本發(fā)明涉及一種新型具有石墨烯掩埋散熱層和源接地的ganmmic器件結構，屬于h01l27/00類半導體器件技術領域。

背景技術：

單片微波集成電路(monolithicmicrowaveintegratedcircuits，mmic)是采用外延、注入、光刻、蒸發(fā)和濺射等半導體工藝方法在同一塊半絕緣襯底上集成有源器件、無源器件、傳輸線和互連線等，構成的具有單一或多種功能的微波集成電路，其最適合的工作頻率從高頻段的分米波到毫米波和亞毫米波。它最早是由texainstrument公司t.m.hyltin提出的，由于受到當時的材料工藝的限制，硅襯底的半絕緣性質經氧化、擴散等高溫工藝后不復存在，使得si襯底不能用于制造高可靠性的電路。因此，直到1968年，才由r.w.wacker和e.mehal首次實現(xiàn)了在gaas襯底上mmic電路。作為第三代半導體的杰出代表，氮化鎵的室溫禁帶寬度為3.45ev，遠大于si和gaas的禁帶寬度，使得其電場擊穿強度比之大了一個數量級，非常適合制作高耐壓大功率器件。除了很大的禁帶寬度這一優(yōu)勢外，gan還具備很高的電子飽和速度及熱導率，使它十分適合于微波/毫米波大功率應用的場合。algan/gan異質結高電子遷移率晶體管hemt及ganmmic單片微波集成電路(monolithicmicrowaveintegratedcircuits，mmic)在高溫器件及大功率微波器件方面已顯示出了得天獨厚的優(yōu)勢，追求器件高頻率、高壓、高功率吸引了眾多的研究。

近年來，制作更高頻率高壓大功率高可靠性能的algan/ganhemt及mmic成為關注的又一研究熱點。民用商業(yè)以及消費等領域，特別是對于即將在2020年實現(xiàn)商用的5g技術而言，gan功放管及mmic必將占據重要地位。但就目前而言，由于器件襯底材料，器件設計和工藝等問題，ganhemt及mmic的高溫可靠性和高成本在一定程度上嚴重阻礙了其發(fā)展和普及。ganhemt功率器件一直沒有能夠突破其高溫可靠性問題，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，自熱效應會導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manjukc,sanjivt.temperatureandpolarizationdependentpolynomialbasednon-linearanalyticalmodelforgatecapacitanceofalgan/gan和jeongp,moows,chincl,etal.thermalmodelingandmeasurementofalgan-ganhfetsbuiltonsapphireandsicsubstrates[j].以si作為襯底的ganhemt器件因為成本較低而備受關注，但是因為si的熱導率很低，導致gan-on-sihemt器件自熱效應更加嚴重，束縛了其功率特性和應用。sic材料具有良好的熱導率，以sic為襯底的ganhemt器件自熱效應減輕，但在大功率應用下的高溫可靠性仍然是嚴重的挑戰(zhàn)。同時，sic襯底片十分昂貴，一片四英寸sic襯底片的售價可高達一千美金以上，這不利于gan功率管及mmic在民用商業(yè)以及消費等領域的應用發(fā)展。

為了提高器件耐壓和功率，減小器件熱阻，大功率gan器件往往采用多柵極叉指結構，同時采用背面減薄和背面通孔結構。背面通孔結構在2005年由masahirohikita等人提出，稱之為svg(source-viagrounding)，其具體結構可查看文獻m.hikita,m.yanagihara,k.nakazawa,etal.algan/ganpowerhfetonsiliconsubstratewithsource-viagrounding(svg)structure[j].ieeetransctionsonelectrondevices,2005,52(9),pp.1963-1968。該結構通過器件旁邊打孔，用金屬將源極與襯底或背面電極相連。svg結構可以提高器件耐壓，降低器件熱阻，使柵極和溝道區(qū)的熱量能通過svg金屬通孔快速沉降到器件背面基板。svg在提升耐壓方面的原理類似背電極場板的作用，可在一定程度上緩解柵極與漏極之間的電場集中現(xiàn)象。此外，版圖設計中無需存在源極的互連線，從而大大降低了源極互聯(lián)電阻和源極接觸電感，對提升器件整體性能提升有很大幫助。但是，背面減薄(往往需要將幾百微米的襯底片從背面研磨減薄到幾十微米)和深通孔的刻蝕，以及使用鍍金工藝填充通孔，一方面工藝復雜成本高，造成gan功率管和mmic成本高昂；另外，背面減薄和幾十微米深通孔的刻蝕容易造成器件的損傷，使良率和器件可靠性降低。通孔中填充的金在器件溫升劇烈時，由于金的膨脹系數與gan及襯底材料的差異也容易導致器件受到損傷，可靠性降低。

器件需經空氣橋金屬蒸鍍、背孔刻蝕和背面金蒸鍍工藝；工藝示意圖分別如圖1至圖3所示。示意圖參考自西安電子科技大學曹夢逸博士的論文“高效率和大功率氮化鎵半導體放大器研究”。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術的缺點，提供一種優(yōu)化的具有石墨烯掩埋散熱層和源接地的ganmmic器件結構。具體技術方案為：

