一种降低GaNHEMT器件温度的结构的制作方法

一种降低gan hemt器件温度的结构
技术领域：
1.本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种降低gan hemt器件温度的结构。


背景技术：

2.gan材料作为一种第三代半导体材料，与硅相比，具有宽禁带、高电子迁移率、高耐压的优势，与algan材料可组成异质结，其界面存在高电子迁移率的天然二维电子气，由其构成的gan高电子迁移率晶体管(gan high electron mobility transistor，gan hemt)适用于高压、大功率、高频领域，所述的二维电子气使gan hemt器件存在天然的导电沟道，其组成结构比硅基器件复杂，但二者工作原理类似。复杂的组成结构使gan hemt的可靠性问题增加，其中温度过高会降低肖特基接触和欧姆接触的稳定性，也会对gan hemt器件的输出特性产生严重影响，降低了器件的可靠性。降低该器件温度的方法有：
3.1.采用散热性能较好的材料做为器件衬底，如金刚石、sic。
4.2.在器件顶部采用散热性能良好的材料作为顶部散热层，如金刚石、石墨烯。
5.3.在常规的gan hemt器件基础上，改进器件结构。
6.方法1、2中使用的材料成本较高，方法3在实际生产中较难实现。
7.图1为常规型gan hemt器件结构示意图，其结构从下往上依次为：衬底101、gan缓冲层102、algan势垒层103、漏极104、栅极105、源极106、钝化层107，其中所述的漏极104和所述的源极106与所述的gan缓冲层102直接接触构成欧姆接触，所述的栅极105与algan势垒层103直接接触构成肖特基接触，所述的algan势垒层103与gan缓冲层102构成异质结，其界面形成二维电子气，所述的二维电子气的位置是gan hemt器件的导电沟道的位置，通过给所述的栅极施加电压可以控制器件的导通与关断状态。常规型gan hemt器件的温度特性是界内的研究热点，所以如何改善该器件的温度问题是一大难题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种降低gan hemt器件温度的结构，其克服了现有技术中存在的gan hemt器件温度过高降低了器件的可靠性的问题。本发明能降低常规型gan hemt器件内部温度，进一步提高器件的可靠性。
9.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
10.一种降低gan hemt器件温度的结构，其特征在于：其从底部到顶部结构依次为：衬底、gan梯形微阱、gan缓冲层、algan势垒层、漏极、栅极、源极、钝化层、algan矩形微阱，其中所述的漏极和所述的源极直接与所述的gan缓冲层接触构成欧姆接触，所述的栅极直接与所述的algan势垒层接触构成肖特基接触。
11.所述的gan梯形微阱位于所述的gan缓冲层和所述的衬底界面，向衬底内部扩展，其材料与gan缓冲层一致，均为gan材料。
12.所述的gan梯形微阱为未掺杂材料，最左侧起始gan梯形微阱与器件左侧边缘有一定的距离，最右侧终止gan梯形微阱与器件右侧边缘有一定距离，所述的两个距离相等或者
不等，所述的gan梯形微阱尺寸相同，所述的gan梯形微阱间的间距一致。
13.所述的gan梯形微阱为等腰倒梯形、矩形、正方形或正梯形。
14.所述的algan矩形微阱位于algan势垒层上方，其与si3n4钝化层接触。
15.所述的algan矩形微阱置于栅极与漏极之间，或置于源极与栅极之间，总数至少有一个。
16.所述的algan矩形微阱尺寸可变化，最左侧和最右侧的algan矩形微阱与其他材料边缘有一定的距离，所述的距离相同或者不同，所述的algan矩形微阱的尺寸一致、间距一致。
17.所述的algan矩形微阱呈低al组分、无故意掺杂特性，其al组分低于algan势垒层的al组分。
