一种AlGaN/GaN HEMT晶体管及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明提出一种AlGaN/GaNHEMT晶体管及其制造方法，属于高电子迀移率晶体管领域。
【背景技术】
[0002]铝镓氮化合物(AlGaN)/氮化镓(GaN)高电子迀移率晶体管(HEMT)作为第三代宽禁带化合物半导体器件具有更大输出功率、更宽工作带宽和更高工作效率以及更强的抗辐射能力等优势，使其应用前景广阔。AlGaN/GaN HEMT微波功率器件大的输出功率得益于其高的功率密度，现有报道GaN微波功率器件输出功率密度可达30W/mm以上(Wu et al.1EEEElectron Device Lett.,Vol.25,N0.3,pp.117-119,2004.)，但现阶段推出的AlGaN/GaNHEMT微波功率管和功率MMIC产品的输出功率密度普遍只有35W/mm，与报道的最高输出功率密度相差甚远。造成AlGaN/GaN HEMT微波功率器件产品输出功率密度较低的一个最大原因是器件工作时沟道中的热量无法有效得到发散，使得进一步提升器件功率密度后的结温将远超器件能够进行可靠工作的最高结温。因此有必要增强器件的散热能力，使得AlGaN/GaNHEMT器件工作时的热量得到有效发散，以降低工作时的结温，充分发挥AlGaN/GaN HEMT器件大功率的优势。
[0003]要增强AlGaN/GaNHEMT器件的散热能力，首先需要弄清楚影响器件散热的瓶颈环节。图1中所示为以SiC作为衬底的AlGaN/GaN HEMT器件的一般结构和该器件热传导过程的示意图，沟道中产生的热量要通过GaN缓冲层、成核层以及SiC衬底最终散到器件的热沉上，其中SiC衬底的热导率可以达到400W/mK，而GaN缓冲层以及成核层由于缺陷密度较高，热导率远低于SiC衬底的热导率，成为制约GaN器件沟道中热量向热沉发散的瓶颈。
[0004]为增强AlGaN/GaNHEMT器件散热能力，一种方法是通过提升GaN缓冲层和成核层的晶体质量以提高其热导率，但是GaN材料理论上的热导率最高也只有150W/mK，其外延材料晶体质量即使达到理想状态时依然是器件散热的瓶颈。为了 GaN缓冲层和成核层这一散热瓶颈，另一种方法是将GaN外延材料转移到导热更好的金刚石衬底上，如图2所示，去除成核层，GaN缓冲层只保留很薄的一层，将外延层对散热的影响降到最低，同时由于引入了导热性能更好的金刚石衬底材料，预计器件整体散热性能将提升3倍以上(F.Faili etal.Development of 111-Nitride HEMTs on CVD Diamond Substrates, CS MANTECHConference，2011.)。该方法的难点在于将GaN外延层减薄到尽可能薄的程度但外延层性能不发生明显退化，以及将减薄后的GaN外延层键合到金刚石衬底上，键合所用的材料一方面要兼容后续的器件工艺，同时还不能额外引入较大的热阻。基于该方法，目前已成功实现了金刚石衬底GaN HEMT样品的研制(M.Tyhach et al.Comparison of GaN on Diamond withGaN on SiC HEMT and MMIC Performance ,CS MANTECH Conference，2012.)，但是研制的器件性能依然有待进一步提升，因此预计还有许多关键工艺有待进一步突破。
[0005]由于GaN器件沟道中产生的热量要通过GaN缓冲层、成核层以及SiC衬底最终散到器件的热沉上，其中GaN缓冲层、成核层对纵向和横向散热都是主要瓶颈，而从沟道下方入手来改善器件散热能力技术难度较大，换一种思路是从沟道上方入手来改善器件的散热能力，且技术上要更加易行。从沟道上方入手来改善器件散热能力的研究目前主要集中在改善器件横向散热能力上，如图3所示，通常的做法是在器件源漏电极上覆盖具有高热导率的材料，将器件沟道区域的热量横向导走，技术上该方法较从沟道下方入手来改善器件散热能力更为简单。从器件沟道上方将热量横向导走的关键点在于要选用具有高热导率的材料，理论分析表明采用具有热导率高达2000W/mK的石墨烯材料可使得器件热阻下降约百分之二十(Zhong Yan et al.Graphene quilts for thermal management of high-powerGaN transistors.Nat.Commun.3: 827doi: 10.1038/ncommsl828,2012.)，这一散热改进相较从沟道下方入手来改善器件散热能力达到3倍以上的效果来看有一定差距，因此需要进一步加以改进。从GaN器件沟道上方纵向来改善散热的途径主要是采用倒装技术，对于AlGaN/GaN HEMT大功率器件而言，为了实现良好的散热效果，倒装的质量、对准精度都将是一大挑战，其难度不亚于从沟道上方入手来改善器件的散热能力。
