一種均勻散熱的串管結(jié)構(gòu)GaN管芯的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種均勻散熱的串管結(jié)構(gòu)GaN管芯。包括設(shè)置在襯底上的有源區(qū)、功率分配網(wǎng)絡(luò)、功率合成網(wǎng)絡(luò)，在襯底上垂直于柵條的方向設(shè)置有至少一個(gè)散熱槽，散熱槽將有源區(qū)隔離為至少兩個(gè)以上的有源子區(qū)，每個(gè)有源子區(qū)之間相互串聯(lián)連接并共用源條接地通孔，每個(gè)有源子區(qū)的輸入端均與功率分配網(wǎng)絡(luò)連接，每個(gè)有源子區(qū)的輸出端均與功率合成網(wǎng)絡(luò)連接。本發(fā)明在保持管芯尺寸基本不變的情況下，有效降低有源區(qū)的最高結(jié)溫，改善了管芯的熱穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步提高管芯的可靠性。
【專利說明】一種均勻散熱的串管結(jié)構(gòu)GaN管芯
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于三代半導(dǎo)體功率器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種均勻散熱的串管結(jié)構(gòu)GaN管芯。
【背景技術(shù)】
[0002]固態(tài)功率器件是微波系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，尤其是微波功率器件和單片電路是電子對(duì)抗、相控陣?yán)走_(dá)、精確打擊、微波通信以及衛(wèi)星宇航等系統(tǒng)中的核心元器件由于其應(yīng)用背景的特殊性，固態(tài)微波功率器件和單片電路一直是國外對(duì)我國進(jìn)行技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運(yùn)的重點(diǎn)領(lǐng)域。隨著材料制備和器件工藝的不斷進(jìn)步完善，目前國外的GaAs器件已經(jīng)比較成熟，逐漸把精力投入到三代半導(dǎo)體工藝的開發(fā)。GaN功率器件作為三代半導(dǎo)體的代表，更是受到了廣泛的關(guān)注。經(jīng)過最近幾年的發(fā)展，目前的GaN功率器件已經(jīng)到了工程應(yīng)用的前夕，國外先進(jìn)國家已經(jīng)在部分民用通信領(lǐng)域應(yīng)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(chǎn)生的熱量也是GaAs功率器件的5倍，這就對(duì)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(dǎo)體材料，在制作功率放大器時(shí)末級(jí)管芯的柵寬決定了放大器的輸出功率，前級(jí)管芯主要起增益放大、驅(qū)動(dòng)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(jí)柵寬，放大器的最高溫度往往出現(xiàn)在末級(jí)管芯上。如圖1所示，傳統(tǒng)的常規(guī)管芯往往采用簡(jiǎn)單的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，有源區(qū)是一個(gè)連續(xù)的整體，整個(gè)有源區(qū)都會(huì)產(chǎn)生大量的熱，由于熱量累積效應(yīng)，最高結(jié)溫往往出現(xiàn)在有源區(qū)的中間，如圖3所示。這種溝道中間的熱累積效應(yīng)不僅會(huì)導(dǎo)致放大器性能的降低，更重要的是會(huì)影響芯片的可靠性。現(xiàn)有技術(shù)中，一種方法是通過加大柵柵間距以降低最高結(jié)溫，但是管芯的尺寸會(huì)大幅增加，導(dǎo)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(dǎo)距離，降低最高結(jié)溫，但是襯底厚度過小后一方面導(dǎo)致襯底自身容易碎裂，一致性可靠性也會(huì)下降，另一方面會(huì)導(dǎo)致傳輸線的線寬會(huì)大幅減小，無法承受高功率放大器的大功率和大電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是，在保持管芯尺寸基本不變的情況下，降低有源區(qū)的最高結(jié)溫，改善管芯的熱穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步提高管芯的可靠性。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種均勻散熱的串管結(jié)構(gòu)GaN管芯，包括設(shè)置在襯底上的有源區(qū)、功率分配網(wǎng)絡(luò)、功率合成網(wǎng)絡(luò)，在襯底上垂直于柵條的方向設(shè)置有至少一個(gè)散熱槽，散熱槽將有源區(qū)隔離為至少兩個(gè)以上的有源子區(qū)，每個(gè)有源子區(qū)之間相互串聯(lián)連接并共用源條接地通孔，每個(gè)有源子區(qū)的輸入端均與功率分配網(wǎng)絡(luò)連接，每個(gè)有源子區(qū)的輸出端均與功率合成網(wǎng)絡(luò)連接。