CN114005878A - 一种嵌入式片内微流道Si基GaN HEMT器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种嵌入式片内微流道Si基GaNHEMT器件及其制备方法，属于新型半导体器件热管理技术领域。该器件自上而下依次包括栅功能层、源功能层、漏功能层，SiN钝化层、AlGaN势垒层、GaN缓冲层及微流结构Si衬底；所述微流结构Si衬底包括歧管式散热微流结构，分为微流结构传热区和引流结构区两部分，微流结构传热区与GaN缓冲层直接接触，引流结构区的微流道与微流结构传热区的微流道相互垂直并互通，形成歧管微流散热结构。本发明的嵌入式片内微流道Si基GaN HEMT器件具有高效散热的能力的优点，可用于超大功率微波功率器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种嵌入式片内微流道Si基GaNHEMT器件及其制备方法，属于新型半导体器件热管理技术领域。
技术背景
以GaN为代表的新三代半导体材料具有宽带隙、高击穿场强、高电子饱和速度、耐高压高温等独特优势，各方面特性远高于、以GaAs和Si为代表的第一、二代半导体材料，极为适用于大功率和高频器件，在以雷达、电子对抗为代表的军用领域以5G基站和快充为代表的民用领域引起了广泛的关注，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)目前正往更小尺寸、更大功率的模式发展，但是随着尺寸的减小和功率密度的进一步提升，GaN器件的热积累效应显著增加，导致GaN器件电学性能急剧恶化；受GaN器件自身材料热物性和散热结构的限制，目前应用于产品工作的GaN器件的功率密度一般为3-5w/mm，远未达到实验研究中验证的功率密度。热积累问题已成为制约现阶段GaN器件应用和发展的主要技术瓶颈之一，导致功率密度的提升和器件的可靠性受限。因此提升GaN器件的散热能力亟待解决。目前针对GaN器件芯片级散热，主要分为被动散热技术和主动散热技术两种，被动散热技术就是将高导热材料与芯片内部的热源区进行集成，增大芯片内部的热传递能力，有效抑制热积累，比如金刚石衬底GaN技术、金刚石嵌入式散热柱技术和高导热钝化层散热技术；主动散热技术是将液体引入芯片内部的热源区附近，将热量交换给液体，有效将热源区的热量带走，比如片内微流冷却散热技术，其中又分为基于SiC衬底的片内微流散热技术、基于金刚石衬底的片内微流散热技术和基于散热柱的片内微流散热技术等。但是现有的技术，即使是效果较好的片内微流技术，其微流道是通过背面刻蚀来实现的，由于材料本身的厚度和刻蚀纵深比有限的原因，所以微流道离热源仍有一定距离，故一定程度上仍然受到衬底材料本身导热能力的限制。所以需要一种微流道直接接触热源，能够高效散热的结构和工艺设计方案来制备嵌入式片内微流道Si基GaN器件。
发明内容
为了解决GaN功率器件芯片内部的热积累，进行芯片级热管理技术开发，提升GaN器件的输出特性和可靠性，本发明提出了一种嵌入式片内微流道Si基GaNHEMT器件及其制备方法。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种嵌入式片内微流道Si基GaN HEMT器件，自上而下依次包括栅功能层、源功能层、漏功能层，SiN钝化层、AlGaN势垒层、GaN缓冲层及微流结构Si衬底；所述微流结构Si衬底包括歧管式散热微流结构，分为微流结构传热区和引流结构区两部分，微流结构传热区与GaN缓冲层直接接触，引流结构区的微流道与微流结构传热区的微流道相互垂直并互通，形成歧管微流散热结构。
所述歧管式散热微流结构的深度为80um--200um，所述引流结构区的微流道与微流结构传热区的微流道宽度均为20--100um；其中微流结构传热区的微流道位于源功能层或漏功能层下端，深度为40--100um；所述引流结构区的引液口和出液口宽度均为0.5--1mm。
所述歧管式散热微流结构采用一体Si衬底工艺形成。
一种嵌入式片内微流道Si基GaN HEMT器件的制备方法，包括如下步骤：
1）基于传统工艺先进行器件有源区隔离；
2）采用多步刻蚀技术实现Si衬底的微流结构传热区的微流道制备；
3）采用传统蒸发工艺进行源、漏功能区制备；
4）采用电镀工艺进行Si衬底的微流结构传热区的微流道正面的密封；
5）采用蒸发技术进行栅功能区生长制备；
6）采用ICP刻蚀技术实现Si衬底引流结构区的微流道制备，完成基于嵌入式片内微流道结构的Si基GaN HEMT器件制备。
步骤2）中所述多步刻蚀技术即从Si衬底正面先采用CHF3/C4F8气体进行ICP定向刻蚀主流道，后采用XeF2气体进行微流道宽度扩刻蚀，实现微流结构传热区的微流道制备。
本发明的有益效果如下：
本发明将流体引入到GaN器件芯片内部，并设计了歧管式的微流道结构，提升了片内近结区的散热能力，降低了流阻，提升了可靠性。相比传统GaN器件，器件热阻可下降70%以上，解决了GaN器件内部热积累，极大提高了器件的可靠性。
