一種AlGaN/GaN HEMT晶體管及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明提出一種AlGaN/GaNHEMT晶體管及其制造方法，屬于高電子迀移率晶體管領域。
【背景技術】
[0002]鋁鎵氮化合物(AlGaN)/氮化鎵(GaN)高電子迀移率晶體管(HEMT)作為第三代寬禁帶化合物半導體器件具有更大輸出功率、更寬工作帶寬和更高工作效率以及更強的抗輻射能力等優(yōu)勢，使其應用前景廣闊。AlGaN/GaN HEMT微波功率器件大的輸出功率得益于其高的功率密度，現有報道GaN微波功率器件輸出功率密度可達30W/mm以上(Wu et al.1EEEElectron Device Lett.,Vol.25,N0.3,pp.117-119,2004.)，但現階段推出的AlGaN/GaNHEMT微波功率管和功率MMIC產品的輸出功率密度普遍只有35W/mm，與報道的最高輸出功率密度相差甚遠。造成AlGaN/GaN HEMT微波功率器件產品輸出功率密度較低的一個最大原因是器件工作時溝道中的熱量無法有效得到發(fā)散，使得進一步提升器件功率密度后的結溫將遠超器件能夠進行可靠工作的最高結溫。因此有必要增強器件的散熱能力，使得AlGaN/GaNHEMT器件工作時的熱量得到有效發(fā)散，以降低工作時的結溫，充分發(fā)揮AlGaN/GaN HEMT器件大功率的優(yōu)勢。
[0003]要增強AlGaN/GaNHEMT器件的散熱能力，首先需要弄清楚影響器件散熱的瓶頸環(huán)節(jié)。圖1中所示為以SiC作為襯底的AlGaN/GaN HEMT器件的一般結構和該器件熱傳導過程的示意圖，溝道中產生的熱量要通過GaN緩沖層、成核層以及SiC襯底最終散到器件的熱沉上，其中SiC襯底的熱導率可以達到400W/mK，而GaN緩沖層以及成核層由于缺陷密度較高，熱導率遠低于SiC襯底的熱導率，成為制約GaN器件溝道中熱量向熱沉發(fā)散的瓶頸。
[0004]為增強AlGaN/GaNHEMT器件散熱能力，一種方法是通過提升GaN緩沖層和成核層的晶體質量以提高其熱導率，但是GaN材料理論上的熱導率最高也只有150W/mK，其外延材料晶體質量即使達到理想狀態(tài)時依然是器件散熱的瓶頸。為了 GaN緩沖層和成核層這一散熱瓶頸，另一種方法是將GaN外延材料轉移到導熱更好的金剛石襯底上，如圖2所示，去除成核層，GaN緩沖層只保留很薄的一層，將外延層對散熱的影響降到最低，同時由于引入了導熱性能更好的金剛石襯底材料，預計器件整體散熱性能將提升3倍以上(F.Faili etal.Development of 111-Nitride HEMTs on CVD Diamond Substrates, CS MANTECHConference，2011.)。該方法的難點在于將GaN外延層減薄到盡可能薄的程度但外延層性能不發(fā)生明顯退化，以及將減薄后的GaN外延層鍵合到金剛石襯底上，鍵合所用的材料一方面要兼容后續(xù)的器件工藝，同時還不能額外引入較大的熱阻?；谠摲椒ǎ壳耙殉晒崿F了金剛石襯底GaN HEMT樣品的研制(M.Tyhach et al.Comparison of GaN on Diamond withGaN on SiC HEMT and MMIC Performance ,CS MANTECH Conference，2012.)，但是研制的器件性能依然有待進一步提升，因此預計還有許多關鍵工藝有待進一步突破。
[0005]由于GaN器件溝道中產生的熱量要通過GaN緩沖層、成核層以及SiC襯底最終散到器件的熱沉上，其中GaN緩沖層、成核層對縱向和橫向散熱都是主要瓶頸，而從溝道下方入手來改善器件散熱能力技術難度較大，換一種思路是從溝道上方入手來改善器件的散熱能力，且技術上要更加易行。從溝道上方入手來改善器件散熱能力的研究目前主要集中在改善器件橫向散熱能力上，如圖3所示，通常的做法是在器件源漏電極上覆蓋具有高熱導率的材料，將器件溝道區(qū)域的熱量橫向導走，技術上該方法較從溝道下方入手來改善器件散熱能力更為簡單。從器件溝道上方將熱量橫向導走的關鍵點在于要選用具有高熱導率的材料，理論分析表明采用具有熱導率高達2000W/mK的石墨烯材料可使得器件熱阻下降約百分之二十(Zhong Yan et al.Graphene quilts for thermal management of high-powerGaN transistors.Nat.Commun.3: 827doi: 10.1038/ncommsl828,2012.)，這一散熱改進相較從溝道下方入手來改善器件散熱能力達到3倍以上的效果來看有一定差距，因此需要進一步加以改進。從GaN器件溝道上方縱向來改善散熱的途徑主要是采用倒裝技術，對于AlGaN/GaN HEMT大功率器件而言，為了實現良好的散熱效果，倒裝的質量、對準精度都將是一大挑戰(zhàn)，其難度不亞于從溝道上方入手來改善器件的散熱能力。
