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技术

技术编号:18660714 阅读:83 留言:0更新日期:2018-08-11 15:35
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及制备方法,采用碳化硅衬底,在衬底上生长一层石墨烯材料,在石墨烯材料上生长氮化镓成核层,在成核层上生长氮化镓高阻缓冲层,在其上生长高迁移率的氮化镓沟道层,在沟道层上生长AlGaN势垒层,两个欧姆接触形成器件的源漏电极,在此之上淀积一薄层氮化硅表面钝化层,在源极和漏极之间将SiNX钝化层刻蚀出槽,然后在其后制作肖特基栅极。本公开可应用于高可靠GaN基微波功率器件领域,有利于降低GaN基HEMT的自热效应,降低界面热阻,进而提升GaN基HEMT在强电场以及高温环境下工作时热可靠性。

AlGaN/GaN high electron mobility transistor with graphene cooling layer and its preparation method

The present invention provides an AlGaN/GaN high electron mobility transistor with graphene heat dissipation layer and a preparation method. A layer of graphene material is grown on a silicon carbide substrate, a gallium nitride nucleation layer is grown on a graphene material, a gallium nitride high resistance buffer layer is grown on the nucleation layer, and a high mobility layer is grown on the substrate. GaN channel layer is used to grow AlGaN barrier layer on the channel layer. The source and drain electrodes of the device are contacted by two ohms. A thin passivation layer on the surface of silicon nitride is deposited on the channel layer. The SiNX passivation layer is etched out of the slot between the source and drain, and then the Schottky gate is fabricated. The present disclosure can be applied to the field of highly reliable GaN-based microwave power devices, which is beneficial to reducing the self-heating effect of GaN-based HEMT, reducing the interface thermal resistance, and thereby improving the thermal reliability of GaN-based HEMT when operating in strong electric field and high temperature environment.

【技术实现步骤摘要】
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
本公开属于半导体
,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。
技术介绍
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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有石墨烯散热层的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管,其特征在于,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AlGaN势垒层上。

【技术特征摘要】
1.一种具有石墨烯散热层的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管,其特征在于,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AlGaN势垒层上。2.如权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管,其特征在于,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。3.如权利要求2所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管,其特征在于,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。4.一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,其特征在于,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。5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括:...

【专利技术属性】
技术研发人员:赵妙刘洪刚张国斌吴宗刚孙兵黄凯亮
申请(专利权)人:中国科学院微电子研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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