本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种gan器件原位生长石墨烯掩埋电极结构及制备方法。
背景技术：
作为第三代半导体的杰出代表，氮化镓(gan)的室温禁带宽度为3.45ev，远大于si和gaas的禁带宽度，使得其电场击穿强度比之大了一个数量级，非常适合制作高耐压大功率器件。除了很大的禁带宽度这一优势外，gan还具备很高的电子饱和速度及热导率，使它十分适合于微波/毫米波大功率应用的场合。gan电力电子开关器件，algan/gan异质结高电子迁移率晶体管hemt及ganmmic单片微波集成电路(monolithicmicrowaveintegratedcircuits，mmic)在高温器件及大功率微波器件方面已显示出了得天独厚的优势，追求器件高频率、高压、高功率吸引了众多的研究。近年来，制作更高频率高压大功率高可靠性能的algan/ganhemt及mmic成为关注的又一研究热点。民用商业以及消费等领域，特别是对于即将在2020年实现商用的5g技术而言，gan功放管及mmic必将占据重要地位。但就目前而言，由于器件衬底材料，器件设计和工艺等问题，ganhemt及mmic的高温可靠性和高成本在一定程度上严重阻碍了其发展和普及。ganhemt功率器件一直没有能够突破其高温可靠性问题，散热问题制约着ganhemt功率器件的性能，如功率密度以及效率等。特别是对于大功率ganhemt器件，自热效应会导致热量在器件有源区中心迅速积聚，引起器件性能恶化失效。以si作为衬底的ganhemt器件因为成本较低而备受关注，但是因为si的热导率很低，导致gan-on-sihemt器件自热效应更加严重，束缚了其功率特性和应用。sic材料具有良好的热导率，以sic为衬底的ganhemt器件自热效应减轻，但在大功率应用下的高温可靠性仍然是严重的挑战。同时，sic衬底片十分昂贵，一片四英寸sic衬底片的售价可高达一千美金以上，这不利于gan功率管及mmic在民用商业以及消费等领域的应用发展。
为了提高器件高温可靠性，减小器件热阻，大功率gan器件往往采用背面减薄，背面通孔结构和附加各种高热导率导热热沉。背面通孔结构在2005年由masahirohikita等人提出，称之为svg(source-viagrounding)，其具体结构可查看文献m.hikita,m.yanagihara,k.nakazawa,etal.algan/ganpowerhfetonsiliconsubstratewithsource-viagrounding(svg)structure[j].ieeetransctionsonelectrondevices,2005,52(9),pp.1963-1968。该结构通过器件旁边打孔，用金属将源极与衬底或背面电极相连。svg结构可以提高器件耐压，降低器件热阻，使栅极和沟道区的热量能通过svg金属通孔快速沉降到器件背面基板。但是，背面减薄(往往需要将几百微米的衬底片从背面研磨减薄到几十微米)和深通孔的刻蚀，以及使用镀金工艺填充通孔，一方面工艺复杂成本高，造成gan功率管和mmic成本高昂；另外，背面减薄和几十微米深通孔的刻蚀容易造成器件的损伤，使良率和器件可靠性降低。通孔中填充的金在器件温升剧烈时，由于金的膨胀系数与gan及衬底材料的差异也容易导致器件受到损伤，可靠性降低。
对于高热导率热沉，目前导热材料在各种工业领域中均有广泛的应用，但由于热导率的限制，导热散热效果并不理想，限制了器件或者系统的设计。尤其是在电子产业中，电子电路设计的集成化、小型化趋势越来越明显，高性能导热散热材料的要求也越来越高，需求也越来越大。但是传统的导热散热材料多是以金属或者石墨为基础材料进行制造，目前已经不能满足电子产业对于导热散热的需求。
石墨烯材料导热系数可高达5300w/m·k，其常温下其电子迁移率超过15000cm2/v·s，远高于一般的衬底材料和金属，为目前世界上已知的热导率最高的材料，十分适用于对热导率要求苛刻的领域。石墨烯和aln间晶格失配度为4.5％，以aln作为缓冲成核层，可以在石墨烯上通过mocvd等工艺生长出质量很好的gan薄膜。
