[發明專利]一種非均勻柵長GaNHEMT柵極結構及器件

在審

• 申請號: 201710356537.5
• 申請日: 2017-05-19
• 公開（公告）號: CN107195673A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 袁俊;李百泉;倪煒江;張敬偉;李明山;牛喜平;孫安信
• 申請（專利權）人: 北京華進創威電子有限公司
• 主分類號: H01L29/423
• 分類號: H01L29/423;H01L29/20;H01L29/778
• 代理公司: 北京中創陽光知識產權代理有限責任公司11003
• 代理人: 張永革

技術領域

本發明屬于H01L 27/00類半導體器件技術領域，涉及一種新型非均勻柵長GaN器件柵極結構。

背景技術

GaN HEMT器件具有的高頻、高功率密度以及高工作溫度的優點使其成為微波大功率器件以及電力電子器件發展的新方向。基于新型材料GaN研發的功率器件及其功率放大器被廣泛地應用于軍事、民用商業以及消費等領域，特別是對于即將在2020年實現商用的5G技術而言，GaN功放管必將占據重要地位。在軍事領域，毫米波和微波功率放大器應用于雷達、通信以及智能武器系統之中，而在商業領域中，主要將功率放大器用于高速率的通信系統之中以及汽車防撞雷達等。GaN材料的德拜溫度高達700℃以上，遠高于Si和GaAs 材料，從而保證了器件在較高的溫度下具有較低的背景載流子濃度，使得器件具有更高的可工作溫度。但就目前而言由于器件設計或者工藝問題，GaN H EMT功率器件一直沒有能夠突破其高溫可靠性問題，因而在一定程度上嚴重阻礙了其發展和普及。散熱問題制約著GaN HEMT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GaN HEMT器件，自熱效應會導致熱量在器件有源區中心迅速積聚，引起器件性能惡化失效，其高溫失效原理可參閱文獻Manju K C,Sanjiv T.Temperature and polarization dependent polynomial based non-linear analytical model for gate capacitance of AlGaN/GaN和Jeong P,Moo W S,Chin C L,et al.Thermal modeling and measurement of AlGaN-GaN HFETs built on sapphire and SiC substrates[J].以Si作為襯底的GaN HEMT 器件因為成本較低而備受關注，但是因為Si的熱導率很低，導致GaN-On-Si HEMT 器件自熱效應更加嚴重，束縛了其功率特性和應用。SiC材料具有良好的熱導率，以SiC為襯底的GaN HEMT器件自熱效應減輕，但在大功率應用下的高溫可靠性仍然是嚴重的挑戰。

GaN HEMT功率器件的熱量通常都積聚在有源中心區域。研究表明，GaN H EMT處于工作狀態時，其本身將會產生一定量的功率耗散，而這部分耗散功率將會在器件內部產生相應的熱量使得器件的結溫有一個非常明顯的升高，而結溫的提升不僅僅會影響器件的直流工作特性以及微波特性，同時對于GaN HEMT器件本身而言，其熱可靠性也是一個較大的隱患。由器件自熱效應引起的結溫升高將會加速器件的失效。更為嚴重的自熱效應可能會使柵極電極惡化甚至會燒毀芯片與封裝之間的金屬連線。當器件的尺寸變得越來越小，或者是器件的電流密度變得越來越大時，自熱效應現象就會越明顯。有報道顯示，對于GaN HEMT器件，當其電流密度達到26W/mm時，溝道溫度可達200℃，并且隨著耗散功率的增加而升高。因此，要想使得器件更加可靠，就必須要在設計模擬階段將器件的自熱效應考慮進去。大功率GaN器件往往采用多柵極叉指結構，柵極為均勻寬度的線條，與源條及漏條交叉分布。叉指結構能有效平衡器件高頻特性和大功率輸出的矛盾，緩解熱耗散問題，但器件有源區的熱平衡問題仍然嚴重。在柵極中心區域熱耗散難，往往是溫度最高的區域，也是高溫失效發生的起始點。如圖1所示的大功率GaN HEMT器件柵極叉指結構，其熱分布仿真結果如圖2所示，靠近柵極中心區域的溫度會比邊緣高出接近20度以上；這對于器件大功率的實現和可靠性設計是極為不利的。

發明內容

定義：如圖3所示(僅畫出柵極)，HEMT器件的柵極指叉結構橫向長度叫柵長；與此對應柵條的橫向長度，即短邊為柵條長度。柵極指叉結構縱向柵長度叫柵寬；與此對應柵條的縱向長度，即長邊為柵條寬度。這和一般IC里面的柵寬定義不一樣。

本發明的目的在于克服上述已有技術的缺點，提供一種優化的非均勻柵長的GaN HEMT器件柵極結構，以調節有源區域的電流分布，均衡整個器件的熱耗散和熱分布，降低器件柵極中心區域的熱積聚效應，減輕和避免器件有源區域中心由自熱效應引起的提前高溫失效，增長器件的高溫可靠性。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：

一種GaN HEMT器件的柵極結構，所述器件的柵極、源極和漏極采用叉指結構；所述叉指結構中不同位置柵條的長度不相等，通過柵條尺寸變化對2DEG電子氣密度的控制和調節來實現電流密度和熱分布的調控；使得整個器件有緣區域溫度盡量均衡分布。