本公开属于半导体技术领域，尤其涉及一种具有石墨烯散热层的algan/gan高电子迁移率晶体管及制备方法。
背景技术：
gan材料具有良好的热学和电学性能和化学稳定性，如宽的禁带宽度，高的击穿电场、高热导率、耐腐蚀和抗辐射等，是制备高频、高温、高压、大功率器件的理想材料。
algan/gan异质结存在极强的压电极化和自发极化效应，在异质结界面形成高浓度的二维电子气(2deg)，基于algan/gan异质结的高电子迁移率晶体管(hemt)在大功率微波器件方面具有广泛的应用前景。
随着器件功率密度的提升，器件的自热效应明显，其将导致沟道温度升高，严重影响了器件电学和热学性能的进一步提升，并且降低了器件的可靠性，进而制约了器件应用的广泛开展。例如，对于gan器件，其结温每升高10℃，器件的寿命将降低10000小时，其中，界面热阻较高是导致器件峰值热阻较高，影响器件可靠性的主导因素，对于sic衬底的器件，sic衬底材料与gan材料之间的界面热阻占器件总热阻的50％，因此，降低器件的界面热阻是提高器件热可靠性的关键。
ganhemt的材料体系中存在很大的界面热阻，严重地影响了器件的沟道温度和热量分布。界面热阻也称接触热阻(thermalboundaryresistance)，其表征两个固体材料接触传热发生时，接触处的热传导阻力。两个固体接触构成一个材料体系时，因为两固体的微观结构不同，材料内部连续一致的结构被破坏，当热流从固体的一侧材料通过接触界面流向另一侧材料时，温度在接触界面处发生跳变，由此材料结构中将产生一个额外的热阻。尤其在sic基gan的hemt器件中，sic衬底与gan成核层之间的界面热阻在器件热阻中占得比重在50％，大的界面热阻的存在是导致器件在高温高压条件下工作时，峰值结温过高的关键因素。而峰值结温过高，不仅导致器件的性能退化，而且严重降低了器件的长期可靠性，有报道称，器件的结温每升高10℃，器件的可靠性将降低10000小时。因此，迫切的需要一种材料实现器件的散热，作为降低界面热阻的一种有效方法。
公开内容
(一)要解决的技术问题
本公开提出了一种具有石墨烯散热层的algan/gan高电子迁移率晶体管及制备方法，降低了algan/ganhemt器件峰值结温，提高了器件的电流密度，抑制了器件的电流崩塌效应，进而提高gan基微波功率器件在高频、高压条件下工作的稳定性和可靠性。
(二)技术方案
本公开提供了一种具有石墨烯散热层的algan/gan高电子迁移率晶体管，包括：sic衬底；石墨烯散热层，形成于所述sic衬底上，所述石墨烯散热层厚度为2nm；gan成核层，形成于所述石墨烯散热层上；gan缓冲层，形成于所述gan成核层上；gan高电子迁移率沟道层，形成于所述gan缓冲层上；algan势垒层形成于所述gan沟道层上；源电极、漏电极、栅电极和sinx钝化层，形成于所述aigan势垒层上。
在本公开的一些实施例中，所述sic衬底与石墨烯散热层之间的界面热阻值为1.2e-7w-1m2k，所述石墨烯散热层的热传导系数为2e3wm-1w-1，所述石墨烯散热层与gan成核层之间的界面热阻值为1.2e-7w-1m2k。
在本公开的一些实施例中，所述sic衬底厚度为18um，所述gan成核层厚度为8nm，所述gan成核层的厚度是25nm，所述gan缓冲层的厚度1.822um，所述gan高电子迁移率沟道层的厚度为8nm，所述algan势垒层的厚度为25nm，al组分为30％，所述源电极和漏电极之间的间距为6um，所述栅电极和源电极之间的间距为1.8um，所述栅电极和漏电极之间的间距为4um。
本公开提供了一种具有石墨烯散热层的algan/gan高电子迁移率晶体管的制备方法，包括：步骤s1：确定材料结构和器件结构，获取石墨烯散热层的参数；步骤s2：按照所述材料结构、器件结构和石墨烯散热层的参数，选择sic衬底，依次生长石墨烯散热层、gan成核层、gan缓冲层、gan高电子迁移率沟道层、algan势垒层；步骤s3：在algan势垒层上形成源电极、漏电极、sinx钝化层和栅电极。