18.所述的衬底采用硅或者碳化硅材料。
19.所述的钝化层采用si3n4材料。
20.与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
21.1、本发明的gan hemt器件结构具有梯形微阱，位于衬底和缓冲层界面，向衬底内部扩展，呈等腰倒梯形状，也可呈其他形状，采用与缓冲层相同的材料，为gan，相对于常规型gan hemt器件结构，本发明的梯形微阱能增加缓冲层和衬底界面的热量扩散面积，从而起到减小该界面热阻的作用。
22.2、本发明的梯形微阱的尺寸和间距可调，以此改变缓冲层和衬底界面的梯形微阱的数量，从而改变热量扩散面积，能根据最优化的梯形微阱尺寸和数量来获得较好的降温效果，从而提高器件的可靠性。
23.另外，本发明在具有梯形微阱的基础上，再次引入矩形微阱，可起到调制沟道温度分布的作用。
24.3、本发明的矩形微阱位于器件的势垒层上方，向钝化层内部扩展，在源极和栅极间以及栅极与漏极间的矩形微阱数量可以多个，也可以没有，但总数至少有一个，通过调整矩形微阱的尺寸和间距可调整数量，矩形微阱对器件的沟道作用，能调制器件的沟道温度分布。
25.4、本发明的矩形微阱采用与势垒层相同的材料，为algan，呈低al组分特性，通过调整矩形微阱的al组分值和尺寸，能改变其对器件沟道温度的调制程度，得到一个较好的降温效果，更好的提高器件的可靠性。
附图说明：
26.图1是常规型gan hemt器件结构示意图；
27.图2是本发明只具有梯形微阱的gan hemt器件结构示意图；
28.图3是本发明不同梯形微阱数量的gan hemt器件结构示意图；
29.图4是本发明同时具有梯形微阱和矩形微阱的双微阱gan hemt器件结构示意图；
30.图5是本发明不同矩形微阱数量的gan hemt器件结构示意图；
31.图6是具有梯形微阱和矩形微阱的双微阱gan hemt器件结构与常规型gan hemt器件结构的沟道温度对比图；
32.图7是具有梯形微阱和矩形微阱的双微阱gan hemt器件结构与常规型gan hemt器
件结构的纵向温度对比图。
具体实施方式：
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
34.本发明提出一种双微阱gan hemt器件结构，包括gan梯形微阱和algan矩形微阱，具体技术方案如下：
35.首先设计了一种只具有gan梯形微阱的gan hemt器件结构，其结构如图2所示，从下往上依次为：衬底201、gan梯形微阱202、gan缓冲层203、algan势垒层204、漏极205、栅极206、源极207、钝化层208。
36.所述的衬底201可采用硅和碳化硅材料，硅材料的成本较低，碳化硅材料的性能较好。
37.所述的缓冲层在所述的衬底表面生长，为gan材料，生长一定厚度后，在所述的缓冲层上方生长一层algan薄膜，作为势垒层，在所述的势垒层上方再形成钝化层和电极。
38.所述的algan势垒层的al组分和厚度可多变，其al组分值一般为0.1～0.3，其厚度一般在30nm内。
39.所述的漏极和源极直接与所述的缓冲层直接接触构成欧姆接触，能使器件有良好的导电能力，所述的漏极和源极金属一般采用ti/al/ni/au金属体系。
40.所述的栅极直接与所述的势垒层直接接触构成肖特基接触，其金属一般采用ni/au金属体系。
41.所述的钝化层一般由化学性质不活泼的介质层构成，如sio2、si3n4。
42.进一步的改进是，gan梯形微阱202采用的材料与gan缓冲层203相同，为gan。
43.进一步的改进是，gan梯形微阱202为等腰倒梯形，底角为54
°
，位于所述的缓冲层和衬底界面，向衬底内部扩展。
44.进一步的改进是，所述的梯形微阱尺寸一致，由左向右依次排列。
