本發(fā)明涉及一種新型具有石墨烯掩埋源極和縱向柵極的ganhemt元胞結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

功率開關(guān)器件作為dc/ac、ac/dc、dc/dc以及ac/ac等電能變換器的核心部件，在現(xiàn)代電子設(shè)備中具有重要應(yīng)用需求，是實(shí)現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)集成控制和保證系統(tǒng)安全性、可靠性、穩(wěn)定性和高效性的關(guān)鍵核心器件。gan作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料si相比，具有禁帶寬度寬、擊穿電場大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。gan材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)(典型如algan/gan)界面存在大密度的界面極化電荷，可以誘導(dǎo)出高密度的二維電子氣(2deg)(＞10¹³cm-2)。由于溝道材料無故意摻雜，電子在溝道內(nèi)能夠保持很高的遷移率(＞1000cm²v^-1s^-1)。因此，gan材料適合制作高電子遷移率晶體管(hemt)，它的導(dǎo)通電阻只有sic器件的1/2～1/3，比si器件低三個(gè)數(shù)量級以上，因此具有更低的開關(guān)損耗和更優(yōu)的頻率特性，非常適于研制更高耐壓、更大電流、更高頻率、更小體積和更惡劣環(huán)境的應(yīng)用，在通訊電源、航空航天、船舶艦載電源等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

以gan為代表的iii-v族材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)(典型如algan/gan)界面由于存在高密度帶正電的極化電荷，通過極化電場可以誘導(dǎo)材料中的電子并使之束縛在異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處，形成在二維平面運(yùn)動(dòng)的2deg導(dǎo)電溝道。為了實(shí)現(xiàn)gan材料hemt器件的常關(guān)型操作，目前常規(guī)的方法都是基于削弱或者抵消異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處極化電荷所形成強(qiáng)電場的原理，主要有柵極勢壘層刻蝕形成凹槽柵、氟離子注入勢壘層形成氟化柵、以及柵極生長p型蓋帽層三種方案。

如圖1所示，凹槽柵方案器件結(jié)構(gòu)通過切斷2deg溝道而達(dá)到常關(guān)型操作，方法直接簡單，但是對于大面積器件柵極刻蝕深度均勻性難以保證，另外具有刻蝕損傷表面的區(qū)域尺寸較大(2～3μm)，器件的導(dǎo)通電阻一般較大。

如圖2所示，氟離子注入勢壘層形成氟化柵結(jié)構(gòu)常關(guān)型gan基hemt器件結(jié)構(gòu)，在柵極區(qū)域algan勢壘層通過氟離子注入而帶負(fù)電從而排斥algan/gan界面處的2deg，可以使器件實(shí)現(xiàn)常關(guān)型操作，引入氟離子雜質(zhì)的algan/gan界面溝道將作為器件開啟的導(dǎo)電溝道。氟離子注入勢壘層方案不破壞2deg溝道界面，但是由于氟離子的熱穩(wěn)定性問題，器件在使用過程的可靠性是潛在隱患，另外對于大面積器件，其閾值電壓均勻性不好。

如圖3所示，柵極勢壘層上方生長p型gan(或者ingan)蓋帽層常關(guān)型器件結(jié)構(gòu)，則利用內(nèi)建電場來耗盡2deg溝道電子，器件溝道導(dǎo)電性能較好，但高濃度p型摻雜較難控制，外延片各個(gè)位置的濃度均勻性不完全一致，因此器件閾值電壓較小且均勻性同樣不好。另外由于柵電極距離2deg溝道過遠(yuǎn)，器件的開關(guān)速率受到影響。以上三種設(shè)計(jì)方案的柵極結(jié)構(gòu)通過常規(guī)光學(xué)光刻來實(shí)現(xiàn)，柵極長度較大，一般在2～3μm范圍，其典型特征是柵極橫向電流溝道開關(guān)控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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)化的具有石墨烯掩埋源極和縱向柵極的ganhemt元胞結(jié)構(gòu)，具體技術(shù)方案為：

具有石墨烯掩埋源極和縱向柵極的ganhemt元胞結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟：

1)放置襯底(襯底可采用sic單晶片，aln單晶片，藍(lán)寶石基片或者硅片等)，在襯底片上生長一層aln成核層；

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)再依次進(jìn)行g(shù)an器件的制作工藝，包括以下步驟：常規(guī)的ganhemt器件工藝如mesa刻蝕等不做詳述；

