一种集成式GaN器件实时测温系统及其制备方法与流程

本发明涉及gan基器件的集成传感领域，具体为一种集成式gan器件实时测温系统及其制备方法。

背景技术：

gan是第三代宽禁带半导体材料之一，其具有宽禁带宽度、高击穿电场、电子饱和速度快、可在高温工作等优势，在电力电子器件方面显示出良好的应用前景。在gan基器件中，algan/gan异质结因自身具有很强的自发极化效应和压电极化效应，会在异质界面形成高达10¹³cm^-2的二维电子气(twodimensionalelectrongas,2deg)，且人们已经利用algan/gan异质结二维电子气研发设计出了各种功率器件和光电器件。

当gan器件工作高温或者高功率输出条件下，通常会产生很高的功耗输出并会引起器件本身温度的升高，而在一定的工作条件下，温度的升高会引起器件相关性能的降低。因此，在器件工作中实时监测器件的温度尤其是核心器件结构层中的温度尤其重要，而基于此开展新型集成化器件温度测试系统的设计和研发也显得十分必要。

技术实现要素：

基于上述提到的开发需求，本发明创新性的提出了一种集成式gan器件实时测温系统及其制备方法，通过在algan/gan下面插入的p型掺杂ingan层作为测量电阻，将器件结构内部产生的温度实时传导至ingan层，然后利用四探针测试方法实时测量ingan层的电阻变化，利用电阻随温度的变化关系实时获得器件的工作温度，包括以下步骤：

1)蓝宝石衬底上生长高阻gan缓冲层；

2)高阻gan缓冲层上生长p型掺杂的ingan层；

3)p型ingan层上生长本征掺杂gan层；

4)本征掺杂gan层上外延生长本征掺杂algan层；

5)选择性刻蚀外延层材料形成刻蚀台面和台阶，并在台面和台阶上淀积氧化铝钝化层；

6)选择性刻蚀氧化铝钝化层，并淀积金属电极；

所述金属电极包括：mosfet结构的源极金属电极、漏极金属电极、栅极金属电极以及至少一个测量薄膜电阻率的子金属电极，所述测量薄膜电阻率的子金属电极与p型掺杂的ingan层之间欧姆接触，实时测量ingan层上方的gan层工作温度。

优选地，所述1)中的高阻gan缓冲层厚度为1μm～4μm。

优选地，所述2)中的p型掺杂ingan层厚度为0.5μm～2μm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～5×10¹⁸cm^-3，掺杂元素镁。

优选地，所述3)中的本征掺杂gan层厚度为0.1μm～1μm。

优选地，所述4)中的本征掺杂algan层厚度为0.1μm～1μm。

优选地，所述5)中的氧化铝钝化层厚度为20nm～200nm。

优选地，所述mosfet结构中的栅极金属电极与algan层形成肖特基接触，源极金属电极、漏极金属电极与algan层形成欧姆接触。

一种由上述方法制得的集成式gan器件实时测温系统，包括源极金属电极、漏极金属电极、栅极金属电极、测量薄膜电阻率的子金属电极以及外延层结构，所述外延层结构包括：蓝宝石衬底，高阻gan缓冲层，p型ingan层，本征gan层，本征algan层和al2o3层，所述测量薄膜电阻率的子金属电极与p型掺杂的ingan层之间欧姆接触，实时测量ingan层上方的gan层工作温度。

优选地，所述源极金属电极、漏极金属电极位于外延层结构水平方向的两端并与algan层形成欧姆接触，所述栅极金属电极位于外延层结构水平方向的中部并与algan层形成肖特基接触。

优选地，所述测量薄膜电阻率的子金属电极等数量非等间距的分布在外延层结构两侧，并与ingan层形成良好的欧姆接触。

本发明的有益效果至少包括:

a.本发明能够实时监测传统ganmosfet功率器件上的温度变化，具有快速、准确、高灵敏的特性。

b.本发明能够工作在高温、高压等较复杂的环境，且实时监控系统的存在有助于确保gan器件的工作稳定和使用寿命的延长。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的俯视方向示意图。

图2为本发明沿aa`线的二维垂直剖面结构示意图。

图3为本发明沿bb`线的二维垂直剖面结构示意图。

图4为本发明沿cc`线的二维垂直剖面结构示意图。

图5、6、7为本发明优选的实施案例的制备工艺流程图。

图中：源极金属电极1，漏极金属电极2，栅极金属电极3，测量薄膜电阻率的第一子金属电极4，测量薄膜电阻率的第二子金属电极5，测量薄膜电阻率的第三子金属电极6，测量薄膜电阻率的第四子金属电极7，蓝宝石衬底8，高阻gan缓冲层9，p型ingan层10，本征gan层11，本征algan层12和al2o3层13。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护范围。

