本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種gan器件原位生長石墨烯掩埋電極結(jié)構(gòu)及制備方法。
背景技術(shù)：
作為第三代半導(dǎo)體的杰出代表，氮化鎵(gan)的室溫禁帶寬度為3.45ev，遠大于si和gaas的禁帶寬度，使得其電場擊穿強度比之大了一個數(shù)量級，非常適合制作高耐壓大功率器件。除了很大的禁帶寬度這一優(yōu)勢外，gan還具備很高的電子飽和速度及熱導(dǎo)率，使它十分適合于微波/毫米波大功率應(yīng)用的場合。gan電力電子開關(guān)器件，algan/gan異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管hemt及ganmmic單片微波集成電路(monolithicmicrowaveintegratedcircuits，mmic)在高溫器件及大功率微波器件方面已顯示出了得天獨厚的優(yōu)勢，追求器件高頻率、高壓、高功率吸引了眾多的研究。近年來，制作更高頻率高壓大功率高可靠性能的algan/ganhemt及mmic成為關(guān)注的又一研究熱點。民用商業(yè)以及消費等領(lǐng)域，特別是對于即將在2020年實現(xiàn)商用的5g技術(shù)而言，gan功放管及mmic必將占據(jù)重要地位。但就目前而言，由于器件襯底材料，器件設(shè)計和工藝等問題，ganhemt及mmic的高溫可靠性和高成本在一定程度上嚴重阻礙了其發(fā)展和普及。ganhemt功率器件一直沒有能夠突破其高溫可靠性問題，散熱問題制約著ganhemt功率器件的性能，如功率密度以及效率等。特別是對于大功率ganhemt器件，自熱效應(yīng)會導(dǎo)致熱量在器件有源區(qū)中心迅速積聚，引起器件性能惡化失效。以si作為襯底的ganhemt器件因為成本較低而備受關(guān)注，但是因為si的熱導(dǎo)率很低，導(dǎo)致gan-on-sihemt器件自熱效應(yīng)更加嚴重，束縛了其功率特性和應(yīng)用。sic材料具有良好的熱導(dǎo)率，以sic為襯底的ganhemt器件自熱效應(yīng)減輕，但在大功率應(yīng)用下的高溫可靠性仍然是嚴重的挑戰(zhàn)。同時，sic襯底片十分昂貴，一片四英寸sic襯底片的售價可高達一千美金以上，這不利于gan功率管及mmic在民用商業(yè)以及消費等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。
為了提高器件高溫可靠性，減小器件熱阻，大功率gan器件往往采用背面減薄，背面通孔結(jié)構(gòu)和附加各種高熱導(dǎo)率導(dǎo)熱熱沉。背面通孔結(jié)構(gòu)在2005年由masahirohikita等人提出，稱之為svg(source-viagrounding)，其具體結(jié)構(gòu)可查看文獻m.hikita,m.yanagihara,k.nakazawa,etal.algan/ganpowerhfetonsiliconsubstratewithsource-viagrounding(svg)structure[j].ieeetransctionsonelectrondevices,2005,52(9),pp.1963-1968。該結(jié)構(gòu)通過器件旁邊打孔，用金屬將源極與襯底或背面電極相連。svg結(jié)構(gòu)可以提高器件耐壓，降低器件熱阻，使柵極和溝道區(qū)的熱量能通過svg金屬通孔快速沉降到器件背面基板。但是，背面減薄(往往需要將幾百微米的襯底片從背面研磨減薄到幾十微米)和深通孔的刻蝕，以及使用鍍金工藝填充通孔，一方面工藝復(fù)雜成本高，造成gan功率管和mmic成本高昂；另外，背面減薄和幾十微米深通孔的刻蝕容易造成器件的損傷，使良率和器件可靠性降低。通孔中填充的金在器件溫升劇烈時，由于金的膨脹系數(shù)與gan及襯底材料的差異也容易導(dǎo)致器件受到損傷，可靠性降低。
