一種低熱阻氮化鎵器件結構

本發明涉及半導體中的gan?hemt器件領域，特別涉及一種低熱阻氮化鎵器件結構。

背景技術：

1、氮化鎵(gan)作為第三代半導體材料，因其寬禁帶、高擊穿電壓和高電子遷移率等特性，在功率器件領域展現出巨大的應用潛力。gan功率器件相比傳統硅(si)器件，具有更低的導通電阻和更高的工作頻率，使得在高效率和高密度功率轉換領域具有顯著優勢。

2、在電力電子領域，gan功率器件能夠支持更高的開關頻率和更大的功率密度，從而實現設備的小型化和輕量化。這對于需要高頻高效轉換的應用，如服務器電源、電動汽車充電器和可再生能源系統，尤為重要。gan器件的高頻特性還使其在無線充電和5g通信基站中得到廣泛應用，提供了更高的能效和更小的體積。gan功率器件預計將在未來的電力電子市場中占據更大的份額，推動各類電子設備向更高性能、更高能效的方向發展。

3、在過去三十年研究中，gan基功率器件的研究大多數都是基于algan/gan異質結材料。gan可以與algan形成調制摻雜的algan/gan異質結結構，在室溫下形成的二維電子氣導電溝道具有高電子濃度與高電子遷移率的特性。盡管gan功率器件在耐高溫、高壓環境下的表現也優于si器件，這使得它們在航空航天、軍事和工業高溫應用中具有獨特的優勢。由于其具有較高的二維電子氣濃度，器件往往有著可觀的電流能力，在長時間高功率的工作條件下，器件的發熱問題不容忽視。較高的結溫會加快gan內晶格碰撞，造成晶格散射，帶來器件電流能力下降，閾值電壓漂移和泄露電流增加等問題，嚴重影響器件的工作性能和可靠性。

4、為了解決gan器件高結溫引起的問題，很多時候研究者在器件設計階段就要在器件發熱和器件電流能力問題上做出取舍，以期獲得一個不錯的折中方案。目前大部分廠商，在解決器件發熱問題上，通常是在后期封裝上對其進行優化，以及后續布置外部散熱裝置。這些方案都有其局限性。

5、例如，在現有技術方案低熱阻硅基氮化鎵微波毫米波器件材料結構及制備方法中(張進成,郝璐,劉志宏等.低熱阻硅基氮化鎵微波毫米波器件材料結構及制備方法[p].陜西省：cn112216739b,2022-08-12.)，該器件材料結構包括：硅襯底層(1)；高熱導率介質層(2)，位于所述硅襯底層(1)的上表面，且與所述硅襯底層(1)之間形成凹凸不平的第一圖案化界面；緩沖層(3)，位于所述高熱導率介質層(2)的上表面，且與所述高熱導率介質層(2)之間形成凹凸不平的第二圖案化界面；溝道層(4)，位于所述緩沖層(3)的上表面；復合勢壘層(5)，位于所述溝道層(4)的上表面。該器件材料結構的制備方法包括步驟：獲取初始襯底，所述初始襯底的材料為具有目標晶向的硅襯底基片；在所述初始襯底上依次制備成核層和過渡層；在所述過渡層上依次制備緩沖層、溝道層以及復合勢壘層；將樣品翻轉，并采用晶圓鍵合技術在翻轉后的所述復合勢壘層下表面制備過渡襯底；去除所述初始襯底、所述成核層以及所述過渡層，以露出所述緩沖層；對所述緩沖層表面進行刻蝕以形成第二圖案化表面；在所述緩沖層的所述第二圖案化表面上淀積高熱導率材料以形成高熱導率介質層的第一部分；對另一具有目標晶向的硅襯底層表面進行刻蝕以形成第一圖案化表面；在所述硅襯底層的所述第一圖案化表面上淀積所述高熱導率材料以形成所述高熱導率介質層的第二部分；采用晶圓鍵合技術將所述高熱導率介質層的第一部分與所述高熱導率介質層的第二部分鍵合，形成所述高熱導率介質層，所述高熱導率介質層與所述硅襯底層之間形成凹凸不平的第一圖案化界面且與所述緩沖層之間形成凹凸不平的第二圖案化界面；去除所述過渡襯底，得到低熱阻硅基氮化鎵微波毫米波器件材料結構。

