【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于半導體器件，特別涉及一種高散熱金剛石襯底gan晶體管結構及其制備方法。
技術介紹
1、以氮化鎵(gan)為代表的第三代半導體材料因其具有禁帶寬度大(3.4ev)、電子遷移率高、電子飽和速率高等顯著優勢，因此在下一代射頻器件、電力電子器件等領域有著更廣泛的使用場景。三族氮化物半導體異質結由于具有很強的自發極化和壓電極化效應，能夠在異質結界面處形成濃度較高(1×1013cm-2)、遷移率較大(2000cm2/v·s)的高密度二維電子氣(2deg)，因而使得gan基hemt器件具有高擊穿電壓、低導通電阻、高開關頻率和體積小等優勢，從而成為研制高性能、低功耗、低成本微波毫米波器件及其前端電路的首選方案。特別是在無線充電、激光雷達、電動汽車以及智能交通等領域有著重要的應用。
2、隨著gan基微波功率器件的不斷發展，向更高的輸出功率和頻率提出了要求。同時，為了更高的集成度，器件的尺寸也要減小。然而，隨著尺寸的小型化和功率的增加，器件的可靠性和穩定性受到了極大的挑戰。這是由于功率密度的增加，芯片有源區的自熱效應問題變得嚴重，導致大功率下的性能惡化。因此，gan基功率器件的低熱耗散能力已成為制約其性能提升的重要因素，而熱耗散能力又主要由器件的襯底材料決定。作為超寬禁帶半導體材料的金剛石是目前導熱系數最高的襯底，導熱系數高達22w/cm·k，是藍寶石(0.5w/cm·k)、硅(1.5w/cm·k)和碳化硅(4w/cm·k)的44倍、14.6倍和5.5倍。與目前常用的sic及si基gan微波功率器件相比，金剛石基gan功率
技術實現思路
1、為了克服上述現有技術的缺點，本專利技術的目的在于提供一種高散熱金剛石襯底gan晶體管結構及其制備方法，以提高器件的熱耗散能力，解決傳統器件由于功率密度的增加，芯片有源區的自熱效應問題變得嚴重，導致大功率下的性能惡化問題，有利于改善其自熱效應，實現高頻、高功率的應用，提高器件的穩定性。
2、為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：
3、一種高散熱金剛石襯底gan晶體管結構，包括自下而上依次設置的金剛石襯底層、介質層、iii-n勢壘層、gan溝道層和iii-n復合緩沖層；源電極、漏電極和柵電極被介質層包裹，且源電極和漏電極均與iii-n勢壘層形成歐姆接觸，柵電極與iii-n勢壘層形成肖特基接觸；gan溝道層和iii-n勢壘層形成的異質結界面附近生成二維電子氣，作為導電溝道，并受到柵電極調控；
4、所述iii-n復合緩沖層上表面設置有上表面源電極、上表面漏電極和上表面柵電極；貫通所述iii-n勢壘層、gan溝道層和iii-n復合緩沖層，設置3個電極連接通孔，所述3個電極連接通孔分別實現源電極與上表面源電極、漏電極與上表面漏電極以及柵電極與上表面柵電極的電氣連接。
5、在一個實施例中，所述介質層的材料為aln或bn，iii-n勢壘層的材料為algan，所述iii-n復合緩沖層包括三層，自下而上分別為緩沖層、過渡層與成核層，所述緩沖層的材料為gan或algan，過渡層的材料為algan，成核層的材料為aln或gan。
6、在一個實施例中，所述成核層、過渡層與緩沖層為非故意摻雜
7、在一個實施例中，所述金剛石襯底層的厚度為50-1500μm，介質層的厚度為80-1500nm，iii-n勢壘層的厚度為10-30nm，緩沖層的厚度為100-5000nm，過渡層的厚度為200-1000nm，成核層的厚度為50-300nm。
8、在一個實施例中，所述源電極和漏電極的結構自上而下依次為ti/al/ni/au，或者ta/al/ni/au，或者tin/al/ni/au，柵電極的結構自上而下依次為ni和au，或者ti和au，或者tin和au，或者tan和au；
