[发明专利]一种双向散热的纵向氮化镓功率晶体管及其制备方法

说明书

本发明的一种双向散热的纵向氮化镓功率晶体管及其制备方法,属于晶体管制备技术领域。所述的晶体管的结构有硅衬底(1)、导电缓冲层(2)、GaN漂移层(3)、p‑GaN电子阻挡层(4)、GaN沟道层(5)、AlGaN薄势垒层(6)、SiN介质层(7)、本征金刚石层(8)、掺硼金刚石层(9)等；制备方法包括在所述硅衬底(1)上生长AlN/GaN超晶格、沉积GaN、沉积p‑GaN电子阻挡层(4)等步骤。本发明利用超晶格导电缓冲层实现了硅衬底纵向导通GaN功率晶体管，结合薄势垒结构并且利用SiN介质层恢复接入区实现常关型操作。同时基于SiN介质层及硅衬底与金刚石外延生长的兼容性实现了双向散热结构。

技术领域

本发明属于晶体管制备技术领域，特别涉及一种双向散热的纵向导通氮化镓功率晶体管及其制备方法。

背景技术

衬底材料及缓冲层结构的优化使AlGaN/GaN基电子器件近年来展现出明显的进步。AlGaN/GaN异质结结构由于极化效应及GaN和AlGaN之间的能带阶，会在界面处形成高浓度的2DEG沟道。基于异质结结构的横向导通射频器件需要高的切换速度，降低栅漏间距十分必要。大的电流密度被局限在宽度仅为10nm左右的沟道中而产生严重的自热效应。而栅漏间距降低会导致器件与器件热源直接的间距变小，愈发加剧热流密度。而基于AlGaN/GaN异质结的横向二极管及功率晶体管需要处理kW及以上量级的功率等级，同样面临严峻的自热效应。自热效应会损害器件的特性及可靠性，不但会降低器件的输出特性同时产生物理损伤而降低寿命。因此，热管理成为限制器件性能进一步提高及应用的瓶颈问题。

由于沟道及有源区的GaN及AlGaN层很薄，因此从热产生源可以垂直扩散至外界环境。热源和最近的热沉(例如高热导的衬底)之间需要一个低电阻的导热通道。化学气相沉积的多晶金刚石薄膜由于优异的体热导系数是最有优势的热沉材料，尤其是对比传统的GaN外延衬底(Si,6H-SiC及Al₂O₃)。利用金刚石薄膜作为热沉，热阻仅为碳化硅衬底器件的三分之一左右，同时有效的功率密度能提高3倍以上。为了获得最大的热扩散效果，金刚石薄膜必须直接和HEMT器件接触且最好是在顶层AlGaN势垒层上面从而紧邻器件有源区。通过异质外延生长或者衬底剥离键合技术，金刚石热沉已经被广泛采纳在横向导通型功率及射频GaN基器件中。

随着社会发展进步，横向导通型器件的功率处理等级逐渐不能满足现代社会的需求。纵向导通GaN功率电子器件对实现高压大功率电力电子应用有极大优势，但是同时热管理面临的挑战亦更为迫切。然而该领域目前处于起步阶段，关于纵向导通型功率及射频器件热管理相关方案尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于，克服背景技术存在的不足，提供一种双向散热的纵向导通氮化镓功率晶体管，顶层薄势垒有源区利用SiN介质层同时实现接入区沟道恢复及异质外延金刚石热沉薄膜的成核层，并且在底部的硅衬底上异质生长p型掺杂金刚石薄膜实现纵向导电及双向导热。

本发明通过下述技术方案实现：

一种双向散热的纵向氮化镓功率晶体管，结构有硅衬底1，以及从下往上依次生长在衬底1上的导电缓冲层2、GaN漂移层3、p-GaN电子阻挡层4、GaN沟道层5、AlGaN薄势垒层6、SiN介质层7、本征金刚石层8、在硅衬底1另一面生长的掺硼金刚石层9；掺硼金刚石9上还设有漏极电极10，AlGaN薄势垒层6上还设有源极电极12，SiN介质层7上还设有栅电极11。

进一步地，为了更好地实现本发明，所述导电缓冲层2为AlN/GaN超晶格，所述AlN/GaN超晶格中掺杂有锗元素或者硅元素。

进一步地，为了更好地实现本发明，所述硅衬底1上刻蚀有凹槽结构，以降低掺硼金刚石9与器件有源区的距离。

一种双向散热的纵向氮化镓功率晶体管的制备方法，有以下步骤：

S1：准备导电硅衬底1；