45.进一步的改进是，所述的梯形微阱间的间距相同，所述的最左侧的梯形微阱与器件最左边缘的距离与所述的最右侧的梯形微阱与器件最右边缘的距离相等；或者，在所述的最左侧的梯形微阱与器件最左边缘的距离与所述的最右侧的梯形微阱与器件最右边缘的距离不等。
46.进一步的改进是，可以改变所述的梯形微阱的尺寸和微阱间距，所以数量可以多个，如图3所示，其梯形微阱的尺寸、间距发生改变，形成10个gan梯形微阱302。
47.进一步的改进是，所述的梯形微阱形状可以多变，如矩形、正方形、正梯形和其它多边形。
48.然后设计一种具有两种微阱的gan hemt器件结构，在所述的梯形微阱的基础上，再引入algan矩形微阱，如图4所示，其结构组成为：衬底401、gan梯形微阱402、gan缓冲层403、algan势垒层404、漏极405、栅极406、源极407、钝化层408、矩形微阱409，其使用的材料与图3相同。
49.进一步的改进是，所述的矩形微阱与所述的梯形微阱同时存在。
50.进一步的改进是，所述的矩形微阱可置于所述的源极与所述的栅极之间，也可置于所述的栅极与所述的漏极之间，所述的矩形微阱的数量根据所述的矩形微阱的尺寸、矩形微阱间的间距、所述的源极和所述的栅极间的间距以及所述的栅极和所述的漏极间的间距变化，
51.进一步的改进是，所述的源极和所述的栅极间以及所述的栅极和所述的漏极间的矩形微阱数量可以多个，也可以没有，但其总数至少有一个。图5中表示，在所述的源极和所述的栅极间以及在所述的栅极和所述的漏极间均存在所述的矩形微阱，其数量分别为3个和6个。
52.进一步的改进是，所述的矩形微阱为矩形状，其尺寸可改变，最左侧的矩形微阱和最右侧的矩形微阱与器件边缘有一定的距离，且距离相等；或者所述的距离不等。
53.进一步的改进是，所述的矩形微阱尺寸一致，所述的矩形微阱间的间距一致；所述的间距值可变。
54.进一步的改进是，所述的矩形微阱与所述的势垒层采用相同的材料，为algan，其呈低al组分、无故意掺杂特性，所述的矩形微阱的al组分低于所述的势垒层的al组分。
55.实施例：
56.如图2所示，图2是本发明中只具有梯形微阱的gan hemt器件结构示意图，器件结构由下往上构成依次为：衬底201、梯形微阱202、缓冲层203、势垒层204、漏极205、栅极206、源极207、钝化层208。
57.所述的衬底201可采用陈本较低的硅材料和性能较好的碳化硅材料，本发明中所述的衬底采用硅材料。
58.在所述的衬底201上生长所述的缓冲层203，材料为gan，在所述的缓冲层203上生长所述的势垒层204，材料为algan，设置所述的势垒层204的al组分和厚度。
59.所述的漏极205和所述的源极207与所述的缓冲层203直接接触构成欧姆接触，方便电子从所述的源极207流向所述的漏极205形成电流通路，通常采用ti/al/ni/au金属体系。所述的栅极206与所述的势垒层204直接接触构成肖特基接触，控制该器件的导通与关断的工作状态，通常采用ni/au金属体系。
60.所述的钝化层208采用化学性质不活泼的介质层，本发明采用si3n4材料，起到保护器件和将器件表面与外界隔离的作用。
61.所述的势垒层204与所述的缓冲层203构成异质结，其界面有二维电子气形成，其位置是该器件导电沟道的位置。
62.在所述的缓冲层203和所述的衬底201界面具有梯形微阱202，向所述的衬底201内部扩展，其材料与所述的缓冲层203材料相同，为gan。
63.所述的梯形微阱202为等腰倒梯形，其底边长位于所述的缓冲层204和所述的衬底201的界面，其顶部边长位于所述的衬底201内部。所述梯形微阱202的形状可多变，可为正方形、矩形、正梯形和其他多边形。
64.相比于常规型gan hemt器件结构，所述的梯形微阱202改变了所述的缓冲层203与所述衬底201界面的热量扩散路径，以此增加该所述界面的热量扩散面积，同时减小所述界面的热阻，能降低器件温度，从而提高器件的可靠性。所述热阻形成于热导率相差较大的两种材料的接触界面。