9、所述上表面源電極、上表面漏電極和上表面柵電極最下層的材料為ti，或cr，或tin，其余層的材料為au或cu；
10、所述上表面柵電極最下層的材料為ti，或cr，或tin；其余層的材料為au或cu。
11、在一個實施例中，所述源電極、漏電極和柵電極除上表面外的其它面被介質層包裹，上表面與iii-n勢壘層的下表面以及電極連接通孔的底端相接。
12、在一個實施例中，所述電極連接通孔內設有絕緣材料和金屬互聯材料，金屬互聯材料沿孔長方向通長設置，用于實現源電極與上表面源電極、漏電極與上表面漏電極以及柵電極與上表面柵電極的電氣連接；
13、絕緣材料設置于電極連接通孔的內壁與金屬互聯材料之間，以實現源電極和漏電極以及柵電極和溝道層的電氣隔離。
14、在一個實施例中，所述絕緣材料采用sio2，或sin，或aln，其厚度也即金屬互聯材料與電極連接通孔內壁的間距為0.5-2μm；所述金屬互聯材料采用ti和cu或者ti和au，其中ti用作金屬阻擋層。
15、在一個實施例中，所述電極連接通孔為圓孔或方孔，其直徑或對角線長為5-100μm。
16、本專利技術還提供了所述的一種高散熱金剛石襯底gan晶體管的制備方法，包括以下步驟：
17、步驟1：在原始襯底層上，依次生長iii-n復合緩沖層、gan溝道層、iii-n勢壘層，并進行清洗；
18、步驟2：在清洗后結構的iii-n勢壘層表面，制備源電極和漏電極，源電極和漏電極均同時與gan溝道層和iii-n勢壘層形成的異質結界面附近生成的二維電子氣形成歐姆接觸；
19、步驟3：在步驟2得到結構的表面，制備柵電極，柵電極與gan溝道層和iii-n勢壘層形成的異質結界面附近生成的二維電子氣形成肖特基接觸，制備成傳統gan?hemt器件；
20、步驟4：在步驟3得到的器件頂部，沉積介質層；
21、步驟5：將介質層與金剛石襯底層進行鍵合；
22、步驟6：去掉原始襯底層，并將器件倒置，金剛石襯底層作為新的襯底層；
23、步驟7：倒置后的結構表面刻蝕電極連接通孔，在電極連接通孔沉積絕緣材料和金屬互聯材料；
24、步驟8：在步驟7得到結構的上表面，制作上表面源電極和上表面漏電極，以及上表面柵電極，完成晶體管的制作。
25、與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：
26、1.本專利技術不改變傳統的gan?hemt制作工藝，采用金剛石襯底，提高器件的性能：可以解決傳統器件由于功率密度的增加，芯片有源區的自熱效應問題變得嚴重，導致大功率下的性能惡化問題，有利于改善其自熱效應，實現高頻、高功率的應用，提高器件的穩定性
27、2.本專利技術提供的具有金剛石襯底gan晶體管的制備方法簡單且相對可控，與原有工藝兼容，可以顯本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種高散熱金剛石襯底GaN晶體管結構，其特征在于，包括自下而上依次設置的金剛石襯底層(1)、介質層(2)、III-N勢壘層(3)、GaN溝道層(4)和III-N復合緩沖層(5)；源電極(6)、漏電極(7)和柵電極(8)被介質層(2)包裹，且源電極(6)和漏電極(7)均與III-N勢壘層(3)形成歐姆接觸，柵電極(8)與III-N勢壘層(3)形成肖特基接觸；GaN溝道層(4)和III-N勢壘層(3)形成的異質結界面附近生成二維電子氣，作為導電溝道，并受到柵電極(8)調控；
2.根據權利要求1所述高散熱金剛石襯底GaN晶體管結構及其制備方法，其特征在于，所述介質層(2)的材料為AlN或BN，III-N勢壘層(3)的材料為AlGaN，所述III-N復合緩沖層(5)包括三層，自下而上分別為緩沖層、過渡層與成核層，所述緩沖層的材料為GaN或AlGaN，過渡層的材料為AlGaN，成核層的材料為AlN或GaN。
3.根據權利要求2所述高散熱金剛石襯底GaN晶體管結構及其制備方法，其特征在于，所述成核層、過渡層與緩沖層為非故意摻雜。