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明通過在襯底上設(shè)置若干個(gè)散熱槽，把一整個(gè)大的有源區(qū)分成幾個(gè)均分串聯(lián)分布并共用源極接地通孔的有源子區(qū)，使有源區(qū)溝道溫度不會(huì)大量累積，有效降低了有源區(qū)的最高結(jié)溫；最高結(jié)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(xiàn)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(tǒng)的常規(guī)管芯結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖2是本發(fā)明帶散熱槽的管芯結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖3是傳統(tǒng)管芯和本發(fā)明管芯溝道熱分布示意圖。
[0010]圖4是本發(fā)明采用雙散熱槽三晶胞結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0011]圖5是本發(fā)明采用雙散熱槽六晶胞結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0012]圖6是本發(fā)明采用三散熱槽三晶胞結(jié)構(gòu)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明所述均勻散熱的串管結(jié)構(gòu)GaN管芯，包括設(shè)置在襯底上的有源區(qū)、功率分配網(wǎng)絡(luò)、功率合成網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示和圖4所示，本發(fā)明在襯底上垂直于柵條的方向還設(shè)置有至少一個(gè)散熱槽，散熱槽將有源區(qū)隔離為至少兩個(gè)以上的有源子區(qū)，每個(gè)有源子區(qū)之間相互串聯(lián)連接并共用源條接地通孔，每個(gè)有源子區(qū)的輸入端均與功率分配網(wǎng)絡(luò)連接，每個(gè)有源子區(qū)的輸出端均與功率合成網(wǎng)絡(luò)連接。
[0014]散熱槽可以根據(jù)具體應(yīng)用在襯底上設(shè)置I?5個(gè)，被散熱槽隔離而成的多個(gè)有源子區(qū)均勻分布在襯底上。
[0015]散熱槽的寬度可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置為5um?50.，以應(yīng)用于S/C/X各波段功率放大器芯片。
[0016]在本發(fā)明中，通過使用高能離子轟擊有源區(qū)的指定區(qū)域，改變GaN材料內(nèi)部原子排列結(jié)構(gòu)，使得該區(qū)域自身不產(chǎn)生熱量，該區(qū)域就可以形成本發(fā)明所述的散熱槽。前述指定區(qū)域可以根據(jù)設(shè)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(lán)寶石，或者金剛石制作而成。
[0018]實(shí)施例一
[0019]如圖4所示，實(shí)施例一采用雙散熱槽管芯結(jié)構(gòu)。其中，在襯底上設(shè)置有兩個(gè)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(qū)間隔隔離為三個(gè)有源子區(qū)，即有源子區(qū)2A、有源子區(qū)2B、有源子區(qū)2C，相鄰的有源子區(qū)之間被散熱槽隔離。有源子區(qū)2A、有源子區(qū)2B、有源子區(qū)2C相互串聯(lián)連接，形成串管結(jié)構(gòu)。有源子區(qū)2A、有源子區(qū)2B、有源子區(qū)2C共用源極接地通孔。有源子區(qū)2A、有源子區(qū)2B、有源子區(qū)2C的輸入端與功率分配網(wǎng)絡(luò)I連接，有源子區(qū)2A、有源子區(qū)2B、有源子區(qū)2C的輸出端均與功率合成網(wǎng)絡(luò)3連接。功率分配網(wǎng)絡(luò)I將微波信號(hào)均勻的分配到各個(gè)晶胞。功率合成網(wǎng)絡(luò)3把各個(gè)晶胞的輸出信號(hào)合成到一路，便于和后續(xù)的匹配網(wǎng)絡(luò)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(qū)2A、有源子區(qū)2B、有源子區(qū)2C是一種串管結(jié)構(gòu)，信號(hào)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(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞苄?，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將有源子區(qū)2A、有源子區(qū)2B、有源子區(qū)2C當(dāng)做一個(gè)整體來處理。
