所述金刚石散热层位于所述栅电极和所述漏电极之间，所述第一插指结构位于所述栅电极和所述漏电极之间并与所述栅电极相邻。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述金刚石散热层为0.5μm～1μm厚的纳米金刚石层。
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