一種均勻散熱的串管結構GaN管芯的制作方法
【專利摘要】本發明提出一種均勻散熱的串管結構GaN管芯。包括設置在襯底上的有源區、功率分配網絡、功率合成網絡，在襯底上垂直于柵條的方向設置有至少一個散熱槽，散熱槽將有源區隔離為至少兩個以上的有源子區，每個有源子區之間相互串聯連接并共用源條接地通孔，每個有源子區的輸入端均與功率分配網絡連接，每個有源子區的輸出端均與功率合成網絡連接。本發明在保持管芯尺寸基本不變的情況下，有效降低有源區的最高結溫，改善了管芯的熱穩定性，從而進一步提高管芯的可靠性。
【專利說明】一種均勻散熱的串管結構GaN管芯
【技術領域】
[0001]本發明屬于三代半導體功率器件【技術領域】，具體涉及一種均勻散熱的串管結構GaN管芯。
【背景技術】
[0002]固態功率器件是微波系統中的關鍵元件，尤其是微波功率器件和單片電路是電子對抗、相控陣雷達、精確打擊、微波通信以及衛星宇航等系統中的核心元器件由于其應用背景的特殊性，固態微波功率器件和單片電路一直是國外對我國進行技術封鎖和產品禁運的重點領域。隨著材料制備和器件工藝的不斷進步完善，目前國外的GaAs器件已經比較成熟，逐漸把精力投入到三代半導體工藝的開發。GaN功率器件作為三代半導體的代表，更是受到了廣泛的關注。經過最近幾年的發展，目前的GaN功率器件已經到了工程應用的前夕，國外先進國家已經在部分民用通信領域應用GaN功率器件。與GaAs功率器件相比，GaN的功率密度要大5倍左右，基本上單面面積產生的熱量也是GaAs功率器件的5倍，這就對GaN功率器件的散熱提出了很高的要求。
[0003]不管是采用哪種半導體材料，在制作功率放大器時末級管芯的柵寬決定了放大器的輸出功率，前級管芯主要起增益放大、驅動的作用。為了盡可能的提高功率放大器芯片的輸出功率往往要求增加末級柵寬，放大器的最高溫度往往出現在末級管芯上。如圖1所示，傳統的常規管芯往往采用簡單的并聯結構，有源區是一個連續的整體，整個有源區都會產生大量的熱，由于熱量累積效應，最高結溫往往出現在有源區的中間，如圖3所示。這種溝道中間的熱累積效應不僅會導致放大器性能的降低，更重要的是會影響芯片的可靠性。現有技術中，一種方法是通過加大柵柵間距以降低最高結溫，但是管芯的尺寸會大幅增加，導致芯片面積加大，成品率下降，成本增加。另一種方法是減小襯底厚度以縮短熱傳導距離，降低最高結溫，但是襯底厚度過小后一方面導致襯底自身容易碎裂，一致性可靠性也會下降，另一方面會導致傳輸線的線寬會大幅減小，無法承受高功率放大器的大功率和大電流。
【發明內容】
[0004]本發明解決的技術問題是，在保持管芯尺寸基本不變的情況下，降低有源區的最高結溫，改善管芯的熱穩定性，從而進一步提高管芯的可靠性。
[0005]為了解決上述技術問題，本發明提出一種均勻散熱的串管結構GaN管芯，包括設置在襯底上的有源區、功率分配網絡、功率合成網絡，在襯底上垂直于柵條的方向設置有至少一個散熱槽，散熱槽將有源區隔離為至少兩個以上的有源子區，每個有源子區之間相互串聯連接并共用源條接地通孔，每個有源子區的輸入端均與功率分配網絡連接，每個有源子區的輸出端均與功率合成網絡連接。
[0006]本發明與現有技術相比，其顯著優點在于，本發明通過在襯底上設置若干個散熱槽，把一整個大的有源區分成幾個均分串聯分布并共用源極接地通孔的有源子區，使有源區溝道溫度不會大量累積，有效降低了有源區的最高結溫；最高結溫的降低一方面提高了管芯的電性能，另一方面避免了管芯出現局部熱斑，大大提高了管芯的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是傳統的常規管芯結構示意圖。
[0008]圖2是本發明帶散熱槽的管芯結構示意圖。
[0009]圖3是傳統管芯和本發明管芯溝道熱分布示意圖。
[0010]圖4是本發明采用雙散熱槽三晶胞結構的示意圖。
[0011]圖5是本發明采用雙散熱槽六晶胞結構的示意圖。
[0012]圖6是本發明采用三散熱槽三晶胞結構的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]本發明所述均勻散熱的串管結構GaN管芯，包括設置在襯底上的有源區、功率分配網絡、功率合成網絡。如圖2所示和圖4所示，本發明在襯底上垂直于柵條的方向還設置有至少一個散熱槽，散熱槽將有源區隔離為至少兩個以上的有源子區，每個有源子區之間相互串聯連接并共用源條接地通孔，每個有源子區的輸入端均與功率分配網絡連接，每個有源子區的輸出端均與功率合成網絡連接。
[0014]散熱槽可以根據具體應用在襯底上設置I?5個，被散熱槽隔離而成的多個有源子區均勻分布在襯底上。
[0015]散熱槽的寬度可以根據實際需要設置為5um?50.，以應用于S/C/X各波段功率放大器芯片。
[0016]在本發明中，通過使用高能離子轟擊有源區的指定區域，改變GaN材料內部原子排列結構，使得該區域自身不產生熱量，該區域就可以形成本發明所述的散熱槽。前述指定區域可以根據設置散熱槽的位置要求及寬度要求劃定。