對于高熱導(dǎo)率熱沉，目前導(dǎo)熱材料在各種工業(yè)領(lǐng)域中均有廣泛的應(yīng)用，但由于熱導(dǎo)率的限制，導(dǎo)熱散熱效果并不理想，限制了器件或者系統(tǒng)的設(shè)計。尤其是在電子產(chǎn)業(yè)中，電子電路設(shè)計的集成化、小型化趨勢越來越明顯，高性能導(dǎo)熱散熱材料的要求也越來越高，需求也越來越大。但是傳統(tǒng)的導(dǎo)熱散熱材料多是以金屬或者石墨為基礎(chǔ)材料進行制造，目前已經(jīng)不能滿足電子產(chǎn)業(yè)對于導(dǎo)熱散熱的需求。
石墨烯材料導(dǎo)熱系數(shù)可高達5300w/m·k，其常溫下其電子遷移率超過15000cm2/v·s，遠高于一般的襯底材料和金屬，為目前世界上已知的熱導(dǎo)率最高的材料，十分適用于對熱導(dǎo)率要求苛刻的領(lǐng)域。石墨烯和aln間晶格失配度為4.5％，以aln作為緩沖成核層，可以在石墨烯上通過mocvd等工藝生長出質(zhì)量很好的gan薄膜。
近年來，采用石墨烯及其復(fù)合材料作為器件電極材料的研究很多，也取得了一定的效果。目前采用的方法大都是先制備出石墨烯或氧化石墨烯，再采用一定方法轉(zhuǎn)移至gan外延片，在轉(zhuǎn)移過程中容易導(dǎo)致石墨烯的破損與雜質(zhì)的引入；同時，石墨烯與gan之間依靠范德華力結(jié)合，容易在后續(xù)的工藝中出現(xiàn)分離或脫落的現(xiàn)象，從而影響器件的性能；除此之外，與現(xiàn)有g(shù)an基器件外延與芯片設(shè)備與工藝不兼容，不具有良好的產(chǎn)業(yè)推廣性。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種gan器件原位生長石墨烯掩埋電極結(jié)構(gòu)，其有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題；本發(fā)明的另一目的在于提供一種gan器件原位生長石墨烯掩埋電極結(jié)構(gòu)的制備方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種gan器件原位生長石墨烯掩埋電極結(jié)構(gòu)，所述電極結(jié)構(gòu)包括襯底和依次向上生長的aln成核層、gan緩沖層和器件外延構(gòu)造層；其中，所述襯底和所述aln成核層之間從下至上還依次生成有aln隔離層、金屬催化層和石墨烯掩埋散熱層；所述石墨烯掩埋散熱層與源極通過金屬連接，與背板和熱沉通過金屬連接。
進一步，所述襯底由si、sic或者藍寶石中的一種材料制成。
一種制備gan器件原位生長石墨烯掩埋電極結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括如下步驟：
1)放置襯底，在襯底片上生長一層aln隔離層；
2)在所述aln隔離層上通過ald工藝淀積生長一層金屬催化層，然后直接在所述金屬催化層上通過cvd工藝生長一層石墨烯掩埋散熱層；
3)在所述石墨烯掩埋散熱層上依次淀積生長aln成核層，gan緩沖層和器件外延構(gòu)造層；
4)再進行g(shù)an器件的常規(guī)制作工藝；
5)器件正面刻孔到石墨烯掩埋層下的金屬催化層；用金屬將正面所需引出的電極與石墨烯掩埋散熱層相連，并與金屬催化層固定連接，使石墨烯掩埋散熱層和電極相互結(jié)合形成復(fù)合掩埋電極；
6)整個器件有源區(qū)邊緣刻蝕露出石墨烯掩埋散熱層，并用金屬與器件背面相連，并將連接用金屬燒結(jié)到背板和熱沉上。
進一步，所述石墨烯掩埋散熱層的厚度為1-20層石墨烯單層。
進一步，所述金屬催化層的材質(zhì)為au、cu、pt、ni或ti。
進一步，所述aln成核層的厚度為1-100nm。
