本發(fā)明屬于h01l27/00類半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型非均勻柵長gan器件柵極結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

ganhemt器件具有的高頻、高功率密度以及高工作溫度的優(yōu)點(diǎn)使其成為微波大功率器件以及電力電子器件發(fā)展的新方向。基于新型材料gan研發(fā)的功率器件及其功率放大器被廣泛地應(yīng)用于軍事、民用商業(yè)以及消費(fèi)等領(lǐng)域，特別是對于即將在2020年實(shí)現(xiàn)商用的5g技術(shù)而言，gan功放管必將占據(jù)重要地位。在軍事領(lǐng)域，毫米波和微波功率放大器應(yīng)用于雷達(dá)、通信以及智能武器系統(tǒng)之中，而在商業(yè)領(lǐng)域中，主要將功率放大器用于高速率的通信系統(tǒng)之中以及汽車防撞雷達(dá)等。gan材料的德拜溫度高達(dá)700℃以上，遠(yuǎn)高于si和gaas材料，從而保證了器件在較高的溫度下具有較低的背景載流子濃度，使得器件具有更高的可工作溫度。但就目前而言由于器件設(shè)計(jì)或者工藝問題，ganhemt功率器件一直沒有能夠突破其高溫可靠性問題，因而在一定程度上嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展和普及。散熱問題制約著ganhemt功率器件的性能，如功率密度以及效率等。特別是對于大功率ganhemt器件，自熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致熱量在器件有源區(qū)中心迅速積聚，引起器件性能惡化失效，其高溫失效原理可參閱文獻(xiàn)manjukc,sanjivt.temperatureandpolarizationdependentpolynomialbasednon-linearanalyticalmodelforgatecapacitanceofalgan/gan和jeongp,moows,chincl,etal.thermalmodelingandmeasurementofalgan-ganhfetsbuiltonsapphireandsicsubstrates[j].以si作為襯底的ganhemt器件因?yàn)槌杀据^低而備受關(guān)注，但是因?yàn)閟i的熱導(dǎo)率很低，導(dǎo)致gan-on-sihemt器件自熱效應(yīng)更加嚴(yán)重，束縛了其功率特性和應(yīng)用。sic材料具有良好的熱導(dǎo)率，以sic為襯底的ganhemt器件自熱效應(yīng)減輕，但在大功率應(yīng)用下的高溫可靠性仍然是嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

ganhemt功率器件的熱量通常都積聚在有源中心區(qū)域。研究表明，ganhemt處于工作狀態(tài)時(shí)，其本身將會(huì)產(chǎn)生一定量的功率耗散，而這部分耗散功率將會(huì)在器件內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的熱量使得器件的結(jié)溫有一個(gè)非常明顯的升高，而結(jié)溫的提升不僅僅會(huì)影響器件的直流工作特性以及微波特性，同時(shí)對于ganhemt器件本身而言，其熱可靠性也是一個(gè)較大的隱患。由器件自熱效應(yīng)引起的結(jié)溫升高將會(huì)加速器件的失效。更為嚴(yán)重的自熱效應(yīng)可能會(huì)使柵極電極惡化甚至?xí)龤酒c封裝之間的金屬連線。當(dāng)器件的尺寸變得越來越小，或者是器件的電流密度變得越來越大時(shí)，自熱效應(yīng)現(xiàn)象就會(huì)越明顯。有報(bào)道顯示，對于ganhemt器件，當(dāng)其電流密度達(dá)到26w/mm時(shí)，溝道溫度可達(dá)200℃，并且隨著耗散功率的增加而升高。因此，要想使得器件更加可靠，就必須要在設(shè)計(jì)模擬階段將器件的自熱效應(yīng)考慮進(jìn)去。大功率gan器件往往采用多柵極叉指結(jié)構(gòu)，柵極為均勻?qū)挾鹊木€條，與源條及漏條交叉分布。叉指結(jié)構(gòu)能有效平衡器件高頻特性和大功率輸出的矛盾，緩解熱耗散問題，但器件有源區(qū)的熱平衡問題仍然嚴(yán)重。在柵極中心區(qū)域熱耗散難，往往是溫度最高的區(qū)域，也是高溫失效發(fā)生的起始點(diǎn)。如圖1所示的大功率ganhemt器件柵極叉指結(jié)構(gòu)，其熱分布仿真結(jié)果如圖2所示，靠近柵極中心區(qū)域的溫度會(huì)比邊緣高出接近20度以上；這對于器件大功率的實(shí)現(xiàn)和可靠性設(shè)計(jì)是極為不利的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

定義：如圖3所示(僅畫出柵極)，hemt器件的柵極指叉結(jié)構(gòu)橫向長度叫柵長；與此對應(yīng)柵條的橫向長度，即短邊為柵條長度。柵極指叉結(jié)構(gòu)縱向柵長度叫柵寬；與此對應(yīng)柵條的縱向長度，即長邊為柵條寬度。這和一般ic里面的柵寬定義不一樣。

本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種優(yōu)化的非均勻柵長的ganhemt器件柵極結(jié)構(gòu)，以調(diào)節(jié)有源區(qū)域的電流分布，均衡整個(gè)器件的熱耗散和熱分布，降低器件柵極中心區(qū)域的熱積聚效應(yīng)，減輕和避免器件有源區(qū)域中心由自熱效應(yīng)引起的提前高溫失效，增長器件的高溫可靠性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種ganhemt器件的柵極結(jié)構(gòu)，所述器件的柵極、源極和漏極采用叉指結(jié)構(gòu)；所述叉指結(jié)構(gòu)中不同位置柵條的長度不相等，通過柵條尺寸變化對2deg電子氣密度的控制和調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)電流密度和熱分布的調(diào)控；使得整個(gè)器件有緣區(qū)域溫度盡量均衡分布。