[0006]圖3中所示的方法主要用于改善器件橫向散熱能力，這一方法的缺點是將GaN器件溝道中的熱量橫向散開后還需要縱向通過GaN緩沖層、成核層以及SiC襯底最終散到器件的熱沉上，而GaN緩沖層以及成核層導熱能力很差，將使得橫向導熱作用大打折扣。另外圖3中所示的方法改善AlGaN/GaN HEMT橫向的散熱能力是通過將高熱導率的材料與AlGaN/GaNHEMT器件源電極和漏電極相連來實現的，而器件發(fā)熱區(qū)主要集中在柵電極下，距離源電極或者漏電極通常在Iym以上，這一距離與GaN緩沖層與成核層等的厚度相當，在改善散熱上效果又進一步打了折扣。可以考慮將高熱導率的材料與AlGaN/GaN HEMT器件柵電極相連來進一步改善器件的散熱，因為柵電極下是器件的熱產生區(qū)域，這樣的方法更加有助于改善器件的散熱能力。

【發(fā)明內容】

[0007]發(fā)明目的:本發(fā)明提出一種AlGaN/GaNHEMT晶體管及其制造方法，增強了器件的散熱能力。
[0008]技術方案:本發(fā)明提出一種AlGaN/GaNHEMT晶體管，包括位于襯底上的器件本體，所述器件本體至少包括源極、漏極、柵極、GaN緩沖層和AlGaN勢皇層，至少器件本體的部分表面被導熱材料覆蓋。
[0009 ]優(yōu)選地，所述器件本體為臺形結構。所述臺形結構為圓臺形或方臺形。所述臺形結構側面與襯底呈60至75度夾角。所述器件本體的表面被導熱材料完全覆蓋，但所述源極、漏極和柵極之間覆蓋絕緣的導熱材料。所述器件本體的表面被金剛石完全覆蓋。
[0010]一種AlGaN/GaN HEMT晶體管制造方法，包括以下步驟:
[0011]I)在襯底上形成器件本體，所述器件本體包括成核層、GaN緩沖層和AlGaN勢皇層；
[0012]2)器件本體被制成臺形結構；
[0013]3)在AlGaN勢皇層上以及臺形結構側面形成源極和漏極，于源極和漏極之間的AlGaN勢皇層上表面制作柵極；
[0014]4)在源極、漏極、柵極、AlGaN勢皇層上表面以及襯底上形成介質層；
[0015]5)去除源極、漏極以及襯底上的介質層；
[0016]6)在源極一側的襯底上表面以及該側臺形結構側面電鍍第一導熱層，漏極一側的襯底上表面以及該側臺形結構側面電鍍第二導熱層；
[0017]7)去除柵極上的介質層，在第一導熱層、第二導熱層、柵極以及步驟5)剩余的介質層上形成第三導熱層，且第三導熱層為絕緣材料。
[0018]一種AlGaN/GaN HEMT晶體管制造方法，包括以下步驟:
[0019]I)在襯底上形成器件本體，所述器件本體包括成核層、GaN緩沖層和AlGaN勢皇層；
[0020]2)器件本體被制成臺形結構；
[0021 ] 3)在AlGaN勢皇層上以及臺形結構側面形成源極和漏極；?0022] 4)在源極、漏極、AlGaN勢皇層上表面以及襯底上形成介質層；
[0023]5)去除源極、漏極以及襯底上的介質層；
[0024]6)在臺形結構和襯底的表面形成絕緣導熱層；
[0025]7)在臺形結構頂部導熱層以及介質層開孔，并于孔內形成柵極。
[0026]有益效果:本發(fā)明中的AlGaN/GaN HEMT器件源電極和漏電極通過一高熱導率的材料直接實現與器件所采用SiC襯底的連接，器件柵電極下產生的熱量經過與源電極和漏電極相連的高熱導率材料實現向SiC襯底的散熱;本發(fā)明中的AlGaN/GaN HEMT器件還存在一高熱導率的材料將器件柵電極與S i C襯底相連接，器件柵電極下產生的熱量經過與柵電極相連的高熱導率材料實現向SiC襯底的散熱，進一步增強器件的散熱能力。
【附圖說明】
[0027]圖1為現有SiC襯底的AlGaN/GaNHEMT器件的結構和熱傳導過程示意圖；
[0028]圖2為現有金剛石襯底AlGaN/GaN HEMT器件的結構和熱傳導過程示意圖；
[0029]圖3為現有改善器件橫向散熱能力的方法示意圖；
[0030]圖4為現有AlGaN/GaN HEMT結構示意圖；
[0031]圖5為實施例1中AlGaN/GaN HEMT結構示意圖；
[0032]圖6為實施例中襯底、成核層、GaN緩沖層和AlGaN勢皇層的結構示意圖；
[0033]圖7為實施例中襯底上的器件本體臺形結構示意圖；
[0034]圖8為實施例1中AlGaN勢皇層上方淀積源極、柵極和漏極后的結構示意圖；
[0035]圖9為實施例1中器件淀積介質層后的結構示意圖；
[0036]圖10為實施例1中器件淀積第一導熱層和第二導熱層后的結構示意圖；
[0037]圖11為實施例2中AlGaN勢皇層上方淀積源極和漏極后的結構示意圖；
[0038]圖12為實施例2中器件淀積介質層后的結構示意圖；
[0039]圖13為實施例2中刻蝕多余介質層后的結構示意圖；
[0040]圖14為實施例2中淀積柵極后的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0041]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等同形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0042]本發(fā)明說明書、權利要求書以及說明書附圖中所稱“下”為靠近襯底的方向，所稱“上”為遠離襯底的方向。
[0043]實施例1:如圖4所示，經典的AlGaN/GaN HEMT結構和工作原理與場效應管相似，由下向上地設有襯底、AlN緩沖層、GaN層和AlGaN層。電流都是在柵極電壓的控制下從源極流向漏極。在GaN與AlGaN的界面處由于導帶的不連續(xù)性，會形成三角形勢阱，從而在GaN—側聚集很多電子，形成二維