近年来，采用石墨烯及其复合材料作为器件电极材料的研究很多，也取得了一定的效果。目前采用的方法大都是先制备出石墨烯或氧化石墨烯，再采用一定方法转移至gan外延片，在转移过程中容易导致石墨烯的破损与杂质的引入；同时，石墨烯与gan之间依靠范德华力结合，容易在后续的工艺中出现分离或脱落的现象，从而影响器件的性能；除此之外，与现有gan基器件外延与芯片设备与工艺不兼容，不具有良好的产业推广性。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种gan器件原位生长石墨烯掩埋电极结构，其有效解决了现有技术中存在的问题；本发明的另一目的在于提供一种gan器件原位生长石墨烯掩埋电极结构的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种gan器件原位生长石墨烯掩埋电极结构，所述电极结构包括衬底和依次向上生长的aln成核层、gan缓冲层和器件外延构造层；其中，所述衬底和所述aln成核层之间从下至上还依次生成有aln隔离层、金属催化层和石墨烯掩埋散热层；所述石墨烯掩埋散热层与源极通过金属连接，与背板和热沉通过金属连接。
进一步，所述衬底由si、sic或者蓝宝石中的一种材料制成。
一种制备gan器件原位生长石墨烯掩埋电极结构的方法，所述方法包括如下步骤：
1)放置衬底，在衬底片上生长一层aln隔离层；
2)在所述aln隔离层上通过ald工艺淀积生长一层金属催化层，然后直接在所述金属催化层上通过cvd工艺生长一层石墨烯掩埋散热层；
3)在所述石墨烯掩埋散热层上依次淀积生长aln成核层，gan缓冲层和器件外延构造层；
4)再进行gan器件的常规制作工艺；
5)器件正面刻孔到石墨烯掩埋层下的金属催化层；用金属将正面所需引出的电极与石墨烯掩埋散热层相连，并与金属催化层固定连接，使石墨烯掩埋散热层和电极相互结合形成复合掩埋电极；
6)整个器件有源区边缘刻蚀露出石墨烯掩埋散热层，并用金属与器件背面相连，并将连接用金属烧结到背板和热沉上。
进一步，所述石墨烯掩埋散热层的厚度为1-20层石墨烯单层。
进一步，所述金属催化层的材质为au、cu、pt、ni或ti。
进一步，所述aln成核层的厚度为1-100nm。
进一步，步骤5)和步骤6)中连接用金属由au、ag、cr、pt、ni、ti、rh和zn中的任意一种或者多种金属的合金材料制成。
进一步，步骤6)中用锡金焊膏或纳米银焊膏将连接用金属烧结到背板和热沉上。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明的新型器件结构避免了背面深孔刻蚀的复杂工艺，可以实现正面直接源接地，同时利用石墨烯优越的热导率迅速将器件有源区产生的热量导走，可以有助于实现大功率gan器件，增长器件的高温可靠性。
附图说明
图1为本发明增强型gan基高电子迁移率晶体管材料结构的结构示意图。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
如图1所示，本发明提供了一种gan器件原位生长石墨烯掩埋电极结构，该电极结构包括衬底3和依次向上生长的aln成核层7、gan缓冲层和器件外延构造层8；其中，衬底3和aln成核层7之间从下至上还依次生成有aln隔离层4、金属催化层5和石墨烯掩埋散热层6；石墨烯掩埋散热层6与源极通过金属连接，与背板和热沉1通过金属连接；图中标号2表示外围金属au。
衬底3由si、sic或者蓝宝石中的一种材料制成。gan器件由半导体材料gan外延片或单晶片制成。
本发明还提供了一种制备gan器件原位生长石墨烯掩埋电极结构的方法，该方法包括如下步骤：
1)放置衬底3，在衬底3片上生长一层aln隔离层4；衬底3由si、sic或者蓝宝石中的一种材料制成；
2)在aln隔离层4上通过ald工艺淀积生长一层金属催化层5，金属催化层5可以选用au、cu、pt、ni、ti等，然后直接在金属催化层5上通过cvd工艺生长一层石墨烯掩埋散热层6；石墨烯掩埋散热层6的厚度为1-20层石墨烯单层；金属催化层上cvd生长石墨烯的工艺已经十分常见，此处不做详述；
3)在石墨烯掩埋散热层6上依次淀积生长aln成核层7，gan缓冲层和器件外延构造层8；
4)再进行gan器件的常规制作工艺；
5)器件正面刻孔到石墨烯掩埋层下的金属催化层；用金属将正面所需引出的电极9(最常用的是引出需要接地的电极)与石墨烯掩埋散热层6相连，通过刻蚀出的石墨烯薄膜层贯穿的孔道，使电极9穿过石墨烯掩埋散热层6的孔道并与金属催化层5固定连接，形成石墨烯掩埋散热层6的焊盘，使石墨烯掩埋散热层6固定结合在金属催化层5和衬底3上，使石墨烯掩埋散热层6和电极9相互结合形成复合掩埋电极；
6)整个器件有源区边缘刻蚀露出石墨烯掩埋散热层，并用金属与器件背面相连，并将连接用金属烧结到背板和热沉上。
其中，aln成核层的厚度为1-100nm。步骤5)和步骤6)中连接用金属由au、ag、cr、pt、ni、ti、rh和zn中的任意一种或者多种金属的合金材料制成。步骤6)中用锡金焊膏或纳米银焊膏将连接用金属烧结到背板和热沉上。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。