在本公开的一些实施例中，所述步骤s2具体包括：选定材料外延方法；提供一个sic衬底；在所述sic衬底上生长石墨烯材料，形成石墨烯散热层；在所述石墨烯散热层上生长gan成核层；在所述gan成核层上生长gan缓冲层；在所述gan缓冲层上生长gan高电子迁移率沟道层；在所述gan高电子迁移率沟道层上生长algan势垒层。
在本公开的一些实施例中，所述步骤s3具体包括：在algan势垒层制备源电极和漏电极；在algan势垒层淀积sinx层；在所述的源电极和漏电极之间刻蚀掉sinx表面施主层，形成栅槽区；在所述栅槽区形成栅电极。
在本公开的一些实施例中，所述材料外延方法采用金属有机物化学气相沉积方法。
在本公开的一些实施例中，所述sinx表面施主层的生长方式采用原位外延方法、等离子体增强化学气相沉积。
在本公开的一些实施例中，所述栅槽区采用感应耦合等离子体来刻蚀sinx介质，aln作为刻蚀阻挡层精确控制了栅槽区的刻蚀深度；采用电子束蒸发的方法，ni/au作为栅电极。
在本公开的一些实施例中，所述步骤s1具体包括：确定algan/gan高电子迁移率晶体管的sic衬底和gan外延材料的界面热阻值；对存在界面热阻的algan/gan高电子迁移率晶体管进行直流、射频和热学特性的仿真；在sic衬底与gan外延材料之间插入一层石墨烯材料，对石墨烯材料插入之后algan/gan高电子迁移率晶体管进行相应的电学、热学和射频特性的仿真，采用2nm的石墨烯作为界面的散热材料，获得插入2nm厚度石墨烯材料后的algan/gan高电子迁移率晶体管的电学、热学和射频特性参数；在对比分析有无石墨烯材料的algan/gan高电子迁移率晶体管的基础上，确定采用石墨烯作为散热材料后的algan/gan高电子迁移率晶体管的最优结构。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：
石墨烯材料作为gan和sic之间的界面材料，具有以下两点优势：一方面由于石墨烯较高的热传导系数，其热传导系数在室温下为2e3wm-1w-1，可以显著提高gan与衬底材料界面之间的热传导。另一方面，石墨烯材料较强的键结构可以影响临近gan以及sic材料的界面热传导的过程。因此，石墨烯材料在sic衬底与gan成核层之间界面的插入将利于提升对器件沟道的散热，同时也将增加了沟道的载流子，降低了器件的界面热阻，进而降低了器件的峰值热阻，利于提升器件性能和提高器件的长期可靠性。
附图说明
图1为本公开实施例的一种具有石墨烯散热层的algan/gan高电子迁移率晶体管的结构示意图。
图2为本公开实施例的algan/gan高电子迁移率晶体管的制备方法流程图。
图3为本公开实施例的确定材料结构和器件结构，获取石墨烯散热层的参数的流程图。
图4为本公开实施例的具有界面热阻的algan/gan高电子迁移率晶体管的电学特性图。
图5为本公开实施例的具有界面热阻的algan/gan高电子迁移率晶体管的温升变化图。
图6为本公开实施例的具有界面热阻的algan/gan高电子迁移率晶体管的热学分布图。
图7为本公开实施例的将石墨烯材料作为sic衬底与gan界面的散热材料的高可靠algan/gan高电子迁移率晶体管电学特性图。
图8为本公开实施例的将石墨烯材料作为sic衬底与gan界面的散热材料的高可靠algan/gan高电子迁移率晶体管的温升变化图。
图9为本公开实施例的将石墨烯材料作为sic衬底与gan界面的散热材料的高可靠algan/gan高电子迁移率晶体管的热学分布图。
图10为本公开实施例的高可靠algan/gan高电子迁移率晶体管的rf特性图。
具体实施方式
石墨烯材料是作为gan和sic界面散热的理想材料，其优势体现在以下两个方面，一方面由于石墨烯较高的热传导系数，其热传导系数在室温下为2e3wm-1w-1，可以显著提高gan与衬底材料界面之间的热传导。另一方面，石墨烯材料较强的键结构可以影响临近gan以及sic材料的界面热传导的过程。因此，为了提高sic基gan高电子迁移率器件的热可靠性，通过在衬底材料与gan成核层之间插入一层石墨烯材料，起到热传导的作用，同时，通过一定的特定结构，在不降低沟道载流子浓度的前提下，达到石墨烯对沟道散热的作用，进而降低了器件的峰值结温，抑制了电流崩塌，一定程度上提高了器件的电流密度，从而提高了器件在高温、高压下工作时的热可靠性。