一種具有石墨烯掩埋散熱層和源接地的ganmmic器件結構的制備方法，包括如下步驟：

1)放置襯底，在襯底片上生長一層aln層；

2)在aln層上淀積生長一層石墨烯掩埋散熱層；

3)在石墨烯掩埋層上依次淀積生長aln隔離層，gan緩沖層和溝道層，algan勢壘層；

4)再進行gan和mmic器件的常規(guī)制作工藝；

5)源極旁邊刻孔到石墨烯層；用金屬將源極與石墨烯掩埋散熱層相連；

6)整個器件有源區(qū)邊緣刻蝕露出石墨烯層，并用金屬與器件背面相連，并將連接用所述金屬燒結到背板和熱沉上。

進一步，步驟1)中所述aln層厚度為1至100納米之間。

進一步，步驟2)中所述石墨烯掩埋散熱層厚度為1至100納米之間。

進一步，步驟6)中用錫金焊膏或納米銀焊膏將連接用所述金屬燒結到背板和熱沉上。

本發(fā)明還公開了一種具有石墨烯掩埋散熱層和源接地的ganmmic器件，包括襯底和依次向上生長的aln隔離層、gan緩沖層、溝道層和algan勢壘層；所述襯底與所述aln隔離層還依次生成有aln層和石墨烯掩埋散熱層。

進一步，所述石墨烯掩埋散熱層與源極通過金屬連接。

進一步，所述石墨烯掩埋散熱層與背板和熱沉通過金屬連接。

進一步，所述ganmmic器件由半導體材料gan外延片或單晶片制成。

進一步，所述ganmmic器件的襯底由si、sic或者藍寶石中的一種材料制成。

本發(fā)明具有石墨烯掩埋散熱層和源接地的ganmmic器件結構，這種新型器件結構避免了背面深孔刻蝕的復雜工藝，可以實現(xiàn)正面直接源接地，同時利用石墨烯優(yōu)越的熱導率迅速將器件有源區(qū)產生的熱量導走，可以有助于實現(xiàn)大功率gan器件，增長器件的高溫可靠性。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術中的工藝示意圖(空氣橋金屬蒸鍍)；

圖2為現(xiàn)有技術中的工藝示意圖(背孔刻蝕)；

圖3為現(xiàn)有技術中的工藝示意圖(背金蒸鍍)；

圖4為具有石墨烯掩埋散熱層和源接地的ganmmic器件結構示意圖；

圖5為石墨烯掩埋散熱層ganmmic器件整體熱沉降示意圖。

具體實施方式

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

如圖4所示，本實施例中的具有石墨烯掩埋散熱層和源接地的ganmmic器件，包括襯底和依次向上生長的aln層和石墨烯掩埋散熱層、aln隔離層、gan緩沖層、溝道層和algan勢壘層。在源極旁邊蝕刻有到石墨烯層的通孔，石墨烯掩埋散熱層與器件的源極通過穿過上述通孔的金屬連接，起到源接地的作用，并利用石墨烯的高導熱率將器件溝道區(qū)產生的熱量迅速導走，使得整個器件有源區(qū)溫升更均勻，避免出現(xiàn)局域高熱點導致的器件高溫可靠性問題；同時石墨烯掩埋散熱層起到源極背場板作用，可以協(xié)助提高器件耐壓。在整個器件有源區(qū)邊緣刻蝕以露出石墨烯層，并用金屬將石墨烯掩埋散熱層與器件背面相連，石墨烯掩埋散熱層與背板和熱沉通過金屬連接；石墨烯掩埋散熱層ganmmic器件整體熱沉降示意圖如圖5所示。

本實施例中的具有石墨烯掩埋散熱層和源接地的ganmmic器件的制備方法，包括如下步驟：

1)放置襯底，在襯底片上生長一層aln層；

2)在aln層上淀積生長一層石墨烯掩埋散熱層；

3)在石墨烯掩埋層上依次淀積生長aln隔離層，gan緩沖層和溝道層，algan勢壘層；

4)再進行gan和mmic器件的常規(guī)制作工藝；

5)源極旁邊刻孔到石墨烯層；用金屬將源極與石墨烯掩埋散熱層相連；

6)整個器件有源區(qū)邊緣刻蝕露出石墨烯層，并用金屬與器件背面相連，并將連接用所述金屬燒結到背板和熱沉上。

其中，步驟1)中的aln層厚度應該控制在1至100納米之間。

步驟2)中的石墨烯掩埋散熱層厚度最好控制在1至100納米之間。

石墨烯和aln間晶格失配度為4.5％，以aln為材料可以制成很好的緩沖層。實際工藝制作中，步驟2)中的石墨烯層可以是直接在aln緩沖層上通過cvd等方法淀積生長石墨烯層；或者是在銅箔等金屬膜上生長石墨烯層后通過電化學分層分離石墨烯并轉移到aln緩沖層上；還可以是直接在aln緩沖層上先用ald或濺射等方法淀積一薄層的銅誘導層后，再在銅膜上生長石墨烯層。

步驟6)中最好選用錫金焊膏或納米銀焊膏將連接用的金屬燒結到背板和熱沉上，有利于整個器件的熱沉降，減小整個器件的熱阻，實現(xiàn)高功率的gan功率管和mmic器件。也可以用其他方式將連接用的金屬燒結到背板和熱沉上。

本實施例中的具有石墨烯掩埋散熱層和源接地的ganmmic器件，制作該器件的半導體材料為gan外延片或單晶片，襯底可以是si，sic或者藍寶石等。

石墨烯材料導熱系數可高達5300w/m·k，其常溫下其電子遷移率超過15000cm2/v·s，遠高于一般的襯底材料和金屬。石墨烯和aln間晶格失配度為4.5％，以aln作為緩沖層，可以在石墨烯上通過mocvd等工藝生長出質量很好的gan薄膜。

如表1所示，石墨烯與常見金屬的熱導率對比表格。

^＊取決與碳含量，純度，制備的技術，是單層還是多層等因素。

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