附图说明
图1是本发明提出的一种嵌入式片内微流道Si基GaN HEMT器件结构示意图，其中：1、Si衬底引流结构区；2、引流结构区的微流道；2-a、引流结构区的引液口；2-b、引流结构区的引液口；3、Si衬底微流结构传热区；4、微流结构传热区的微流道；5、GaN缓冲层；6、AlGaN势垒层；7、SiN钝化层、8、源功能层；9、漏功能层；10、栅功能层。
图2是本发明提出的一种嵌入式片内微流道Si基GaN HEMT器件的制备方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进一步进行详细说明。
参照图1,本发明提出的一种嵌入式片内微流道Si基GaN HEMT器件设计与制造方法，本发明的高效散热GaN HEMT器件结构设计自上而下依次包括：栅功能层10、源功能层8、漏功能层9、SiN钝化层7、AlGaN势垒层6、GaN缓冲层5及微流结构Si衬底（Si衬底微流结构传热区3和Si衬底引流结构区1共同组成）。所述微流结构Si衬底具有高传热作用，有效降低GaN HEMT器件结温，Si衬底内含歧管式散热微流结构（引流结构区的微流道2和微流结构传热区的微流道4共同组成），微流结构与缓冲GaN层5直接接触，有效增大散热能力和降低未流体流阻；同时Si衬底内含歧管式结构（引流结构区的微流道2和微流结构传热区的微流道4共同组成）采用一体Si衬底（Si衬底微流结构传热区3和Si衬底引流结构区1共同组成）工艺形成。本发明的嵌入式片内微流道Si基GaN HEMT器件具有高效散热的能力的优点，可用于超大功率微波功率器件。
参照图1,本发明的Si衬底内含歧管式散热微流结构，分为Si衬底微流结构传热区3和Si衬底引流结构区1两部分，Si衬底微流结构传热区3与GaN缓冲层5直接接触，引流结构区的微流道2与微流结构传热区的微流道4相互垂直，形成歧管微流散热结构。该结构有效增大散热能力和降低微流体流阻。
本发明的实现原理：本发明设计了Si衬底的歧管微流结构，引入多步刻蚀技术从Si衬底正面先采用CHF3/C4F8气体进行ICP定向刻蚀主流道，后采用XeF2气体进行微流道宽度扩刻蚀，实现微流结构传热区的微流道；同时，采用ICP刻蚀技术实现Si衬底引流结构区的微流道制备；引流结构区的微流道与微流结构传热区的微流道相互垂直，形成歧管微流散热结构。该结构能提升GaN器件芯片内部的散热能力，解决其热积累问题。
参照图1,本发明的Si衬底的歧管微流结构设计包括深度为80um--200um，引流结构区的微流道与微流结构传热区的微流道宽度均为20--100um；其中微流结构传热区的微流道4位于源功能层或漏功能层下端，深度设计为40--100um；其中引流结构区的引液口2-a和引流结构区的引液口2-b宽度设计为0.5--1mm，长度方向和器件芯片有源区的长度一致。
参照图2，本发明提出的一种嵌入式片内微流道Si基GaN HEMT器件的制造方法，器件的制备工艺兼容性用以下步骤解决：
1）器件有源区隔离：采用传统离子注入工艺进行有源区隔离，定义功能区。
2）Si衬底的微流结构传热区的微流道制备：首先，利用SiO2介质作刻蚀掩膜，如图2 中a1；然后，采用光刻结合ICP干法刻蚀技术进行SiO2介质、AlGaN层及GaN层的刻蚀；其次，利用CHF3/C4F8气体进行定向干法刻蚀Si，实现微流结构传热区的微流道的初步刻蚀，刻蚀深度满足40--100um要求，如图2中a2；最后，利用XeF2气体进行微流道宽度扩刻蚀，采用1min为一个周期，刻蚀多个循环，直到刻蚀宽度为20--100um，如图2中b1，并采用湿法腐蚀去除SiO2介质掩膜，完成微流结构传热区的微流道制备。
3）源、漏功能区制备：采用传统工序完成欧姆金属的电子束蒸发，实现源、漏功能区制备，如图2中c1；并采用等离子体蒸发SiN完成GaN器件的钝化，如图2中c2。
4）Si衬底的微流结构传热区的微流道正面的密封：采用光刻和电镀结合的工艺进行Si衬底的微流结构传热区的微流道正面的密封，电镀的金属为Au材料，如图2中d1所示。
5）栅功能区生长制备：采用光刻、刻蚀和电子束蒸发等工艺，实现器件栅功能区生长制备，如图2中e1所示。
6）Si衬底引流结构区的微流道制备：采用光刻和ICP（电感耦合等离子体）刻蚀技术，利用CHF3/C4F8气体从Si衬底背面进行定向刻蚀，实现Si衬底引流结构区的微流道制备，如图2中f1所示；最后进行掩膜层去除，完成基于嵌入式片内微流道结构的Si基GaN HEMT器件制备。
实施例
一种嵌入式片内微流道Si基GaN HEMT器件设计与制造方法，具体包括：
1）设计Si基GaN HEMT器件，有源区的源、漏间距设计为50um，为10栅结构，Si衬底厚度为100um。其中微流结构传热区的微流道位于源、漏的正下端，其微流结构宽度设计为25um，深度设计为50um；引流结构区的微流到宽度也为25um，深度设计为50um，和微流结构传热区的微流道垂直，同时其引液口和出液口宽度设计为0.5mm。