65.如图3所示，图3是本发明中不同梯形微阱数量的gan hemt器件结构示意图，其结构组成由下往上依次为：衬底301、梯形微阱302、缓冲层303、势垒层304、漏极305、栅极306、源极307、钝化层308。
66.在所述图2中的器件结构上，图3中的所述梯形微阱302数量发生变化，可根据所述梯形微阱302的尺寸和间距变化来变化，图3中的器件结构其他构成与图2中相同。
67.如图4所示，图4是本发明中同时具有梯形微阱和矩形微阱的双微阱gan hemt器件结构示意图，其结构组成由下往上依次为：衬底401、梯形微阱402、缓冲层403、势垒层404、漏极405、栅极406、源极407、钝化层408、矩形微阱409。
68.图4的器件是在图2的器件结构上做了进一步的改进，图4与图2的区别之处为：
69.在所述的势垒层404上方引入了矩形微阱409，所述的矩形微阱409只存在于所述的源极407和所述的栅极406之间，在所述的栅极406和所述的漏极405间不存在所述的矩形微阱409，所述的矩形微阱向所述的钝化层408内部扩展。
70.所述的矩形微阱409为矩形状，每个矩形微阱409间的间距相等，最左侧的所述的矩形微阱409与器件边缘存在一定的距离，最右侧的所述的矩形微阱409与器件边缘存在一定的距离，所述的距离相等；或者，所述的距离不等。
71.所述的矩形微阱409的数量和尺寸多变，其采用与所述的势垒层404相同的材料，为algan，所述的矩形微阱呈低al组分特性，能与其下方的沟道电子作用，调制器件的沟道温度，从而降低器件温度，提高器件可靠性。
72.图5的器件是在图4的器件结构基础上，改变所述的矩形微阱509的数量和存在位置，图5与图4的区别之处为：
73.在所述栅极506和漏极505间具有所述的矩形微阱509，每个矩形微阱的材料、参数和形状均一致。
74.所述栅极506和漏极505间具有所述的矩形微阱509与其下方的沟道电子作用，调制器件的沟道温度，从而降低器件温度，提高器件可靠性。
75.表1显示了双微阱gan hemt器件结构与常规型gan hemt器件结构的详细参数对比。
76.表1不同器件的详细参数
[0077][0078]
为了验证本发明提出的gan hemt器件结构与常规gan hemt器件结构相比，温度有所降低，根据表1中的结构参数进行仿真，得到图6和图7中的温度曲线。图6是本发明的具有梯形微阱和矩形微阱的双微阱gan hemt器件结构与常规型gan hemt器件结构的沟道温度对比图。从图中可以看出，在器件的沟道处存在一个温度最高点，被称为“热点”；温度从热
点位置向沟道两边逐渐降低，说明热量由温度高处向温度低处扩散；通过对比，明显看出本发明的双微阱gan hemt器件结构的沟道温度峰值低于常规型ganhemt器件结构，并且对于整个沟道来说，双微阱gan hemt器件结构的温度也低于常规型gan hemt器件结构。
[0079]
图7是本发明的具有梯形微阱和矩形微阱的双微阱gan hemt器件结构与常规型gan hemt器件结构的纵向温度对比图。从图中可以看出，依旧存在一个温度峰值，所述的温度峰值位于器件的沟道位置；温度由温度峰值处向两边降低，说明热量由温度高处向温度低处扩散；通过对比，明显看出本发明的双微阱gan hemt器件结构的所述的温度峰值低于常规型gan hemt器件结构，并且从整体来看，本发明的双微阱gan hemt器件结构温度低于常规型gan hemt器件结构。
[0080]
图6和图7的仿真结果说明，本发明提供的具有梯形微阱和矩形微阱的双微阱gan hemt器件结构相比于常规型gan hemt器件结构，有降低器件内部温度的作用，这是因为本发明提出的梯形微阱增加了器件的缓冲层和衬底界面的热扩散面积，减小了其界面热阻；矩形微阱对器件沟道温度由调制作用，所以能对器件温度有降低效果，从而提高器件可靠性。