進(jìn)一步，所述柵極結(jié)構(gòu)中從橫向邊緣到所述器件中心設(shè)置有長度不同的柵條。

進(jìn)一步，所述柵極結(jié)構(gòu)中從橫向邊緣到所述器件中心設(shè)置有長度從長到短變化的柵條。

進(jìn)一步，所述柵極結(jié)構(gòu)中沿柵極長度方向從縱向邊緣到中心設(shè)置有長度不同的柵條。

進(jìn)一步，所述柵極結(jié)構(gòu)中沿柵極長度方向從縱向邊緣到中心設(shè)置有長度從長到短變化的柵條。

本發(fā)明還公開了一種ganhemt器件，所述ganhemt器件的柵極結(jié)構(gòu)采用上述的柵極結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中的ganhemt器件叉指柵極結(jié)構(gòu)，器件單元由單柵極或者多柵叉指結(jié)構(gòu)構(gòu)成，柵條的柵長為非均勻柵長結(jié)構(gòu)，以有效調(diào)節(jié)器件柵極中心區(qū)域的電流密度，使得中心區(qū)域的電流密度較低，從而自熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量也較低，利于整個(gè)器件有源區(qū)域的熱平衡。減輕和防止器件中心區(qū)域的熱集中效應(yīng)導(dǎo)致柵極中心區(qū)域的高溫提前失效。有助于大功率器件的失效和高溫可靠性的增長。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的柵極結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1的熱力分布仿真結(jié)果示意圖；

圖3為非均勻柵長叉指柵條優(yōu)化示意圖；

圖4為本發(fā)明非均勻柵長ganhemt器件元胞結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面利用實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行更全面的說明。本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實(shí)施例。

如圖4所示，本實(shí)施例中的ganhemt器件的柵極結(jié)構(gòu)，器件的柵極、源極和漏極均采用叉指結(jié)構(gòu)；這種柵極結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是叉指結(jié)構(gòu)中柵條的長度不相等。通過柵極尺寸變化對2deg電子氣密度的控制和調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)電流密度和熱分布的調(diào)控；使得整個(gè)器件有緣區(qū)域溫度盡量均衡分布。

柵極結(jié)構(gòu)中，可以使從橫向邊緣到所述器件中心的各柵條長度不同，對2deg電子氣密度的控制和調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)電流密度和熱分布的調(diào)控；使得整個(gè)器件有緣區(qū)域溫度盡量均衡分布。

通過熱仿真，柵極結(jié)構(gòu)中從橫向邊緣到所述器件中心的各柵條長度應(yīng)從長到短變化。

柵極結(jié)構(gòu)中，還可以設(shè)置為柵極沿長度方向從縱向邊緣到中心寬度不同；通過熱仿真發(fā)現(xiàn)，柵極長度沿長度方向從縱向邊緣到中心應(yīng)從長到短變化。柵條分布及優(yōu)化示意圖如圖3所示。雖然各柵條寬度的略微變化會(huì)導(dǎo)致器件寄生參數(shù)如柵電容的微小變化，從而可能使得器件在高頻段的頻率響應(yīng)略微受到影響，但經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)和反復(fù)模擬，可以使器件在實(shí)際工作頻段的影響降低到可忽略的程度。而由此帶來的電流與溫度均衡分布對gan大功率管的高溫可靠性增長是十分有利的。

本發(fā)明還公開了一種ganhemt器件，所述ganhemt器件的柵極結(jié)構(gòu)采用上述的柵極結(jié)構(gòu)。

制作實(shí)施例中的非均勻柵長的ganhemt器件的半導(dǎo)體材料為gan外延片或單晶片，襯底可以是si，sic或者藍(lán)寶石等。器件單元可以是單柵極結(jié)構(gòu)；也可以是多柵叉指結(jié)構(gòu)構(gòu)成，柵條的柵長為非均勻柵長結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明通過將柵極結(jié)構(gòu)設(shè)置為非均勻結(jié)構(gòu)，以有效調(diào)節(jié)器件柵極中心區(qū)域的電流密度，使得中心區(qū)域的電流密度較低，從而自熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量也較低，利于整個(gè)器件有源區(qū)域的熱平衡。減輕和防止器件中心區(qū)域的熱集中效應(yīng)導(dǎo)致柵極中心區(qū)域的高溫提前失效。有助于大功率器件的失效和高溫可靠性的增長。值得注意的是，圖4的柵極結(jié)構(gòu)僅僅是原理示意圖，柵條的具體柵長尺寸和形狀可以根據(jù)實(shí)際器件設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)工具中熱仿真(有專門的器件電流分布和熱分析仿真工具，如ise-tcad和ansys等軟件輔助設(shè)計(jì)和分析優(yōu)化)工具的結(jié)果調(diào)整得到最優(yōu)的參數(shù)，其原理是利用柵極對于溝道2deg電子氣密度的控制和調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)電流密度和熱分布的調(diào)控。對于多柵極叉指結(jié)構(gòu)的大功率器件，其柵條結(jié)構(gòu)從橫向邊緣到器件中心各柵條長度可以不同；同時(shí)對于單個(gè)柵條本身，其柵長從縱向邊緣到中心長度也可以不同，以使得整個(gè)器件有緣區(qū)域溫度盡量均衡分布，避免個(gè)別中心區(qū)域由于自熱效應(yīng)和熱耗散不均勻引起的高溫區(qū)提前失效。

上述示例只是用于說明本發(fā)明，除此之外，還有多種不同的實(shí)施方式，而這些實(shí)施方式都是本領(lǐng)域技術(shù)人員在領(lǐng)悟本發(fā)明思想后能夠想到的，故，在此不再一一列舉。