本公开采用器件模拟软件silvaco，结合极化模型和自热效应，首先通过silvaco中的atlas器件仿真软件对存在sic/gan界面热阻的器件结构的热分布和电学特性进行仿真，然后在衬底材料sic与成核层gan之间插入一层石墨烯材料，对其结构进行相应的热学和电学特性仿真，以确定石墨烯材料的相关参数，实现高可靠algan/ganhemt的优化结构。最后，给出了采用石墨烯材料的algan/ganhemt器件的直流，射频以及峰值结温的分布结果，验证此结构器件的可靠性。
下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本公开一实施例提供了一种具有石墨烯散热层的algan/gan高电子迁移率晶体管(为描述方便，以下简称为algan/gan器件)，包括：sic衬底、石墨烯散热层、gan成核层、gan缓冲层、gan高电子迁移率沟道层、algan势垒层、源电极、漏电极、sinx钝化层和栅电极。
参见图1，石墨烯散热层形成于sic衬底上，石墨烯散热层厚度为2nm；gan成核层形成于石墨烯散热层上，gan缓冲层形成于gan成核层上，gan高电子迁移率沟道层形成于gan缓冲层上，algan势垒层形成于gan沟道层上；源电极、漏电极、栅电极和sinx钝化层形成于algan势垒层上。
在本实施例中，优选地，sic衬底厚度为18um，gan成核层厚度为8nm，sic衬底与石墨烯散热层之间的界面热阻值为1.2e-7w-1m2k，石墨烯散热层的热传导系数为2e3wm-1w-1，石墨烯散热层与gan成核层之间的界面热阻值为1.2e-7w-1m2k，gan成核层的厚度是25nm，gan缓冲层的厚度1.822um，gan高电子迁移率沟道层的厚度为8nm，algan势垒层的厚度为25nm，algan势垒层的al组分为30％，源电极和漏电极之间的间距为6um，栅电极和源电极之间的间距为1.8um，栅电极和漏电极之间的间距为4um。
本公开另一实施例提供了一种具有石墨烯散热层的algan/gan高电子迁移率晶体管的制备方法，参见图2，包括以下步骤：
步骤s1：确定材料结构和器件结构，获取石墨烯散热层的参数。
步骤s2：按照所述材料结构、器件结构和石墨烯散热层的参数，选择sic衬底，依次生长石墨烯散热层、gan成核层、gan缓冲层、gan高电子迁移率沟道层、algan势垒层。
步骤s3：在algan势垒层上形成源电极、漏电极、sinx钝化层和栅电极。
步骤s2具体包括：
子步骤s2a：选定材料外延方法；
子步骤s2b：提供一个sic衬底；
子步骤s2c：在所述sic衬底上生长石墨烯材料，形成石墨烯散热层；
子步骤s2d：在所述石墨烯散热层上生长gan成核层；
子步骤s2e：在所述gan成核层上生长gan缓冲层；
子步骤s2f：在所述gan缓冲层上生长gan高电子迁移率沟道层；
子步骤s2g：在所述gan高电子迁移率沟道层上生长algan势垒层。
步骤s3具体包括：
子步骤s2a：在algan势垒层制备源电极和漏电极；
子步骤s2a：在algan势垒层淀积sinx层；
子步骤s2a：在所述的源电极和漏电极之间刻蚀掉sinx表面施主层，形成栅槽区；
子步骤s2a：在所述栅槽区形成栅电极。
所述材料外延方法优选采用金属有机物化学气相沉积方法。源电极和漏电极采用ti/al/ni/au。所述sinx表面施主层的生长方式采用原位外延方法、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)。