進一步，步驟5)和步驟6)中連接用金屬由au、ag、cr、pt、ni、ti、rh和zn中的任意一種或者多種金屬的合金材料制成。
進一步，步驟6)中用錫金焊膏或納米銀焊膏將連接用金屬燒結(jié)到背板和熱沉上。
本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：
本發(fā)明的新型器件結(jié)構(gòu)避免了背面深孔刻蝕的復(fù)雜工藝，可以實現(xiàn)正面直接源接地，同時利用石墨烯優(yōu)越的熱導(dǎo)率迅速將器件有源區(qū)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)走，可以有助于實現(xiàn)大功率gan器件，增長器件的高溫可靠性。
附圖說明
圖1為本發(fā)明增強型gan基高電子遷移率晶體管材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面，參考附圖，對本發(fā)明進行更全面的說明，附圖中示出了本發(fā)明的示例性實施例。然而，本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本發(fā)明全面和完整，并將本發(fā)明的范圍完全地傳達給本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。
如圖1所示，本發(fā)明提供了一種gan器件原位生長石墨烯掩埋電極結(jié)構(gòu)，該電極結(jié)構(gòu)包括襯底3和依次向上生長的aln成核層7、gan緩沖層和器件外延構(gòu)造層8；其中，襯底3和aln成核層7之間從下至上還依次生成有aln隔離層4、金屬催化層5和石墨烯掩埋散熱層6；石墨烯掩埋散熱層6與源極通過金屬連接，與背板和熱沉1通過金屬連接；圖中標(biāo)號2表示外圍金屬au。
襯底3由si、sic或者藍寶石中的一種材料制成。gan器件由半導(dǎo)體材料gan外延片或單晶片制成。
本發(fā)明還提供了一種制備gan器件原位生長石墨烯掩埋電極結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括如下步驟：
1)放置襯底3，在襯底3片上生長一層aln隔離層4；襯底3由si、sic或者藍寶石中的一種材料制成；
2)在aln隔離層4上通過ald工藝淀積生長一層金屬催化層5，金屬催化層5可以選用au、cu、pt、ni、ti等，然后直接在金屬催化層5上通過cvd工藝生長一層石墨烯掩埋散熱層6；石墨烯掩埋散熱層6的厚度為1-20層石墨烯單層；金屬催化層上cvd生長石墨烯的工藝已經(jīng)十分常見，此處不做詳述；
3)在石墨烯掩埋散熱層6上依次淀積生長aln成核層7，gan緩沖層和器件外延構(gòu)造層8；
4)再進行g(shù)an器件的常規(guī)制作工藝；
5)器件正面刻孔到石墨烯掩埋層下的金屬催化層；用金屬將正面所需引出的電極9(最常用的是引出需要接地的電極)與石墨烯掩埋散熱層6相連，通過刻蝕出的石墨烯薄膜層貫穿的孔道，使電極9穿過石墨烯掩埋散熱層6的孔道并與金屬催化層5固定連接，形成石墨烯掩埋散熱層6的焊盤，使石墨烯掩埋散熱層6固定結(jié)合在金屬催化層5和襯底3上，使石墨烯掩埋散熱層6和電極9相互結(jié)合形成復(fù)合掩埋電極；
6)整個器件有源區(qū)邊緣刻蝕露出石墨烯掩埋散熱層，并用金屬與器件背面相連，并將連接用金屬燒結(jié)到背板和熱沉上。
其中，aln成核層的厚度為1-100nm。步驟5)和步驟6)中連接用金屬由au、ag、cr、pt、ni、ti、rh和zn中的任意一種或者多種金屬的合金材料制成。步驟6)中用錫金焊膏或納米銀焊膏將連接用金屬燒結(jié)到背板和熱沉上。
上面所述只是為了說明本發(fā)明，應(yīng)該理解為本發(fā)明并不局限于以上實施例，符合本發(fā)明思想的各種變通形式均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。