[0021]實(shí)施例二[0022]如圖5所示，實(shí)施例二采用三散熱槽三晶胞結(jié)構(gòu)，用三個(gè)散熱槽，即散熱槽4A、散熱槽4B和散熱槽4C將整個(gè)有源區(qū)間隔隔離為四個(gè)均勻的有源子區(qū)，即有源子區(qū)2A、有源子區(qū)2B、有源子區(qū)2C和有源子區(qū)2D，相鄰的有源子區(qū)之間被散熱槽隔離。有源子區(qū)2A、有源子區(qū)2B、有源子區(qū)2C和有源子區(qū)2D均采用均勻的串管結(jié)構(gòu)分布，每個(gè)有源子區(qū)共用源極接地通孔。功率分配網(wǎng)絡(luò)I將微波信號(hào)均勻的分配到各個(gè)晶胞，功率合成網(wǎng)絡(luò)3把各個(gè)晶胞的輸出信號(hào)合成到一路，便于和后續(xù)的匹配網(wǎng)絡(luò)連接。
[0023]散熱槽4A、散熱槽4B和散熱槽4C將原先一整條發(fā)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(jié)構(gòu)，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(gè)芯片的輸出功率。
[0024]實(shí)施例三
[0025]本發(fā)明將 實(shí)施例一或?qū)嵤├镜墓苄窘Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的鏡像復(fù)制后就可以使得總柵寬加倍，增加輸出功率。實(shí)施例三如圖6所示，其管芯是雙散熱槽六晶胞結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)以圖6中的中心線E-E為基準(zhǔn)互為鏡像。本實(shí)施例的實(shí)質(zhì)是將實(shí)施例一的管芯鏡像復(fù)制成兩個(gè)，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(wǎng)絡(luò)IA和1B，整體還是保持左邊輸入信號(hào)。管芯Al和管芯A2的輸出信號(hào)在功率合成網(wǎng)絡(luò)3輸出端并聯(lián)輸出，整體還是保持右邊輸出信號(hào)。
[0026]本發(fā)明的有益效果可以通過以下實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明。
[0027]實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:在相同直流功耗下分別測(cè)試三只具有不同結(jié)構(gòu)管芯樣品的最高結(jié)溫。三只管芯均是4X IOOum GaN HEMT管芯，采用同一種工藝在同一個(gè)圓片上實(shí)現(xiàn)。1#管芯樣品為傳統(tǒng)的無散熱槽結(jié)構(gòu);2#管芯樣品在有源區(qū)設(shè)置一個(gè)寬度為20um的散熱槽;3#管芯樣品在有源區(qū)設(shè)置一個(gè)寬度為50um的散熱槽；漏極電壓為28V,漏極電流為150mA,熱臺(tái)溫度為85°C，采用紅外熱像儀測(cè)試管芯的最高結(jié)溫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種均勻散熱的串管結(jié)構(gòu)GaN管芯，包括設(shè)置在襯底上的有源區(qū)、功率分配網(wǎng)絡(luò)、功率合成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，在襯底上垂直于柵條的方向設(shè)置有至少一個(gè)散熱槽，散熱槽將有源區(qū)隔離為至少兩個(gè)以上的有源子區(qū)，每個(gè)有源子區(qū)之間相互串聯(lián)連接并共用源條接地通孔，每個(gè)有源子區(qū)的輸入端均與功率分配網(wǎng)絡(luò)連接，每個(gè)有源子區(qū)的輸出端均與功率合成網(wǎng)絡(luò)連接。
2.如利要求I所述的均勻散熱的串管結(jié)構(gòu)GaN管芯，其特征在于，每個(gè)有源子區(qū)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(jié)構(gòu)GaN管芯，其特征在于，襯底上設(shè)置有兩個(gè)散熱槽，兩個(gè)散熱槽將有源區(qū)分為三個(gè)有源子區(qū)。
4.如利要求I所述的均勻散熱的串管結(jié)構(gòu)GaN管芯，其特征在于，襯底上設(shè)置有三個(gè)散熱槽，三個(gè)散熱槽將有源區(qū)分為四個(gè)有源子區(qū)。
5.如權(quán)利要求1所述的均勻散熱的串管結(jié)構(gòu)GaN管芯，其特征在于，使用高能離子轟擊有源區(qū)形成所述散熱槽。
6.如權(quán)利要求1所述的均勻散熱的串管結(jié)構(gòu)GaN管芯，其特征在于，所述襯底由碳化硅，或者硅，或者藍(lán)寶石，或者金剛石制作而成。
7.如權(quán)利要求1所述的均勻散熱的串管結(jié)構(gòu)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(hào)】H01L29/06GK103700696SQ201310717636
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】張斌, 余旭明, 陳堂勝, 任春江 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所