CN112786449A - Hemt器件制造方法、hemt器件及射频功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种HEMT器件制造方法、HEMT器件及功率放大器,该方法包括:制备二氧化硅或硅衬底的高电子迁移率功率晶体管HEMT器件;通过载板对所述HEMT器件进行固定;将所述HEMT器件衬底局部的二氧化硅或者硅移除,所述HEMT器件衬底局部包括源极与漏级沟道正下方区域;将所述HEMT器件衬底局部填充金刚石。在HEMT器件中,该热积累主要集中在源极与漏极的沟道区域,所以将该源极与漏极沟道正下方区域衬底局部换成金刚石可以提高该HEMT器件的散热能力。
Description
技术领域
本发明涉及电学领域,具体涉及一种HEMT器件制造方法、HEMT器件及功率放大器。
背景技术
射频功率放大器是无线基站中不可缺少的一部分,射频功率放大器的效率决定了基站的功耗、尺寸以及热设计等。随着对射频功率放大器效率提升以及小型化设计的需求越来越强烈,氮化镓(GaN)基高电子迁移率功率晶体管(hign electron mobilitytransistor,HEMT),以其高功率密度、高效率、高频特性好等优点,在射频功率放大器中被广泛应用。
GaN基HEMT具有高功率密度的特点,所以可以实现在很小的裸片(die)面积上,实现较大的功率输出能力。但同时也恶化了其散热环境,当die温度升高时,会导致GaN基HEMT器件的饱和功率输出能力下降,效率降低。因此,该HEMT器件衬底的散热性能也同样重要。
目前的GaN基HEMT器件中,以碳化硅(SiC)或硅(Si)为衬底热导率不高,散热效率较低,当裸片温度升高时,可能会使得该GaN基HEMT器件的效率下降。
发明内容
本申请第一方面提供了一种HEMT器件制造方法,其特征在于,该方法包括:制备以碳化硅或硅为衬底的高电子迁移率功率晶体管HEMT器件;通过载板对HEMT器件进行固定,并将HEMT器件衬底局部的碳化硅或者硅移除,HEMT器件衬底局部包括源极与漏级沟道正下方区域;将HEMT器件衬底局部填充金刚石。在HEMT器件中,该热积累主要集中在源极与漏极的沟道区域,所以将该源极与漏极沟道正下方区域衬底局部换成金刚石可以提高该HEMT器件的散热能力。
可选的,结合第一方面,在第一方面的第一种可能的实现方式中,该方法还包括:在所述HEMT器件衬底局部之外的区域正下方过孔。在该衬底中以金刚石作为衬底材料的区域之外的区域正下方过孔可以提高形貌一致性,同时对比在金刚石材料上过孔可以降低过孔工艺难度。
可选的,结合第一方面第一种可能的实现方式,在第一方面的第二种可能的实现方式中,所述HEMT器件衬底局部为所述源极与漏极沟道正下方区域以及漏极正下方的区域,所述在所述HEMT器件局部之外的区域过孔包括:在所述HEMT器件衬底源极区域、与源极相连的有源区域或无源区域正下方过孔。
可选的,结合第一方面第一种可能的实现方式,在第一方面的第三种可能的实现方式中,所述HEMT器件衬底局部为所述有源区域正下方的区域,所述在所述HEMT器件衬底局部之外的区域正下方过孔包括:在所述HEMT器件衬底与源极相连的无源区域正下方过孔。
本申请第二方面提供了一种HEMT器件,其特征在于,所述高电子迁移率功率晶体管HEMT器件包括:器件层、界面层以及衬底,所述HEMT器件衬底局部为金刚石,所述衬底的局部包括源极与漏极沟道正下方的区域。该HEMT器件的热量主要积累在源极与漏极的沟道区域,所以该HEMT器件衬底局部为金刚石材料,所以,该HEMT器件的散热能力比较好。
可选的,结合第二方面,在第二方面第一种可能的实现方式中,所述HEMT器件衬底局部之外的区域正下方有过孔。该HEMT器件的过孔在金刚石之外的区域,过孔的形貌一致性高,也规避了在金刚石材料上打孔的工艺难题。