4.根據權利要求1或2
5.根據權利要求1所述高散熱金剛石襯底GaN晶體管結構及其制備方法，其特征在于，所述源電極(6)和漏電極(7)的結構自上而下依次為Ti/Al/Ni/Au，或者Ta/Al/Ni/Au，或者TiN/Al/Ni/Au，柵電極(8)的結構自上而下依次為Ni和Au，或者Ti和Au，或者TiN和Au，或者TaN和Au；
6.根據權利要求1所述高散熱金剛石襯底GaN晶體管結構及其制備方法，其特征在于，所述源電極(6)、漏電極(7)和柵電極(8)除上表面外的其它面被介質層(2)包裹，上表面與III-N勢壘層(3)的下表面以及電極連接通孔(12)的底端相接。
7.根據權利要求1所述高散熱金剛石襯底GaN晶體管結構及其制備方法，其特征在于，所述電極連接通孔(12)內設有絕緣材料(13)和金屬互聯材料(14)，金屬互聯材料(14)沿孔長方向通長設置，用于實現源電極(6)與上表面源電極(9)、漏電極(7)與上表面漏電極(10)以及柵電極(8)與上表面柵電極(11)的電氣連接；
8.根據權利要求7所述高散熱金剛石襯底GaN晶體管結構及其制備方法，其特征在于，所述絕緣材料(13)采用SiO2，或SiN，或AlN，其厚度也即金屬互聯材料(14)與電極連接通孔(12)內壁的間距為0.5-2μm；所述金屬互聯材料(14)采用Ti和Cu或者Ti和Au，其中Ti用作金屬阻擋層。
9.根據權利要求1所述高散熱金剛石襯底GaN晶體管結構及其制備方法，其特征在于，所述電極連接通孔(12)為圓孔或方孔，其直徑或對角線長為5-100μm。
10.權利要求1至9任一項所述的一種高散熱金剛石襯底GaN晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
...【技術特征摘要】
1.一種高散熱金剛石襯底gan晶體管結構，其特征在于，包括自下而上依次設置的金剛石襯底層(1)、介質層(2)、iii-n勢壘層(3)、gan溝道層(4)和iii-n復合緩沖層(5)；源電極(6)、漏電極(7)和柵電極(8)被介質層(2)包裹，且源電極(6)和漏電極(7)均與iii-n勢壘層(3)形成歐姆接觸，柵電極(8)與iii-n勢壘層(3)形成肖特基接觸；gan溝道層(4)和iii-n勢壘層(3)形成的異質結界面附近生成二維電子氣，作為導電溝道，并受到柵電極(8)調控；
2.根據權利要求1所述高散熱金剛石襯底gan晶體管結構及其制備方法，其特征在于，所述介質層(2)的材料為aln或bn，iii-n勢壘層(3)的材料為algan，所述iii-n復合緩沖層(5)包括三層，自下而上分別為緩沖層、過渡層與成核層，所述緩沖層的材料為gan或algan，過渡層的材料為algan，成核層的材料為aln或gan。
3.根據權利要求2所述高散熱金剛石襯底gan晶體管結構及其制備方法，其特征在于，所述成核層、過渡層與緩沖層為非故意摻雜。
4.根據權利要求1或2或3所述高散熱金剛石襯底gan晶體管結構及其制備方法，其特征在于，所述金剛石襯底層(1)的厚度為50-1500μm，介質層(2)的厚度為80-1500nm，iii-n勢壘層(3)的厚度為10-30nm，緩沖層的厚度為100-5000nm，過渡層的厚度為200-1000nm，成核層的厚度為50-300nm。
5.根據權利要求1所述高散熱金剛石襯底gan晶體管結構及其制備方法，其特征在于，所...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉志宏，齊笑非，郝璐，危虎，周瑾，杜航海，馮欣，邢偉川，張進成，郝躍，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：
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