6、該現有技術在襯底制造凹槽結構，在工藝上需要在外延之前先進行圖形轉移并且刻蝕，不僅工藝上難以實現，而且對外延后的缺陷問題無法保證。同時，該技術屬于一種增大接觸面積、純導熱方案，介質材料決定導熱效果，存在很大局限，無法實現大幅度降溫。

技術實現思路

1、本發明的目的在于針對gan?hemt器件發熱的問題，在現有的平面型gan?hemt器件基礎上進行改進，提出一種低熱阻氮化鎵器件結構，在不降低器件飽和電流輸出能力的條件下，通過在勢壘層和緩沖層中引入具有極化效應的插槽陣列，改變導電通道的分布，形成多個溫度中心，使峰值溫度中心點的向漏極偏移，遠離柵極，實現了近50℃器件峰值溫度的降低，同時得到了溫度分布高度均勻的溫區，提高了器件溫度穩定性，可用于解決hemt功率電子器件由高溫引起的自熱效應等可靠性問題，將廣泛應用于手機快充、新能源汽車、充電樁等功率電子器件領域，具有一定的應用價值，特別在一些高溫場景和一些特種應用中。

2、本發明的目的至少通過如下技術方案之一實現。

3、一種低熱阻氮化鎵器件結構，包括隔離層、有源層、源電極、漏電極、柵電極和介質插槽陣列以及鈍化層；

4、隔離層包括從下至上順次層疊的襯底、成核層和緩沖層；

5、有源層包括從下至上順次層疊的本征層、插入層和勢壘層；

6、有源層位于隔離層上表面，隔離層的寬度大于有源層，形成凸臺結構；

7、有源層上表面的兩端分別連接源電極和漏電極；在源電極和漏電極之間的勢壘層上表面淀積柵極金屬，形成柵電極；

8、在柵電極與漏電極之間的有源層中設置有插槽陣列，插槽陣列中包括多個排成一列的插槽，插槽陣列中的插槽向下延伸越過勢壘層和插入層進入本征層，插槽中填充有介質材料；

9、有源層上表面除連接源電極、漏電極和柵電極的位置，均覆蓋有鈍化層，用于保護有源層。

10、進一步地，所述襯底為碳化硅襯底或硅襯底。

11、進一步地，有源層中本征層與勢壘層形成具有極化效應的異質結，包括氮化鎵/鋁鎵氮。

12、進一步地，使用反應離子刻蝕機或電感耦合等離子體刻蝕機設備，采用氟基等離子體形成插槽陣列。

13、進一步地，所述插槽陣列位于有源層之中，其面積占柵電極與漏電極之間的有源層面積的1％至99％。

14、進一步地，所述插槽陣列中的插槽的結構圖形為任意形狀或其組合，包括矩狀。

15、進一步地，所述插槽陣列中的一個或多個插槽向下延伸進入有源層。

16、進一步地，插槽陣列中插槽的填充材料為低熱阻并具有極化效應的介質材料，包括氮化鋁或鋁鎵氮。

17、進一步地，源電極和漏電極采用多層金屬疊層，從下到上依次為ti/al/ni/au，厚度分別為20/100/10/100nm。

18、進一步地，柵電極采用多層金屬疊層，從下到上依次為ni/au，厚度為50/200nm。

19、相對于現有技術，本發明具有以下優勢及有益效果：

20、1、本發明通過引入帶有極化效應的介質插槽陣列實現溫度可靠性高的器件，在發明的結構下，器件的峰值溫度降低，自熱效應將得到極大改善。

21、2、器件的溫度中心從靠近漏極的柵極邊緣轉移到最靠近漏極的插槽尖端，有效減小器件的柵極漏電，這極大的改善了器件的可靠性問題。

22、3、在工藝實現上，相比常規hemt器件，只需要多進行一次光刻、刻蝕和淀積工藝，工藝步驟簡單。

23、4、相比依靠后續手段(如封裝)減低器件發熱的方式，該新結構從源頭上解決了這一問題，極大的降低了封裝成本。