5)在制作器件柵極時(shí)，采用離子刻蝕技術(shù)如icp等，先刻蝕出柵槽通孔一直刻到露出石墨烯掩埋層；然后先在通孔底部采用濺射等技術(shù)沉積一薄層的掩埋源極金屬，源掩埋金屬的厚度要高出aln隔離層并與，金屬材料選用孔填充能力較好的材料如鎢等；然后在柵通孔里淀積一層?xùn)沤橘|(zhì)層，可以采用濺射、ald或者lpcvd方法生長，柵介質(zhì)層的厚度為10-50nm，柵介質(zhì)層可以是任意單層或者多層?xùn)艠O介質(zhì)層材料，包括二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氧化鋁(al2o3)以及氧化鉿(hfo2)等；介質(zhì)層生長方法可以是ald、lpcvd、pecvd、pld(脈沖激光沉積)、mocvd(金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積)、電子束蒸發(fā)以及濺射等；

6)器件內(nèi)部元胞結(jié)構(gòu)都完成后，在整個(gè)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(jié)到背板和熱沉上。

進(jìn)一步，步驟1)中所述aln層厚度為1至100納米之間。

進(jìn)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(jìn)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(jié)到背板和熱沉上。

本發(fā)明還公開了一種石墨烯掩埋源極和縱向柵極的ganhemt元胞結(jié)構(gòu)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隔離層之間還依次生成有aln層和石墨烯掩埋散熱層；源極設(shè)置在所述石墨烯掩埋散熱層上與石墨烯掩埋散熱層連接，柵極與所述漏極之間設(shè)置有縱向溝道。

進(jìn)一步，所述石墨烯掩埋散熱層與源極通過金屬連接。

進(jìn)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(jìn)一步，所述ganhemt器件由半導(dǎo)體材料gan外延片或單晶片制成。

進(jìn)一步，所述ganhemt器件的襯底由si、sic、aln或者藍(lán)寶石中的一種材料制成。

本發(fā)明石墨烯掩埋源極和縱向柵極的ganhemt器件元胞結(jié)構(gòu)，這種新型器件結(jié)構(gòu)解決現(xiàn)有常關(guān)型hemt器件不能同時(shí)兼具均勻而穩(wěn)定的大閾值電壓、低的器件導(dǎo)通電阻和高開關(guān)速率的技術(shù)問題，針對gan基iii-v族材料功率器件中的常關(guān)型類別，提出一種具有縱向柵極結(jié)構(gòu)的常關(guān)型hemt器件及其制備方法，以實(shí)現(xiàn)hemt器件穩(wěn)定大閾值電壓常關(guān)型操作的同時(shí)有效降低器件的開啟導(dǎo)通電阻，可以實(shí)現(xiàn)高密度的元胞結(jié)構(gòu)，提高器件的有效利用面積和單位面積功率密度；同時(shí)利用石墨烯優(yōu)越的熱導(dǎo)率迅速將器件有源區(qū)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)走，可以有助于實(shí)現(xiàn)大功率ganhemt器件，增長器件的高溫可靠性。

本發(fā)明石墨烯掩埋源極和縱向柵極的ganhemt器件元胞結(jié)構(gòu)，采用縱向柵極結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的hemt器件中長的橫向溝道開啟模式轉(zhuǎn)變成短的縱向溝道開啟模式，柵極由長的橫向電流控制溝道轉(zhuǎn)變?yōu)槎痰目v向電流控制溝道，器件利用短的柵極側(cè)壁溝道來實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，從而有效減小器件的導(dǎo)通電阻。通過直接切斷柵極2deg溝道，器件能夠?qū)崿F(xiàn)大閾值電壓常關(guān)型操作，并且由于器件閾值電壓不受柵極區(qū)域刻蝕深度的影響，相對于常規(guī)橫向柵極結(jié)構(gòu)，器件的閾值電壓具有更好的重復(fù)性和均勻性。在切斷2deg溝道從而使器件具備大的常關(guān)型操作閾值電壓前提下，本發(fā)明大大減小柵極開啟溝道的長度，降低器件的柵極導(dǎo)通電阻。同時(shí)，由于器件的閾值電壓與柵極勢壘層刻蝕深度沒有直接關(guān)系，器件柵極區(qū)域也沒有f離子注入等其他有害加工處理，器件的閾值電壓穩(wěn)定性很好，制作大面積器件或者在大面積襯底上制作器件時(shí)，器件產(chǎn)品的性能均勻性很好。本發(fā)明提供的常關(guān)型hemt器件同時(shí)具有穩(wěn)定的高閾值電壓和低導(dǎo)通電阻特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中凹槽柵器件結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中氟離子注入勢壘層形成的氟化柵結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為現(xiàn)有技術(shù)中p型gan(或者ingan)蓋帽層?xùn)艠O結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4本發(fā)明具有石墨烯掩埋源極和縱向柵極的ganhemt元胞結(jié)構(gòu)的結(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器件采用了石墨烯掩埋源極和縱向柵極的ganhemt元胞結(jié)構(gòu)，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(dǎo)熱率將器件溝道區(qū)產(chǎn)生的熱量迅速導(dǎo)走，使得整個(gè)器件有源區(qū)溫升更均勻，避免出現(xiàn)局域高熱點(diǎn)導(dǎo)致的器件高溫可靠性問題；同時(shí)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(gè)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；