可选的,结合第二方面第一种可能的实现方式,在第二方面的第二种可能的实现方式中,所述HEMT器件衬底局部为所述源极与漏极沟道正下方区域以及漏极正下方的区域,所述HEMT器件衬底源极区域、与源极相连的有源区域或者无源区域有过孔。
可选的,结合第二方面第一种可能的实现方式,在第二方面的第三种可能的实现方式中,所述HEMT器件衬底局部为所述有源区域正下方的区域,所述HEMT器件衬底与源极相连的无源区域正下方有过孔。
本申请第三方面提供了一种射频晶体管,其特征在于,所述射频晶体管包括本申请第一方面至第一方面任意一种可能的实现方式中的HEMT器件。
本申请第四方面提供了一种射频功率放大器,其特征在于,所述射频功率放大器包括本申请第一方面至第一方面任意一种可能的实现方式中的HEMT器件。
本申请第五方面提供了一种无线基站,其特征在于,所述无线基站包括本申请第一方面至第一方面任意一种可能的实现方式中的HEMT器件。
本申请提供了一种HEMT器件制造方法、HEMT器件及功率放大器,该方法包括:制备二氧化硅或硅衬底的高电子迁移率功率晶体管HEMT器件;通过载板对所述HEMT器件进行固定;将所述HEMT器件衬底局部的二氧化硅或者硅移除,所述HEMT器件衬底局部包括源极与漏级沟道正下方区域;将所述HEMT器件衬底局部填充金刚石。在HEMT器件中,该热积累主要集中在源极与漏极的沟道区域,所以将该源极与漏极沟道正下方区域衬底局部换成金刚石可以提高该HEMT器件的散热能力。
附图说明
图1为本申请实施例一种HEMT器件制造方法步骤图;
图2为本申请实施例一种HEMT器件制造方法的一个流程图示意图;
图3为本申请实施例一种HTMT器件衬底过孔后的示意图;
图4为本申请实施例提供的一种HEMT器件制造方法的一个实施例示意图;
图5为本申请实施例提供的一种HEMT器件制造方法的一个流程示意图;
图6为本申请实施例提供的一种HEMT器件的俯视示意图;
图7为本申请实施例提供的一种HEMT器件的俯视示意图;
图8为本申请实施例提供的一种HEMT器件的俯视示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
本申请中出现的术语“和/或”,可以是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。另外,本申请中字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
GaN基HEMT具有高功率密度的特点,所以可以实现在很小的裸片(die)面积上,实现较大的功率输出能力。但同时也恶化了其散热环境,当die温度升高时,会导致GaN基HEMT器件的饱和功率输出能力下降,效率降低。因此,该HEMT器件的散热设计也同样重要。
目前的GaN基HEMT器件中,以碳化硅(SiC)或硅(Si)为衬底热导率不高,散热效率较低,当裸片温度升高时,可能会使得该GaN基HEMT器件的效率下降。
因此,可以将该GaN基的HEMT器件的碳化硅或者硅衬底替换为金刚石衬底。参见图1,以金刚石为衬底的GaN基的HEMT器件的制造方法步骤可以包括:
101.制备以碳化硅或硅为衬底的HEMT器件。
制备常规的以碳化硅或者硅为衬底的GaN基HEMT器件。可以参见图2的流程a,该以碳化硅或者硅为衬底的GaN基HEMT器件可以包括器件层、成核层以及碳化硅或硅衬底。需要说明的是,如果该衬底是以硅为材料的,则在器件层与成核层之间还有过渡层。
102.通过载板对HEMT器件进行固定,并移除HEMT器件的衬底。
通过载板对HEMT器件进行固定,并移除HEMT器件的衬底。该载板可以保护HEMT器件的器件层不被破坏,移除该HEMT器件的碳化硅或者硅衬底的方式可以为减薄、刻蚀或者其他方式将该衬底完全剥离。可以参见图2的流程b。