[0006]图3中所示的方法主要用于改善器件横向散热能力，这一方法的缺点是将GaN器件沟道中的热量横向散开后还需要纵向通过GaN缓冲层、成核层以及SiC衬底最终散到器件的热沉上，而GaN缓冲层以及成核层导热能力很差，将使得横向导热作用大打折扣。另外图3中所示的方法改善AlGaN/GaN HEMT横向的散热能力是通过将高热导率的材料与AlGaN/GaNHEMT器件源电极和漏电极相连来实现的，而器件发热区主要集中在栅电极下，距离源电极或者漏电极通常在Iym以上，这一距离与GaN缓冲层与成核层等的厚度相当，在改善散热上效果又进一步打了折扣。可以考虑将高热导率的材料与AlGaN/GaN HEMT器件栅电极相连来进一步改善器件的散热，因为栅电极下是器件的热产生区域，这样的方法更加有助于改善器件的散热能力。
【发明内容】
[0007]发明目的:本发明提出一种AlGaN/GaNHEMT晶体管及其制造方法，增强了器件的散热能力。
[0008]技术方案:本发明提出一种AlGaN/GaNHEMT晶体管，包括位于衬底上的器件本体，所述器件本体至少包括源极、漏极、栅极、GaN缓冲层和AlGaN势皇层，至少器件本体的部分表面被导热材料覆盖。
[0009 ]优选地，所述器件本体为台形结构。所述台形结构为圆台形或方台形。所述台形结构侧面与衬底呈60至75度夹角。所述器件本体的表面被导热材料完全覆盖，但所述源极、漏极和栅极之间覆盖绝缘的导热材料。所述器件本体的表面被金刚石完全覆盖。
[0010]一种AlGaN/GaN HEMT晶体管制造方法，包括以下步骤:
[0011]I)在衬底上形成器件本体，所述器件本体包括成核层、GaN缓冲层和AlGaN势皇层；
[0012]2)器件本体被制成台形结构；
[0013]3)在AlGaN势皇层上以及台形结构侧面形成源极和漏极，于源极和漏极之间的AlGaN势皇层上表面制作栅极；
[0014]4)在源极、漏极、栅极、AlGaN势皇层上表面以及衬底上形成介质层；
[0015]5)去除源极、漏极以及衬底上的介质层；
[0016]6)在源极一侧的衬底上表面以及该侧台形结构侧面电镀第一导热层，漏极一侧的衬底上表面以及该侧台形结构侧面电镀第二导热层；
[0017]7)去除栅极上的介质层，在第一导热层、第二导热层、栅极以及步骤5)剩余的介质层上形成第三导热层，且第三导热层为绝缘材料。
[0018]一种AlGaN/GaN HEMT晶体管制造方法，包括以下步骤:
[0019]I)在衬底上形成器件本体，所述器件本体包括成核层、GaN缓冲层和AlGaN势皇层；
[0020]2)器件本体被制成台形结构；
[0021 ] 3)在AlGaN势皇层上以及台形结构侧面形成源极和漏极；?0022] 4)在源极、漏极、AlGaN势皇层上表面以及衬底上形成介质层；
[0023]5)去除源极、漏极以及衬底上的介质层；
[0024]6)在台形结构和衬底的表面形成绝缘导热层；
[0025]7)在台形结构顶部导热层以及介质层开孔，并于孔内形成栅极。
[0026]有益效果:本发明中的AlGaN/GaN HEMT器件源电极和漏电极通过一高热导率的材料直接实现与器件所采用SiC衬底的连接，器件栅电极下产生的热量经过与源电极和漏电极相连的高热导率材料实现向SiC衬底的散热;本发明中的AlGaN/GaN HEMT器件还存在一高热导率的材料将器件栅电极与S i C衬底相连接，器件栅电极下产生的热量经过与栅电极相连的高热导率材料实现向SiC衬底的散热，进一步增强器件的散热能力。
【附图说明】
[0027]图1为现有SiC衬底的AlGaN/GaNHEMT器件的结构和热传导过程示意图；
[0028]图2为现有金刚石衬底AlGaN/GaN HEMT器件的结构和热传导过程示意图；
[0029]图3为现有改善器件横向散热能力的方法示意图；
[0030]图4为现有AlGaN/GaN HEMT结构示意图；
[0031]图5为实施例1中AlGaN/GaN HEMT结构示意图；
[0032]图6为实施例中衬底、成核层、GaN缓冲层和AlGaN势皇层的结构示意图；
[0033]图7为实施例中衬底上的器件本体台形结构示意图；
[0034]图8为实施例1中AlGaN势皇层上方淀积源极、栅极和漏极后的结构示意图；
[0035]图9为实施例1中器件淀积介质层后的结构示意图；
[0036]图10为实施例1中器件淀积第一导热层和第二导热层后的结构示意图；
[0037]图11为实施例2中AlGaN势皇层上方淀积源极和漏极后的结构示意图；
[0038]图12为实施例2中器件淀积介质层后的结构示意图；
[0039]图13为实施例2中刻蚀多余介质层后的结构示意图；
[0040]图14为实施例2中淀积栅极后的结构示意图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0042]本发明说明书、权利要求书以及说明书附图中所称“下”为靠近衬底的方向，所称“上”为远离衬底的方向。
[0043]实施例1:如图4所示，经典的AlGaN/GaN HEMT结构和工作原理与场效应管相似，由下向上地设有衬底、AlN缓冲层、GaN层和AlGaN层。电流都是在栅极电压的控制下从源极流向漏极。在GaN与AlGaN的界面处由于导带的不连续性，会形成三角形势阱，从而在GaN—侧聚集很多电子，形成二维