本實(shí)施例中的石墨烯掩埋源極和縱向柵極的ganhemt元胞結(jié)構(gòu)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；aln層厚度應(yīng)該控制在1至100納米之間。

2)在aln層上淀積生長一層石墨烯掩埋散熱層；石墨烯掩埋散熱層厚度最好控制在1至100納米之間。

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(jìn)行g(shù)an器件的制作工藝，包括以下步驟：常規(guī)的ganhemt器件工藝如mesa刻蝕等不做詳述；

5)在制作器件柵極時(shí)，采用離子刻蝕技術(shù)如icp等，先刻蝕出柵槽通孔一直刻到露出石墨烯掩埋層；然后先在通孔底部采用濺射等技術(shù)沉積一薄層(10nm-200nm)的掩埋源極金屬，源掩埋金屬的厚度要高出aln隔離層并與gan溝道區(qū)域形成歐姆接觸，金屬材料選用孔填充能力較好的材料如鈦、鎳、鎢等；然后在柵通孔里淀積一層?xùn)沤橘|(zhì)層，可以采用ald或者lpcvd方法生長，柵介質(zhì)層的厚度為10-50nm，柵介質(zhì)層可以是任意單層或者多層?xùn)艠O介質(zhì)層材料，包括二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氧化鋁(al2o3)以及氧化鉿(hfo2)等；

6)器件內(nèi)部元胞結(jié)構(gòu)都完成后，在整個(gè)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(jié)到背板和熱沉上。

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(shí)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(xué)分層分離石墨烯并轉(zhuǎn)移到aln緩沖層上；還可以是直接在aln緩沖層上先用ald或?yàn)R射等方法淀積一薄層的銅誘導(dǎo)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(jié)到背板和熱沉上，有利于整個(gè)器件的熱沉降，減小整個(gè)器件的熱阻，實(shí)現(xiàn)高功率的ganhemt功率器件。也可以用其他方式將連接用的金屬燒結(jié)到背板和熱沉上。

本實(shí)施例中的石墨烯掩埋源極和縱向柵極的ganhemt元胞結(jié)構(gòu)器件，制作該器件的半導(dǎo)體材料為gan外延片或單晶片，襯底可以是si，aln，sic或者藍(lán)寶石等。

石墨烯材料導(dǎo)熱系數(shù)可高達(dá)5300w/m·k，其常溫下其電子遷移率超過15000cm2/v·s，遠(yuǎn)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(zhì)量很好的gan薄膜。

如表1所示，石墨烯與常見金屬的熱導(dǎo)率對比表格。

^＊取決與碳含量，純度，制備的技術(shù)，是單層還是多層等因素。

本發(fā)明主要解決現(xiàn)有常關(guān)型hemt器件不能同時(shí)兼具均勻而穩(wěn)定的大閾值電壓、低的器件導(dǎo)通電阻和高開關(guān)速率的技術(shù)問題，針對gan基iii-v族材料功率器件中的常關(guān)型類別，提出一種具有縱向柵極結(jié)構(gòu)的常關(guān)型hemt器件及其制備方法，以實(shí)現(xiàn)hemt器件穩(wěn)定大閾值電壓常關(guān)型操作的同時(shí)有效降低器件的開啟導(dǎo)通電阻，可以實(shí)現(xiàn)高密度的元胞結(jié)構(gòu)，提高器件的有效利用面積和單位面積功率密度。同時(shí)，結(jié)構(gòu)中采用高導(dǎo)熱導(dǎo)電性的石墨烯掩埋層作為源極引出，可以大大的提高器件的熱耗散能力，改善自熱效應(yīng)，使器件單元中的熱量通過高導(dǎo)熱性石墨烯層迅速沉降到熱沉基板，提高器件的高溫可靠性。

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。