[0081]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种降低gan hemt器件温度的结构，其特征在于：其从底部到顶部结构依次为：衬底(301)、gan梯形微阱(302)、gan缓冲层(303)、algan势垒层(304)、漏极(305)、栅极(306)、源极(307)、钝化层(308)、algan矩形微阱(309)，其中所述的漏极(305)和所述的源极(307)直接与所述的gan缓冲层(303)接触构成欧姆接触，所述的栅极(306)直接与所述的algan势垒层(304)接触构成肖特基接触。2.根据权利要求1所述的一种降低gan hemt器件温度的结构，其特征在于：所述的gan梯形微阱(302)位于所述的gan缓冲层(303)和所述的衬底(301)界面，向衬底(301)内部扩展，其材料与gan缓冲层(303)一致，均为gan材料。3.根据权利要求1所述的一种降低gan hemt器件温度的结构，其特征在于：所述的gan梯形微阱(302)为未掺杂材料，最左侧起始gan梯形微阱(302)与器件左侧边缘有一定的距离，最右侧终止gan梯形微阱(302)与器件右侧边缘有一定距离，所述的两个距离相等或者不等，所述的gan梯形微阱(302)尺寸相同，所述的gan梯形微阱(302)间的间距一致。4.根据权利要求1所述的一种降低gan hemt器件温度的结构，其特征在于：所述的gan梯形微阱(302)为等腰倒梯形、矩形、正方形或正梯形。5.根据权利要求1所述的一种降低gan hemt器件温度的结构，其特征在于：所述的algan矩形微阱(309)位于algan势垒层(304)上方，其与si3n4钝化层(308)接触。6.根据权利要求1所述的一种降低gan hemt器件温度的结构，其特征在于：所述的algan矩形微阱(309)置于栅极(306)与漏极(308)之间，或置于源极(307)与栅极(306)之间，总数至少有一个。7.根据权利要求1所述的一种降低gan hemt器件温度的结构，其特征在于：所述的algan矩形微阱(309)尺寸可变化，最左侧和最右侧的algan矩形微阱(309)与其他材料边缘有一定的距离，所述的距离相同或者不同，所述的algan矩形微阱(309)的尺寸一致、间距一致。8.根据权利要求1所述的一种降低gan hemt器件温度的结构，其特征在于：所述的algan矩形微阱(309)呈低al组分、无故意掺杂特性，其al组分低于algan势垒层(304)的al组分。9.根据权利要求1所述的一种降低gan hemt器件温度的结构，其特征在于：所述的衬底(301)采用硅或者碳化硅材料。10.根据权利要求1所述的一种降低gan hemt器件温度的结构，其特征在于：所述的钝化层(308)采用si3n4材料。

技术总结
本发明为一种降低GaN HEMT器件温度的结构，其克服了现有技术中存在的GaNHEMT器件温度过高降低了器件的可靠性的问题。本发明能降低常规型GaN HEMT器件内部温度，进一步提高器件的可靠性。本发明其结构具有GaN梯形微阱和AlGaN矩形微阱，主要用于降低器件温度，器件结构从底部到顶部依次为：衬底、GaN梯形微阱、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、AlGaN矩形微阱、钝化层、源极、栅极、漏极，其中栅极与AlGaN势垒层构成肖特基接触，源极和漏极与GaN缓冲层构成欧姆接触。GaN梯形微阱能增加缓冲层和衬底界面的热扩散面积，具有减小界面热阻的作用，AlGaN矩形微阱具有调制沟道温度分布的作用。形微阱具有调制沟道温度分布的作用。形微阱具有调制沟道温度分布的作用。


技术研发人员：赵宏美 张园园 肖晓军 陈桥梁 李铁生
受保护的技术使用者：龙腾半导体股份有限公司
技术研发日：2022.09.28
技术公布日：2023/1/6