一种GaN基电子器件及其制备方法与流程

本发明涉及电子器件制造领域，具体涉及一种gan基电子器件及其制备方法。

背景技术：

氮化镓(gan)具有较大的直接禁带宽度(3.4ev)、高热导率、高电子饱和漂移速度等特点，因此已经成为目前半导体技术领域的研究热点。利用此特点制作的半导体器件，如高电子迁移率晶体管(hemt)具有击穿电场大、电流密度高、电子饱和漂移速度快等特点，非常适合于制作高温、高频、高压和大功率的器件，可以用于射频微波领域及电力电子领域，例如无线通信基站、电力电子器件等信息收发、能量转换等领域。

gan基电子器件往往工作在高压、大电流情况下，所以一般情况芯片的温度会非常高，而高温条件下工作的半导体器件的特性会变差，寿命会变短。所以好的散热对于芯片的高可靠性、高稳定性和高效率非常重要。

现有gan基电子器件的封装一般先将引线连接芯片电极和基板，再将基板和封装体连接。封装体积大、易掉线，且不易于散热。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种gan基电子器件及其制备方法，有效解决了现有gan基电子器件散热差的问题，同时提高了gan基电子器件的可靠性、稳定性。

本发明的是通过以下技术方案实现的：

一种gan基电子器件，该gan基电子器件从下到上依次为：衬底层、缓冲层、模板层、沟道层、势垒层、栅漏源金属层、邦定层以及用于封装电子器件的封装体。

进一步优选地，所述衬底层为蓝宝石衬底、si衬底以及sic衬底中的一种。

进一步优选地，所述缓冲层为aln、gan、algan、alinn以及alingan中的一种或者多种组合。

进一步优选地，所述缓冲层为多层结构或单层结构。

进一步优选地，所述模板层为未掺杂gan、fe掺杂gan、c掺杂gan以及algan中的一种或者多种组合。

进一步优选地，所述势垒层为aln、algan、alinn以及alingan中的一种或者多种组合。

进一步优选地，所述邦定层为sn或au-sn合金。

进一步优选地，所述封装体包含金属焊盘和包封体，所述包封体通过所述金属焊盘与所述邦定层焊接。

本发明还提供了一种gan基电子器件制备方法，该制备方法应用于上述gan基电子器件，包括：

a1在衬底层上从下到上依次生长缓冲层、模板层、沟道层以及势垒层，得到gan基电子器件的外延结构；

a2在所述势垒层上制备栅漏源金属层，得到芯片；

a3在所述栅漏源金属层表面制备邦定层；

a4采用共晶的方式通过所述邦定层将步骤a2中形成的芯片焊接在封装体中的金属焊盘上，再使用所述封装体中的包封体对其进行包封。

本发明的有益效果是：

本发明与传统芯片和封装技术相比，芯片和封装体中的金属焊盘直接通过金属层(邦定层)以共晶的方式连接在一起，不需要使用导线和基板，从而大大减小了gan基电子器件的体积和重量，提高电子器件的组装密度和性价比，降低了制造成本，不会因导线脱落引起器件的可靠性。

再有，采用本发明提供的封装方法，由于其不使用导线，这样内部的芯片与封装体布线间的互连线长度短很多，因而寄生参数小，信号传输延迟时间短，大大改善了电路的高频性能。

另外，本发明提供的gan基电子器件中芯片和封装体中的金属焊盘之间通过散热性好的金属(邦定层)直接连接，散热性更好；同时器件有源区主要靠近上表面，这样，芯片上表面和封装体直接相连使得芯片工作时产生的热量可以被快速传递，从而大大提高了电子器件的散热性能，同时大大提高了电子器件的工作效率、稳定性、可靠性和寿命。

附图说明

图1本发明中gan基电子器件结构示意图；

图中标记：1-衬底层，2-外延结构，3-栅漏源极金属层，4-邦定层，5-金属焊盘，6-包封体；

图2本发明中的外延结构示意图；

图中标记：21-缓冲层，22-模板层，23-沟道层，24-势垒层；

图3为本发明中一个具体实施例中gan基电子器件结构示意图；

图中标记：11-蓝宝石衬底层，12-氮化镓低温缓冲层，13-未掺杂的高温氮化镓层，14-碳掺杂的半绝缘氮化镓层，15-未掺杂氮化镓沟道层，16-铝镓氮势垒层，17-栅漏源金属层，18-邦定层，19-金属焊盘。

具体实施方式

为了更具体地说明本发明，以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，给出若干实施例。但本发明所涉及的内容并不仅仅局限于这些实施例。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示为本发明提供的gan基电子器件结构示意图，从图中可以看出，该gan基电子器件从下到上依次包括：衬底层1、外延结构2(如图2，在该外延结构中包括缓冲层21、模板层22、沟道层23以及势垒层24)、栅漏源金属层3、邦定层4以及用于封装电子器件的封装体(如图包括金属焊盘5和包封体6)。