2）嵌入式片内微流道Si基GaN HEMT器件设计与制造；
①器件有源区隔离：采用传统离子注入工艺进行有源区隔离。
②Si衬底的微流结构传热区的微流道制备：首先，利用SiO2介质作刻蚀掩膜，厚度为1um；然后，采用光刻结合ICP干法刻蚀技术进行SiO2介质、AlGaN层及GaN层的刻蚀；其次，利用CHF3/C4F8气体进行定向干法刻蚀Si，实现微流结构传热区的微流道的初步刻蚀，刻蚀深度为50um；最后，利用XeF2气体进行微流道宽度扩刻蚀，采用1min为一个周期，刻蚀多个循环，直到刻蚀宽度为25um，并采用湿法腐蚀去除SiO2介质掩膜，完成微流结构传热区的微流道制备。
③源、漏功能区制备：采用传统工序完成欧姆金属的电子束蒸发，沉积金属Ti/Al/Ni/Au=20/160/50/40nm，实现源、漏功能区制备；并采用等离子体蒸发200nm的SiN介质，完成GaN器件的钝化。
④Si衬底的微流结构传热区的微流道正面的密封：采用光刻和电镀结合的工艺进行Si衬底的微流结构传热区的微流道正面的密封，对源漏区进行金属加厚，采用电镀工艺，电镀金属为Au材料，实现对微流结构传热区的微流道正面的密封。
⑤栅功能区生长制备：采用光刻、刻蚀和电子束蒸发等工艺，沉积金属Ni/Au，实现器件栅功能区生长制备。
⑥Si衬底引流结构区的微流道制备：采用光刻和ICP刻蚀技术，SiO2介质作刻蚀掩膜,利用CHF3/C4F8气体从Si衬底背面进行定向刻蚀，刻蚀深度为50um，使Si衬底引流结构区的微流道与微流结构传热区的微流道贯通，实现Si衬底内含歧管式微流结构。最后进行掩膜层去除，完成基于嵌入式片内微流道结构的Si基GaN HEMT器件制备。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种嵌入式片内微流道Si基GaNHEMT器件设计与制造方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (5)
1.一种嵌入式片内微流道Si基GaNHEMT器件，其特征在于，自上而下依次包括栅功能层、源功能层、漏功能层，SiN钝化层、AlGaN势垒层、GaN缓冲层及微流结构Si衬底；所述微流结构Si衬底包括歧管式散热微流结构，分为微流结构传热区和引流结构区两部分，微流结构传热区与GaN缓冲层直接接触，引流结构区的微流道与微流结构传热区的微流道相互垂直并互通，形成歧管微流散热结构。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式片内微流道Si基GaNHEMT器件，其特征在于，所述歧管式散热微流结构的深度为80um--200um，所述引流结构区的微流道与微流结构传热区的微流道宽度均为20--100um；其中微流结构传热区的微流道位于源功能层或漏功能层下端，深度为40--100um；所述引流结构区的引液口和出液口宽度均为0.5--1mm。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入式片内微流道Si基GaNHEMT器件，其特征在于，所述歧管式散热微流结构采用一体Si衬底工艺形成。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入式片内微流道Si基GaNHEMT器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）基于传统工艺先进行器件有源区隔离；
2）采用多步刻蚀技术实现Si衬底的微流结构传热区的微流道制备；
3）采用传统蒸发工艺进行源、漏功能区制备；
4）采用电镀工艺进行Si衬底的微流结构传热区的微流道正面的密封；
5）采用蒸发技术进行栅功能区生长制备；
6）采用ICP刻蚀技术实现Si衬底引流结构区的微流道制备，完成基于嵌入式片内微流道结构的Si基GaN HEMT器件制备。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入式片内微流道Si基GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，步骤2）中所述多步刻蚀技术即从Si衬底正面先采用CHF3/C4F8气体进行ICP定向刻蚀主流道，后采用XeF2气体进行微流道宽度扩刻蚀，实现微流结构传热区的微流道制备。
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2021
- 2021-09-30 CN CN202111160604.9A patent/CN114005878A/zh active Pending
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