基于倒装芯片的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于倒装芯片的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件，其自上而下包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)和Si3N4钝化层(7)。其中AlGaN势垒层的下方为栅极(6)，两侧为漏极(4)和源极(5)；漏极的下方为漏极凸点(8)，源极的下方为源极凸点(9)，漏极凸点和源极凸点下方为AlN基板(10)。本发明专利技术利用AlN材料的热导率高于蓝宝石材料的特性，将蓝宝石衬底置于顶层，将AlN基板置于底层，提高了器件的热可靠性，可用于制作高频大功率集成电路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体器件
，涉及一种AlGaN/GaN异质结结构的高电子迁移率器件，可用于制作高频大功率集成电路。
技术介绍
GaN材料作为第三代半导体材料中的代表，具有许多优良的物理特性。其禁带宽度大，击穿场强高，热导率高，电子饱和速度大。这些特点使其在高温、高频、大功率领域有着十分广阔的应用前景。而AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管作为一种基于GaN材料的器件，也具有非常优异的性能。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管具有高击穿电压，高饱和漂移速度，较小的泄露电流，大电子面密度，高热导率。但在实际应用过程中，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管仍然面临着十分严重的热可靠性问题。在微波大功率应用时，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的自热效应会使器件的结温不断升高，导致有源区载流子迁移率的减少和饱和漂移速度的下降。最终导致出现退化甚至失效。蓝宝石由于其成本低廉，经常被用作高电子迁移率晶体管的衬底材料，但又因为其热导率小，导致自热效应在蓝宝石衬底中尤为严重。传统的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的结构如图1所示。器件由上至下分别由Si3N4钝化层，AlGaN势垒层，GaN缓冲层和衬底组成。这种结构的高电子迁移率晶体管在高压工作时会有比较严重的自热效应，从输出特性曲线上表示为饱和区漏电流的下降，影响器件性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述传统高电子迁移率晶体管结构的不足，提出一种基于倒装芯片的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及制作方法，以有效抑制自热效应，提高漏电流，使器件的输出特性曲线更加平直。本专利技术的技术思路是：通过采用倒装芯片对传统高电子迁移率晶体管器件的正装结构进行改变，并利用AlN材料的热导率高于蓝宝石材料的特性，将高电子迁移率晶体管器件倒焊在AlN基板上，实现器件更高的热可靠性。基于以上技术思路本专利技术的技术方案如下：1.一种基于倒装芯片的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，包括：衬底，GaN缓冲层，AlGaN势垒层，Si3N4钝化层，AlGaN势垒层的两侧为漏极和源极，AlGaN势垒层的下方为栅极，其特征在于：衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、Si3N4钝化层这四者自上而下依次排列，漏极的下方设有漏极凸点，源极的下方设有源极凸点，漏极凸点和源极凸点的下方设有基板。作为优选，凸点高度在5～10μm范围内确定。作为优选，衬底采用蓝宝石，漏极凸点和源极凸点采用Au，基板采用AlN。作为优选，GaN缓冲层的厚度为1.5μm；AlGaN势垒层的厚度为0.03μm。2.一种倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件，其制作步骤主要包括：1)在衬底正面利用金属有机物化学气相淀积生长厚度为1.5μm的GaN缓冲层；2)在GaN缓冲层上利用金属有机物化学气相淀积生长厚度为0.03μm，Al组分为0.3的AlGaN势垒层；3)在AlGaN势垒层上制作掩膜，通过曝光显影形成刻蚀区，利用反应离子刻蚀工艺在刻蚀区刻蚀掉AlGaN势垒层和GaN缓冲层，形成深度为0.5μm的台面；4)在AlGaN势垒层上利用电子束蒸发工艺淀积Ni/Au/Ni多层金属，形成栅极，然后进行退火；5)在AlGaN势垒层的两侧利用电子束蒸发工艺淀积Ti/Al/Mo/Au多层金属，形成源极和漏极，然后进行退火；6)在AlGaN势垒层上利用等离子增强化学气相淀积生长厚度为0.5μm的Si3N4钝化层；7)在Si3N4钝化层上制作掩膜，通过曝光显影形成刻蚀区，利用反应离子刻蚀工艺在刻蚀区刻蚀掉Si3N4钝化层，露出源极和漏极；8)在源极和漏极上电镀制作凸点，并利用倒焊技术将凸点与基板粘合在一起，完成器件的制作。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：1.本专利技术使用倒装芯片，将衬底设置在器件顶层，将AlN基板设置在器件最底层，利用AlN材料的热导率高于蓝宝石材料的特性，有效减少了自热效应，提高了漏电流，使器件的输出特性曲线更加平直，增强了热可靠性；2.本专利技术利用凸点与基板的粘合，实现了器件与基板的直接连接，减小了延迟，减少了寄生效应，提高了器件性能。附图说明图1为现有的高电子迁移率晶体管器件结构示意图；图2为本专利技术的高电子迁移率晶体管器件结构示意图；图3为制备本专利技术高电子迁移率晶体管器件的工艺流程图；图4为本专利技术器件与现有器件的直流输出特性的对比图；图5为本专利技术器件与现有器件的直流转移特性和跨导特性的对比图；图6为本专利技术三个实例的直流输出曲线的对比图。