本发明的结构俯视示意图如图1所示，图中金源极金属电极1，漏极金属电极2和栅极金属电极3构成了mosfet器件的源、漏和栅极金属电极，测量薄膜电阻率的第一子金属电极4、测量薄膜电阻率的第二子金属电极5、测量薄膜电阻率的第三子金属电极6和测量薄膜电阻率的第四子金属电极7构成了四探针测试薄层电阻的金属电极。

图2为沿aa`线的垂直剖面结构示意图，利用algan/gan异质结界面形成的高达1×10¹³cm^-2的二维电子气，在栅极金属电极的调控作用下，电压信号通过源漏电极输出；在结构中，插入的p型ingan层与algan/gan异质结接触以传导器件工作时产生的热量。

图3是沿bb`线的垂直剖面结构示意图，图4是沿cc`线的垂直剖面结构示意图，图中测量薄膜电阻率的第一子金属电极4、测量薄膜电阻率的第二子金属电极5、测量薄膜电阻率的第三子金属电极6和测量薄膜电阻率的第四子金属电极7与接触材料(ingan层)之间形成良好的欧姆接触，以实现实时测量ingan层材料的电阻率变化。对于特定的薄膜材料，其电阻值与温度有一定的数值关系，因此利用此关系我们能够实时获得器件工作时内部结构对应的温度及其变化情况。

实施例1

一种优选地集成式gan器件实时测温系统具体制备工艺流程如图5所示，包括：

1)取样蓝宝石衬底8，并对其表面进行预处理。

2)在衬底之上依次外延生长1μm厚高阻gan缓冲层9、0.5μm厚p型掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3的gan层10、0.2μm厚本征掺杂gan层11、0.2μm厚本征掺杂algan层12；

3)使用感应耦合等离子体(icp)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀外延材料，形成刻蚀台面和台阶。

4)利用原子层沉积(ald)设备，在洁净的刻蚀台阶和台面上淀积20nm厚的氧化铝(al2o3)层13。

5)通过光刻和刻蚀工艺，选择性刻蚀氧化铝(al2o3)层13。

6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积金属电极，通过适当的金属材料选择和退火工艺，使源极金属电极1，漏极金属电极2与gan材料形成良好的欧姆接触，测量薄膜电阻率的第一子金属电极4，测量薄膜电阻率的第二子金属电极5，测量薄膜电阻率的第三子金属电极6和测量薄膜电阻率的第四子金属电极7与ingan材料形成良好的欧姆接触，同时使栅极金属电极3与algan层形成高势垒的肖特基接触。

实施例2

一种优选地集成式gan器件实时测温系统具体制备工艺流程如图6所示，包括：

1)取样蓝宝石衬底8，并对其表面进行预处理。

2)在衬底之上依次外延生长2μm厚高阻gan缓冲层9、1.0μm厚p型掺杂浓度2×10¹⁸cm^-3的gan层10、0.5μm厚本征掺杂gan层11、0.5μm厚本征掺杂algan层12；

3)使用感应耦合等离子体(icp)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀外延材料，形成刻蚀台面和台阶。

4)利用原子层沉积(ald)设备，在洁净的刻蚀台阶和台面上淀积100nm厚的氧化铝(al2o3)层13。

5)通过光刻和刻蚀工艺，选择性刻蚀氧化铝(al2o3)层13。

6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积金属电极，通过适当的金属材料选择和退火工艺，使源极金属电极1，漏极金属电极2与gan材料形成良好的欧姆接触，测量薄膜电阻率的第一子金属电极4，测量薄膜电阻率的第二子金属电极5，测量薄膜电阻率的第三子金属电极6和测量薄膜电阻率的第四子金属电极7与ingan材料形成良好的欧姆接触，同时使栅极金属电极3与algan层形成高势垒的肖特基接触。

实施例3

一种优选地集成式gan器件实时测温系统具体制备工艺流程如图7所示，包括：

1)取样蓝宝石衬底8，并对其表面进行预处理。

2)在衬底之上依次外延生长3μm厚高阻gan缓冲层9、1.5μm厚p型掺杂浓度2.5×10¹⁸cm^-3的gan层10、0.75μm厚本征掺杂gan层11、0.75μm厚本征掺杂algan层12；

3)使用感应耦合等离子体(icp)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀外延材料，形成刻蚀台面和台阶。

4)利用原子层沉积(ald)设备，在洁净的刻蚀台阶和台面上淀积150nm厚的氧化铝(al2o3)层13。

5)通过光刻和刻蚀工艺，选择性刻蚀氧化铝(al2o3)层13。

6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积金属电极，通过适当的金属材料选择和退火工艺，使源极金属电极1，漏极金属电极2与gan材料形成良好的欧姆接触，测量薄膜电阻率的第一子金属电极4，测量薄膜电阻率的第二子金属电极5，测量薄膜电阻率的第三子金属电极6和测量薄膜电阻率的第四子金属电极7与ingan材料形成良好的欧姆接触，同时使栅极金属电极3与algan层形成高势垒的肖特基接触。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。