在本公开实施例中，所述石墨烯散热层厚度为2nm，所述gan成核层厚度为25nm，所述gan缓冲层的厚度为1.822um，gan高电子迁移率沟道层的厚度为8nm，所述algan势垒层的铝组分为30％，厚度为25nm，所述sinx层的厚度为120nm，所述sinx层生长采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)，所述栅槽区采用感应耦合等离子体(icp)方式刻蚀sinx介质，aln作为刻蚀阻挡层精确控制了栅槽区的刻蚀深度。采用电子束蒸发的方法，ni/au作为器件的栅极，形成高可靠hemt器件。在algan势垒层上制作源极和漏极，采用icp刻蚀凹栅槽，完成栅电极的制备，形成高可靠的gan基hemt器件。
在步骤s1中，基于泊松方程和薛定谔自洽求解的方法，其中考虑进材料的自发极化和压电极化效应，进行不同外延材料结构的器件模拟。在实验获知algan/ganhemt器件中，sic/gan界面热阻在器件的热阻中比重在50％的前提下，确定sic/gan界面热阻是导致器件峰值热阻高的关键因素。结合自热模型，对sic/gan界面存在界面热阻的器件结构进行电学和热学特性的仿真，验证界面热阻导致器件电学特性退化，导致器件峰值结温过高的事实。采用石墨烯材料作为sic/gan界面散热材料，获得一定厚度的石墨烯材料下algan/ganhemt的优化结构，给出电学、射频和热学的仿真结果。
参见图3，其示出了本公开实施例的确定材料结构和器件结构，获取石墨烯散热层的参数的流程图，步骤s1具体包括：
子步骤s1a：确定algan/gan高电子迁移率晶体管的sic衬底和gan外延材料的界面热阻值。
子步骤s1b：采用silvaco器件模拟软件，对存在界面热阻的algan/gan器件进行直流、射频和热学特性的仿真。给出algan/gan器件存在界面热阻条件下，器件的电学和热学特性参数。
子步骤s1c：采用silvaco器件模拟软件，在sic衬底与gan外延材料之间插入一层石墨烯材料，对石墨烯材料插入之后algan/gan器件进行相应的电学、热学和射频特性的仿真，获得algan/gan器件在采用石墨烯散热材料后的器件电学和热学等特性参数。基于工艺易于实现的可能性，确定在sic衬底与gan外延材料之间插入的石墨烯材料厚度，大约是10个单原子层的石墨烯厚度，采用2nm的石墨烯作为界面的散热材料。获得插入2nm厚度石墨烯材料后的algan/gan器件的电学、热学和射频特性参数。
子步骤s1d：在对比分析有无石墨烯材料的algan/gan器件结构的基础上，确定采用石墨烯作为散热材料后的algan/gan器件的最优结构。
图4、图5和图6分别示出了未采用石墨烯作为界面散热材料条件下，存在界面热阻的algan/gan器件的电学、温升曲线和热学特性模拟的结果。
子步骤s1a具体包括：由实验数据确定algan/gan器件的sic与gan界面的界面热阻值为1.2e-7w-1m2k，界面热阻的厚度为10nm。
子步骤s1b具体包括：
子分步骤s1b1：在获知常规algan/gan器件结构的前提下，确定常规器件的外延结构参数，sic衬底厚度为18um，成核层厚度为25nm，高阻缓冲层gan层的厚度1.822um，成核层的厚度为8nm，势垒层algan的厚度为25nm，势垒层algan的al组分为30％，确定器件的源漏之间的间距为6um，栅源之间的间距为1.8um，栅漏之间的间距为4um。计算理想条件下器件的电学特性参数，即是器件不存在界面热阻的情况下，仿真得到的直流特性。
在常规器件结构中，考虑sic衬底与gan成核层之间的界面热阻存在的条件下，仿真器件的电学特性参数，即直流特性。外延结构的具体参数如下，sic衬底厚度为18um，成核层厚度为25nm，sic衬底与gan成核层之间界面热阻参数为1.2e-7w-1m2k，高阻层gan层的厚度1.822um和势垒层algan的厚度为25nm，势垒层algan的al组分为30％，沟道层gan的厚度为8nm。确定器件的结构参数如下，源漏之间的间距为6um，栅源之间的间距为1.8um，栅漏之间的间距为4um。仿真存在界面热阻条件下器件的电学特性参数。具体见图4。器件的偏置条件是，漏压从0v到30v，栅压从-3v到3v，从iv曲线可以看出，器件在存在界面热阻的条件下，器件存在着较严重的电流崩塌效应。
