[发明专利]一种背通孔增强散热的氮化镓材料结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种背通孔增强散热的氮化镓材料结构及其制备方法，该结构自下而上依次包括衬底层，成核层，过渡层，缓冲层，沟道层，复合势垒层以及位于复合势垒层上的金属电极；其中，衬底层背面至复合势垒层上设有若干通孔；衬底层背面、通孔的内壁以及底部均设有互联金属层；通孔内还淀积有高热导率材料。本发明提供的背通孔增强散热的氮化镓材料结构由于采用背通孔内淀积高热导率材料的结构，既扩大了高热导率材料层和衬底之间传热的表面积，又通过高热导率材料增强了衬底散热，减小了器件的热阻，从而提高了器件的散热性能。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种背通孔增强散热的氮化镓材料结构及其制备方法。

背景技术

随着微电子技术的发展，以氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料也得到了广泛关注。由于其有更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和较高的电子饱和漂移速度、稳定的化学性能、以及耐高温和抗辐射等物理性质，用氮化镓材料制作电子器件可以进一步减少芯片面积、提高工作频率、提高工作温度、降低导通电阻以及提高击穿电压等，这使得氮化镓材料结构在制备微波器件方面有着巨大的潜力。

由于氮化镓自支撑衬底技术的不成熟，通常在制备氮化镓微波器件时，将氮化镓基的材料主要淀积在异质衬底上，例如硅基、碳化硅基等。然而，受限于价格比较高、尺寸比较小的碳化硅衬底，碳化硅基氮化镓功率器件的成本比较高。而硅基氮化镓器件的热阻比较高，从而散热性能较差，进一步限制了硅基氮化镓微波器件的输出功率密度和效率。目前可用于提高氮化镓微波器件散热性能的方法主要有以下几种：

1、器件裸芯工艺完成后，尽量减薄硅衬底，并将减薄衬底后的器件划片后转移到一个具有高热导率的热沉上。比如“A.Pantellini,A.Nanni,C.Lanzieri,“Thermalbehavior of AlGaN/GaN HEMT on silicon Microstrip technology,”6th EuropeanMicrowave Integrated Circuit Conference,Oct.2011”，提出了一种通过减薄硅衬底提高器件散热性能的方法。然而这种方法的缺点是硅衬底减薄后的工艺操作难度加大，从而导致器件的成品率降低。

2、在硅基氮化镓微波器件的表面上淀积一层高热导率介质材料。比如，“N.Tsurumi,H.Ueno,T.Murata,H.Ishida,Y.Uemoto,T.Ueda,K.Inoue,T.Tanaka,“AlNPassivation Over AlGaN/GaN HFETs for Surface Heat Spreading”,IEEETransactions on Electron Devices,Vol.57,No.5,pp.980-985,May 2010”提出了在氮化镓微波器件的表面上淀积一层氮化铝、“Z.Lin,C.Liu,C.Zhou,Y.Chai,M.Zhou andY.Pei,Improved performance of HEMTs with BN as heat dissipation,2016IEEEInternational Nanoelectronics Conference(INEC),Chengdu,2016,pp.1-2.”提出了在硅基氮化镓微波器件的表面上淀积一层氮化硼、“Marko J.Tadjer,Travis J.Anderson,Karl D.Hobart,Tatyana I.Feygelson,Joshua D.Caldwell,Charles R.Eddy,Jr.,FritzJ.Kub,James E.Butler,Bradford Pate,and John Melngailis,“Reduced self-heatingin AlGaN/GaN HEMTs using nanocrystalline diamond Heat-spreading films”,IEEEelectron device letters,Vol.33.No.1,pp.23-25,Jan.2012”提出了在氮化镓微波器件的表面上淀积一层纳米晶粒金刚石等。这类在氮化镓微波器件的表面上淀积高热导率介质材料的方法存在的缺点是：这些高热导率材料往往会带来额外的应力，影响器件的性能，或者造成器件长期可靠性的降低。