具体实施方案以下结合附图对本专利技术的技术方案和效果做进一步的详细描述。参照图2，本专利技术的器件包括衬底1，GaN缓冲层2，AlGaN势垒层3，漏极4，源极5，栅极6，Si3N4钝化层7，漏极凸点8，源极凸点9和基板10。其中衬底1、GaN缓冲层2、AlGaN势垒层3、Si3N4钝化层7这四者自上而下依次排列，漏极4和源极5位于AlGaN势垒层3的两侧，栅极6位于AlGaN势垒层的下方，漏极凸点8位于漏极4的下方，源极凸点9位于源极5的下方，基板10位于漏极凸点8和源极凸点9下方。所述漏极凸点8和源极凸点9的高度均为5～10μm，所述衬底1，采用蓝宝石材料，所述GaN缓冲层2，其厚度为1.5μm，所述AlGaN势垒层3，其厚度为0.03μm，所述漏极4和源极5采用多层金属Ti/Al/Mo/Au，所述栅极6采用多层金属Ni/Au/Ni，所述漏极凸点8和源极凸点9采用Au材料，所述基板10，采用AlN材料。参照图3，本专利技术器件的制备方法给出以下三种实施例：实施例1，制作源、漏极凸点高度为5μm的倒装芯片结构式AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件。步骤1，生长GaN缓冲层，如图3a。在蓝宝石衬底的正面利用金属有机物化学气相淀积生长厚度为1.5μm的GaN缓冲层，生长的工艺条件如下：三乙基镓为镓源，高纯氨气为氨源；温度为1060℃，压力为90Torr，氢气流量为5000sccm，氨气流量为5000sccm，镓源流量为170μmol/min。步骤2，生长AlGaN势垒层，如图3b。在GaN缓冲层上利用金属有机物化学气相淀积生长厚度为0.03μm，Al组份为0.3的AlGaN势垒层，生长的工艺条件如下：三乙基镓为镓源，三甲基铝为铝源，高纯氨气为氨源；温度为1010℃，压力为80Torr，氢气流量为4300sccm，氨气流量为4300sccm，镓源流量为16μmol/min，铝源流量为3μmol/min。步骤3，刻蚀出台面，如图3c。在AlGaN势垒层上制作掩膜，通过曝光显影形成刻蚀区，利用反应离子刻蚀工艺在刻蚀区刻蚀掉AlGaN势垒层和GaN缓冲层，形成深度为0.5μm的台面，刻蚀的工艺条件如下：反应气体Cl2的流量为5sccm，压力为10mTorr，功率为100W。步骤4，制作栅极，如图3d。4a)在除台面外的AlGaN势垒层表面利用电子束蒸发工艺淀积金属，形成栅极，所淀积的金属为Ni/Au/Ni，厚度分别为0.05μm，0.228μm，0.022μm，淀积的工艺条件如下：真空度为1×10-3Pa，功率为600W，蒸发速率为4b)在温度为500℃的N2环境中退火30s。步骤5，制作源极和漏极，如图3e。5a)在AlGaN势垒层的两侧的台面处利本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于倒装芯片的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，包括：衬底(1)，GaN缓冲层(2)，AlGaN势垒层(3)，Si3N4钝化层(7)，AlGaN势垒层的两侧为漏极(4)和源极(5)，AlGaN势垒层的下方为栅极(6)，其特征在于：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)、Si3N4钝化层(7)这四者自上而下依次排列，漏极的下方设有漏极凸点(8)，源极的下方设有源极凸点(9)，漏极凸点和源极凸点的下方设有基板(10)。所述漏极凸点(8)和源极凸点(9)的高度均为5～10μm。

【技术特征摘要】
1.基于倒装芯片的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，包括：衬底(1)，GaN缓冲层(2)，AlGaN势垒层(3)，Si3N4钝化层(7)，AlGaN势垒层的两侧为漏极(4)和源极(5)，AlGaN势垒层的下方为栅极(6)，其特征在于：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)、Si3N4钝化层(7)这四者自上而下依次排列，漏极的下方设有漏极凸点(8)，源极的下方设有源极凸点(9)，漏极凸点和源极凸点的下方设有基板(10)。所述漏极凸点(8)和源极凸点(9)的高度均为5～10μm。2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，衬底(1)采用蓝宝石，漏极凸点(8)和源极凸点(9)采用Au，基板(10)采用AlN。3.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于GaN缓冲层(2)的厚度为1.5μm；AlGaN势垒层(3)的厚度为0.03μm。4.一种基于倒装芯片的高电子迁移率晶体管制作方法，包括如下步骤：1)在衬底正面利用金属有机物化学气相淀积生长厚度为1.5μm的GaN缓冲层；2)在GaN缓冲层上利用金属有机物化学气相淀积生长厚度为0.03μm，Al组分为0.3的AlGaN势垒层；3)在AlGaN势垒层上制作掩膜，通过曝光显影形成刻蚀区，利用反应离子刻蚀工艺在刻蚀区刻蚀掉AlGaN势垒层和GaN缓冲层，形成深度为0.5μm的台面；4)在AlGaN势垒层上利用电子束蒸发工艺淀积Ni/Au/Ni多层金属，形成栅极，然后进行退火；5)在AlGaN势垒层的两侧利用电子束蒸发工艺淀积Ti/Al/Mo/Au多层金属，形成源极和漏极，然后进行退火；6)在AlGaN势垒层上利用等离子增强化学气相淀积生长厚度为0.5μm的Si...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红侠，刘昌，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61