子分步骤s1b2：在上述材料结构和器件结构条件下仿真常规器件结构中存在界面热阻的器件稳态条件下的热学特性。其偏置条件为漏压为30v，栅压从-3v到3v，1v为一个step扫描，所采用的环境温度为室温。具体见图5和图6，其中图5是器件的温升曲线，标准器件的结温随着功率的提升变化情况，器件在存在界面热阻的条件下，器件的温升很大。图6是器件在一定偏置下栅压为0v，漏压为30v的温度分布。
子分步骤s1b3：在上述材料结构和器件结构条件下仿真常规器件结构中存在界面热阻的器件稳态条件下的射频特性，其偏置条件为漏压为30v，栅压为从-2v到2v，所采用的环境温度为室温。
图7、图8、图9和图10示出了采用石墨烯作为sic/gan界面散热材料时器件的电学、热学和射频特性。
子步骤s1c具体包括：
子分步骤s1c1：在sic衬底与gan成核层之间插入一层石墨烯材料，首先确定石墨烯材料与gan材料界面热阻值的大小为1.2e-7w-1m2k。
子分步骤s1c2：所仿真器件的外延结构的具体参数如下：sic衬底厚度为18um，成核层厚度为8nm，sic衬底与石墨烯材料之间界面热阻参数为1.2e-7w-1m2k，石墨烯材料的热传导系数为2e3wm-1w-1，石墨烯与gan界面之间的界面热阻值为1.2e-7w-1m2k，成核层gan的厚度是25nm，高阻缓冲层gan的厚度1.822um和势垒层algan的厚度为25nm，势垒层algan的al组分为30％，沟道层gan的厚度为8nm。确定器件的结构参数如下，源漏之间的间距为6um，栅源之间的间距为1.8um，栅漏之间的间距为4um。
子分步骤s1c3：在上述器件结构中，获得2nm厚度石墨烯的器件结构的电学、热学和rf特性参数。
子分步骤s1c3具体包括：
子分步骤s1c3a：考虑到石墨烯与sic衬底之间以及石墨烯与gan之间的界面热阻相同，因此在确定上述参数的条件下，确定在2nm石墨烯厚度的条件下，器件的电学特性。具体见图7。由结果可以看到，在衬底sic与gan材料之间插入石墨烯之后器件的电流崩塌效应得到很好的抑制。
子分步骤s1c3b：考虑到石墨烯与sic衬底之间以及石墨烯与gan之间的界面热阻相同，因此在确定上述参数的条件下，确定在石墨烯厚度为2nm时，器件的热学特性。具体见图8和图9。从温升曲线和热分布曲线来看，插入石墨烯之后，器件的温升降低了100k，器件整体的热阻降低明显。
子分步骤s1c3c:考虑到石墨烯与sic衬底之间以及石墨烯与gan之间的界面热阻相同，因此在确定上述参数的条件下，确定在石墨烯厚度为2nm时，器件的射频特性。具体见图10。从结果来看，石墨烯的加入在不改变器件工作频率的前提下，使器件的热特性得到极大改善。
确定了外延材料和器件的优化结构，确定了插入的石墨烯材料的厚度，给出了优化设计的结果，子步骤s1d具体包括：
子步骤s1d1：首先确定衬底为碳化硅衬底。
子步骤s1d2:确定采用石墨烯材料后algan/gan器件结构的优化结果为，成核层gan的厚度为25nm，高阻层gan材料的厚度为1.822um，沟道层gan的厚度为8nm，势垒层algan的al组分为30％，势垒层的厚度为25nm。
子步骤s1d3：确定采用石墨烯材料后algan/gan器件结构为源漏之间的间距为6um，栅源之间的间距为1.8um，栅漏之间的间距为4um。
子步骤s1d4：分别进行直流测试，其中iv测试的静态工作点分别为：vd＝30v，vg从-3v到3v。
从iv的测试结果来看，gan成核层与sic衬底之间插入2nm的石墨烯以后，器件的直流特性有所提升，电流崩塌效应抑制明显，说明石墨烯在提高器件的直流特性方面效果明显，器件具有高的可靠性。
从热学仿真结果来看，sic衬底与gan成核层之间石墨烯的插入，使器件在相同的功耗条件下，其峰值结温在大的偏置条件下，大约降低100k，同时，器件的rf特性在加入石墨烯之后没有受到相应的影响。说明，sic衬底与gan成核层之间石墨烯的加入提高了器件的热学特性，抑制了器件的电流崩塌，可靠性提高。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。