在一个具体实施例中，如图3所示，封装好的电子器件结构包括蓝宝石衬底层11，以及在蓝宝石衬底层11上顺序生长的氮化镓低温缓冲层12、未掺杂的高温氮化镓层13、碳掺杂的半绝缘氮化镓层14、未掺杂氮化镓沟道层15以及铝镓氮势垒层16。之后，在外延结构上使用ti-al-ni-au合金制备源漏电极欧姆接触、使用ni-au合金制备栅电极，得到栅漏源金属层17。接着，使用au-sn合金在栅漏源金属层17上制备邦定层18，并采用共晶机通过邦定层把芯片和封装体中的金属焊盘19结合在一起。

更具体来说，在该实施例中：

首先，采用mocvd方法，在(0001)面蓝宝石衬底上自下而上依次生长gan缓冲层，铁或者碳掺杂的半绝缘氮化镓层、未掺杂gan沟道层以及algan势垒层，其中，采用高纯n2或高纯h2或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为n源，金属有机源三甲基镓(tmga)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，三甲基铝(tmal)作为铝源，n型掺杂剂为硅烷(sih4)，p型掺杂剂为二茂镁(cp2mg)和二茂铁(cp2fe)，衬底为(0001)面蓝宝石。

之后，采用icp或者rie干法刻蚀制备有源区，采用ti-al-ni-au合金制备源漏电极欧姆接触；随后生长sin介质保护表面减小表面的电流坍塌，然后采用ni-au合金制备栅电极，得到栅漏源金属层。

之后，接着在栅漏源金属层上蒸镀一层sn或者au-sn合金层用于邦定；

最后，采用共晶的方式通过邦定层将芯片焊接在封装体中的金属焊盘上，并使用所述封装体中的包封体对其进行包封。

在本实施例中，通过采用sn或者au-sn金属材料来直接连接芯片和高散热性的陶瓷底板来降低热阻，使得导热更好，从而提高器件的效率。以此解决大功率电力电子器件的散热问题，以此得到出光效率高、稳定性好的功率型电子器件。

在另一个具体实施例中：

首先，采用mocvd方法，在si衬底或者sic衬底上自下而上依次生长aln或者algan多层结构缓冲层，铁或者碳掺杂的半绝缘氮化镓层、未掺杂gan沟道层以及algan势垒层，其中，采用高纯n2或高纯h2或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为n源，金属有机源三甲基镓(tmga)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，三甲基铝(tmal)作为铝源，n型掺杂剂为硅烷(sih4)，p型掺杂剂为二茂镁(cp2mg)和二茂铁(cp2fe)，衬底为(0001)面蓝宝石。

之后，采用icp或者rie干法刻蚀制备有源区，采用ti-al-ni-au合金制备源漏电极欧姆接触；随后生长sin介质保护表面减小表面的电流坍塌，然后采用ni-au合金制备栅电极，得到栅漏源金属层。

之后，接着在栅漏源金属层上蒸镀一层sn或者au-sn合金层用于邦定；

最后，采用共晶的方式通过邦定层将芯片焊接在封装体中的金属焊盘上，并使用所述封装体中的包封体对其进行包封。

在另一个具体实施例中：

首先，采用mocvd方法，在(0001)面蓝宝石衬底上自下而上依次生长gan缓冲层，铁或者碳掺杂的半绝缘氮化镓层、未掺杂gan沟道层以及algan势垒层，其中，采用高纯n2或高纯h2或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为n源，金属有机源三甲基镓(tmga)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，三甲基铝(tmal)作为铝源，n型掺杂剂为硅烷(sih4)，p型掺杂剂为二茂镁(cp2mg)和二茂铁(cp2fe)，衬底为(0001)面蓝宝石。

之后，采用icp或者rie干法刻蚀制备有源区，采用ti-al-ni-au合金制备源漏电极欧姆接触；随后生长sin介质保护表面减小表面的电流坍塌，然后采用ni-au合金制备栅电极，得到栅漏源金属层。

之后，接着在栅漏源金属层上蒸镀一层sn或者au-sn合金层用于邦定；

最后，采用共晶的方式通过邦定层将芯片焊接在封装体中的焊球、凸点或金属条(金属焊盘)上，并使用所述封装体中的包封体对其进行包封。

在另一个具体实施例中：

首先，采用mocvd方法，在(0001)面蓝宝石衬底上自下而上依次生长gan缓冲层，铁或者碳掺杂的半绝缘氮化镓层、未掺杂gan沟道层以及algan势垒层，其中，采用高纯n2或高纯h2或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为n源，金属有机源三甲基镓(tmga)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，三甲基铝(tmal)作为铝源，n型掺杂剂为硅烷(sih4)，p型掺杂剂为二茂镁(cp2mg)和二茂铁(cp2fe)，衬底为(0001)面蓝宝石。

之后，采用icp或者rie干法刻蚀制备有源区，采用ti-al-ni-au合金制备源漏电极欧姆接触；随后生长sin介质保护表面减小表面的电流坍塌，然后采用ni-au合金制备栅电极，得到栅漏源金属层。

之后，接着在栅漏源金属层上蒸镀一层sn或者au-sn合金层用于邦定；

最后，采用共晶的方式通过邦定层将芯片焊接在封装体中的金属焊盘上，并使用所述封装体中的pcb板对其进行包封。

上述实施例仅列示性说明本发明的技术思想与特点，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改与变化。因此凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，应涵盖在本发明的保护范围。

本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。