103.界面层淀积及金刚石衬底低温键合。
界面层淀积以及金刚石衬底低温键合。需要说明的是,该金刚石衬底与步骤102中移除的碳化硅或硅衬底尺寸完全相同。该金刚石衬底能够替代原先的碳化硅或者硅衬底。
该低温键合的技术可以包括:表面活化键合(surface activated bonding,SAB)和范德华键合。该SAB可以将不同材料的表面在真空中通过氩(AR)离子束清洁并在室温下黏合,该方法可以黏合具有不同热膨胀系数的材料。在器件层与金刚石衬底层之间,有很薄的界面层,由两种淀积的硅层和一种无定形金刚石层组成,可以实现无纳米空洞的均匀键合。可以参见图2的流程c。
通过范德华键合的器件层与金刚石衬底是通过范德华力键合到一起,键合温度可以控制在300摄氏度以内,应用了氮化铝(AlN)成核层等关键技术。
104.在金刚石衬底源极区域正下方过孔。
在金刚石衬底源极区域正下方过孔。该源极区域包括有源区和无源区。通常采用激光刻蚀加工,其基本原理是利用高能量密度激光对金刚石表面局部照射,使得照射过的表面气化或者发生化学反应,从而被去除。
105.移除载板,将HEMT器件进行封装。
将载板移除,将HEMT器件进行封装。参见图2的流程c与流程d。
在上述实施方式中,由于衬底整体采用金刚石材料,符合要求的大尺寸金刚石衬底难以获取,而且在人工制备金刚石过程中容易出现翘曲、厚度均匀性不好,刻蚀难度大等工艺问题。金刚石衬底与器件层之间存在界面层,界面层热导率难控制,因此可能导致衬底热导率下降。该大尺寸金刚石衬底材料成本较高,导致HEMT器件推广应用受限制。
其次,金刚石硬度极高,脆性大,且化学性质稳定,是一种极难加工的材料,以金刚石为衬底的HEMT器件通常采用激光刻蚀,该金刚石衬底通过这种方法过孔后的形貌一致性差。如图3所示。在过孔过程中也难以避免对衬底造成损伤,同时,采用该工艺方法成本高,耗时较长。
本申请实施例一提供了一种HEMT器件制造方法,参见图4,实施例一包括:
401.制备以碳化硅或硅为衬底的HEMT器件。
请参照步骤101与图5中的流程a进行理解,此处不再赘述。
402.通过载板对HEMT器件进行固定,并移除HEMT器件衬底局部的碳化硅或者硅。
通过载板对HEMT器件进行固定,并移除HEMT器件的衬底。该载板可以保护HEMT器件的器件层不被破坏。然后将HEMT器件衬底局部的碳化硅或者硅移除,该移除的工艺可以参照步骤102进行理解,此处不再赘述。参见图5中的流程b进行理解。该HEMT器件衬底的局部包括源极与漏极沟道正下方区域。需指出的是,该源极与漏极是没有直接接触的,源极与漏极中间存在一定宽度的沟道区域。示例性的,可以移除该源极与漏极沟道正下方宽度为预设宽度的碳化硅或硅材料的衬底。例如,该预设宽度可以为5微米。
需说明的是,将该HEMT器件衬底局部的碳化硅或者硅移除还可以包括将该碳化硅或硅正上方的成核层部分移除。
需要说明的是,由于在GaN基HEMT器件工作过程中,热量主要积累在源极和漏极沟道区域。因此,上述HEMT器件衬底的局部包括源极与漏极沟道正下方区域。这样可以使得热量积累的区域能够快速散热。
403.将该HEMT器件衬底局部填充金刚石。
将HEMT器件衬底局部填充金刚石,步骤403中HEMT器件衬底局部与步骤402中HEMT器件衬底局部是一致的。都包括源极和漏极沟道正下方区域。在GaN基HEMT器件工作过程中,热量主要积累在源极和漏极沟道区域。因此,将HEMT器件源极与漏极沟道正下方区域衬底的材料替换为金刚石可以使得热量积累的区域能够快速散热。参见图5的流程c进行理解。该源极和漏极沟道正下方区域可以为源极与漏极沟道正下方宽度为预设宽度的区域。示例性的,该预设宽度可以为5微米。