[0017]所述襯底由碳化硅，或者硅，或者藍寶石，或者金剛石制作而成。
[0018]實施例一
[0019]如圖4所示，實施例一采用雙散熱槽管芯結構。其中，在襯底上設置有兩個散熱槽，即散熱槽4A和散熱槽4B，散熱槽4A和散熱槽4B將管芯的有源區間隔隔離為三個有源子區，即有源子區2A、有源子區2B、有源子區2C，相鄰的有源子區之間被散熱槽隔離。有源子區2A、有源子區2B、有源子區2C相互串聯連接，形成串管結構。有源子區2A、有源子區2B、有源子區2C共用源極接地通孔。有源子區2A、有源子區2B、有源子區2C的輸入端與功率分配網絡I連接，有源子區2A、有源子區2B、有源子區2C的輸出端均與功率合成網絡3連接。功率分配網絡I將微波信號均勻的分配到各個晶胞。功率合成網絡3把各個晶胞的輸出信號合成到一路，便于和后續的匹配網絡連接。
[0020]由于散熱槽4A和散熱槽4B的存在，將原本集中在一起的熱源分散成三段，可以避免管芯中間位置的熱量過度集中。圖4中，有源子區2A、有源子區2B、有源子區2C是一種串管結構，信號的傳輸方向一致，而散熱槽的寬度往往很窄，在X波段以下對信號傳輸的影響很小，因此在電路設計時可以將有源子區2A、有源子區2B、有源子區2C當做一個整體來處理。
[0021]實施例二[0022]如圖5所示，實施例二采用三散熱槽三晶胞結構，用三個散熱槽，即散熱槽4A、散熱槽4B和散熱槽4C將整個有源區間隔隔離為四個均勻的有源子區，即有源子區2A、有源子區2B、有源子區2C和有源子區2D，相鄰的有源子區之間被散熱槽隔離。有源子區2A、有源子區2B、有源子區2C和有源子區2D均采用均勻的串管結構分布，每個有源子區共用源極接地通孔。功率分配網絡I將微波信號均勻的分配到各個晶胞，功率合成網絡3把各個晶胞的輸出信號合成到一路，便于和后續的匹配網絡連接。
[0023]散熱槽4A、散熱槽4B和散熱槽4C將原先一整條發熱源分隔為四段，避免溝道中間熱量過度集中。采用三散熱槽三晶胞結構，在保證溝道溫度的前提下總柵寬可以得到增加，提高了單個芯片的輸出功率。
[0024]實施例三
[0025]本發明將 實施例一或實施例二所示的管芯結構進行簡單的鏡像復制后就可以使得總柵寬加倍，增加輸出功率。實施例三如圖6所示，其管芯是雙散熱槽六晶胞結構，整體結構以圖6中的中心線E-E為基準互為鏡像。本實施例的實質是將實施例一的管芯鏡像復制成兩個，即管芯Al和管芯A2。管芯Al和管芯A2分別具有各自的功率分配網絡IA和1B，整體還是保持左邊輸入信號。管芯Al和管芯A2的輸出信號在功率合成網絡3輸出端并聯輸出，整體還是保持右邊輸出信號。
[0026]本發明的有益效果可以通過以下實驗進一步說明。
[0027]實驗內容:在相同直流功耗下分別測試三只具有不同結構管芯樣品的最高結溫。三只管芯均是4X IOOum GaN HEMT管芯，采用同一種工藝在同一個圓片上實現。1#管芯樣品為傳統的無散熱槽結構;2#管芯樣品在有源區設置一個寬度為20um的散熱槽;3#管芯樣品在有源區設置一個寬度為50um的散熱槽；漏極電壓為28V,漏極電流為150mA,熱臺溫度為85°C，采用紅外熱像儀測試管芯的最高結溫，實驗結果如下表所示。
[0028]
【權利要求】
1.一種均勻散熱的串管結構GaN管芯，包括設置在襯底上的有源區、功率分配網絡、功率合成網絡，其特征在于，在襯底上垂直于柵條的方向設置有至少一個散熱槽，散熱槽將有源區隔離為至少兩個以上的有源子區，每個有源子區之間相互串聯連接并共用源條接地通孔，每個有源子區的輸入端均與功率分配網絡連接，每個有源子區的輸出端均與功率合成網絡連接。
2.如利要求I所述的均勻散熱的串管結構GaN管芯，其特征在于，每個有源子區均勻分布在襯底上。
3.如利要求I所述的均勻散熱的串管結構GaN管芯，其特征在于，襯底上設置有兩個散熱槽，兩個散熱槽將有源區分為三個有源子區。
4.如利要求I所述的均勻散熱的串管結構GaN管芯，其特征在于，襯底上設置有三個散熱槽，三個散熱槽將有源區分為四個有源子區。
5.如權利要求1所述的均勻散熱的串管結構GaN管芯，其特征在于，使用高能離子轟擊有源區形成所述散熱槽。
6.如權利要求1所述的均勻散熱的串管結構GaN管芯，其特征在于，所述襯底由碳化硅，或者硅，或者藍寶石，或者金剛石制作而成。
7.如權利要求1所述的均勻散熱的串管結構GaN管芯，其特征在于，所述散熱槽的寬度在5um?50um之間。
【文檔編號】H01L29/06GK103700696SQ201310717636
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月24日 優先權日:2013年12月24日
【發明者】張斌, 余旭明, 陳堂勝, 任春江 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所