需要说明的是,在HEMT器件衬底局部填充金刚石的方式包括但不限于低温淀积、化学气相沉积,在HEMT器件衬底与成核层之间还可以形成界面层。
最优地,在一种实施方式中,步骤402与步骤403中所述的HEMT器件衬底局部为器件层的源极与漏极沟道正下方的区域。
在另一种实施方式中,该HEMT器件衬底的局部为器件层的源极与漏极沟道正下方区域以及漏极正下方的区域。
在另一种实施方式中,该HEMT器件衬底的局部为器件层的有源区域正下方的区域,该有源区域包括源极区域和漏极区域。
404.在HEMT器件衬底局部之外的区域正下方过孔。
在HEMT器件衬底局部之外的区域正下方过孔。在步骤403中,将HEMT器件衬底局部填充了金刚石,步骤404在HEMT器件衬底局部之外的区域正下方过孔即在金刚石之外的区域过孔。可以为在以硅或者碳化硅为衬底材料的区域正下方过孔。这样避免在金刚石区域过孔可以提高过孔后的形貌一致性,可以避免对衬底造成伤害,同时对比在金刚石材料上过孔可以降低过孔的工艺难度。过孔的工艺可以参照步骤104进行理解,此处不再赘述。
需指出的是,在一种实施方式中,若步骤402与步骤403中,若HEMT器件衬底局部为器件层的源极与漏极沟道正下方的区域。则在步骤404中,可以在源极区域、与源极相连的有源区域或者无源区域正下方进行过孔,该源极区域或者无源区正下方区域的材料为碳化硅或者硅。这样可以最大限度节约金刚石材料的使用量。
在另一种实施方式中,若步骤402与步骤403中,若HEMT器件衬底的局部为源极与漏极沟道正下方区域以及漏极正下方的区域。则在步骤404中,可以在源极区域、与源极相连的有源区域或无源区域正下方进行过孔,该源极区域或者无源区正下方区域的材料为碳化硅或者硅。
在另一种实施方式中,若步骤402与步骤403中,若HEMT器件衬底的局部为有源区域正下方的区域。在步骤404中,可以在与源极相连的无源区域正下方进行过孔,该无源区域正下方区域的材料为碳化硅或者硅。在这种实施方式中由于不在有源区正下方过孔,所以源极和漏极叉指长度都可以变小,从而有源区的面积可以缩小。这样虽然以金刚石作为衬底材料的区域会变大,但是可以缩小有源区的面积,也可以提高过孔形貌一致性。
405.移除载板,将HEMT器件进行封装。
参见步骤105进行理解,此处不再赘述。参见图5的流程d。
由于本申请实施例提供了一种HEMT器件的制造方法,在该方法中,只是将该HEMT器件的衬底局部材料替换为金刚石,而不是将整个衬底材料替换金刚石。在提高HEMT器件的散热能力的同时,可以避免制造过程中出现翘曲、厚薄不均匀以及成本高的问题。同时,在该金刚石材料之外的区域过孔,可以减少对衬底的损伤,可以提高过孔形貌一致性。
图6、图7、图8分别提供了一种HEMT器件,该HEMT器件为通过实施例一所述的HEMT器件所述的HTME器件制造方法制造出来的。图6、图7、图8分别为一种HEMT器件的俯视示意图。
在HEMT器件中,器件层包括有源区和无源区,该有源区包括源极(Source)和漏极(Drain)。无源区为栅极(Gate)所对应的区域,在图6、图7、图8所示的HEMT器件的俯视示意图中的源极、漏极与栅极分别对应该HEMT器件中器件层的源极、漏极与栅极正下方衬底的区域。
在如图6所示的HEMT器件中,该HEMT器件的衬底中为金刚石材料的区域为源极与漏极沟道正下方的区域,即图6中边框加粗部分区域,该衬底中金刚石材料区域的宽度可以略大于沟道的宽度,可以向源极或漏极区域进行延伸。该源极和漏极沟道正下方区域可以为源极与漏极沟道正下方宽度为预设宽度的区域。示例性的,该预设宽度可以为5微米。该过孔的区域为该非金刚石材料的区域,可以为源极区域或者与源极相连的有源或者无源区域正下方进行过孔。
在如图7所示的HEMT器件中,该HEMT器件的衬底中为金刚石材料的区域为源极与漏极沟道正下方的区域以及漏极正下方的区域,即图7中边框加粗部分区域。该衬底中金刚石材料区域包括沟道区域以及漏极所对应的区域。该种情况下,可以在非金刚石材料的区域过孔,可以为源极区域或者与源极相连的有源或者无源区域正下方进行过孔。
在如图8所示的HEMT器件中,该HEMT器件的衬底中为金刚石材料的区域为所有有源区域正下方的区域,即图8中边框加粗部分区域。该种情况下,可以在与源极相连的无源区域正下方进行过孔,该与源极相连的无源区域正下方区域的材料为碳化硅或者硅。在这种实施方式中由于不在有源区正下方过孔,所以源极和漏极叉指长度都可以变小,从而有源区的面积可以缩小。这样虽然以金刚石作为衬底材料的区域会变大,但是可以缩小有源区的面积,也可以提高过孔形貌一致性。
实施例一所述的一种HEMT器件制造方法制造出来的HEMT器件可以应用于射频晶体管以及射频功率放大器,该射频晶体管以及射频功率放大器可以应用于无线基站。
以上对本申请实施例所提供的一种HEMT器件制造方法、HEMT器件及功率放大器进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本申请的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本申请的限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (11)
1.一种HEMT器件制造方法,其特征在于,所述方法包括:
制备以碳化硅或硅为衬底的高电子迁移率功率晶体管HEMT器件;
通过载板对所述HEMT器件进行固定,并将所述HEMT器件衬底局部的碳化硅或者硅移除,所述HEMT器件衬底局部包括源极与漏级沟道正下方区域;
将所述HEMT器件衬底局部填充金刚石。
2.根据权利要求1所述的HEMT器件制造方法,其特征在于,所述方法还包括:
在所述HEMT器件衬底局部之外的区域正下方过孔。
3.根据权利要求2所述的HEMT器件的制造方法,其特征在于,所述HEMT器件衬底局部为所述源极与漏极沟道正下方区域以及漏极正下方的区域,所述在所述HEMT器件局部之外的区域过孔包括:
在所述HEMT器件衬底源极区域或者与源极相连的有源或无源区域正下方过孔。
4.根据权利要求2所述的HEMT器件的制造方法,其特征在于,所述HEMT器件衬底局部为所述有源区域正下方的区域,所述在所述HEMT器件衬底局部之外的区域正下方过孔包括:
在所述HEMT器件衬底与源极相连的无源区域正下方过孔。
5.一种HEMT器件,其特征在于,所述高电子迁移率功率晶体管HEMT器件包括:器件层、界面层以及衬底,所述HEMT器件衬底局部为金刚石,所述衬底的局部包括源极与漏极沟道正下方的区域。
6.根据权利要求5所述的HEMT器件,其特征在于,所述HEMT器件衬底局部之外的区域正下方有过孔。
7.根据权利要求6所述的HEMT器件,其特征在于,所述HEMT器件衬底局部为所述源极与漏极沟道正下方区域以及漏极正下方的区域,所述HEMT器件衬底源极区域或者与源极相连的有源或无源区域有过孔。
8.根据权利要求6所述的HEMT器件,其特征在于,所述HEMT器件衬底局部为所述有源区域正下方的区域,所述HEMT器件衬底与源极相连的无源区域正下方有过孔。
9.一种射频晶体管,其特征在于,所述射频晶体管包括权利要求5至8中任意一项所述的HEMT器件。
10.一种射频功率放大器,其特征在于,所述射频功率放大器包括权利要求5至8中任意一项所述的HEMT器件。
11.一种无线基站,其特征在于,所述无线基站包括权利要求5至8中任意一项所述的HEMT器件。
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