一种低损耗的蓝宝石基氮化镓功率器件的制作方法

本技术涉及半导体器件，尤其涉及为一种低损耗的蓝宝石基氮化镓功率器件。

背景技术：

1、蓝宝石基氮化镓功率器件是氮化镓功率器件的一种，其主要特点和使用优势如下：蓝宝石基氮化镓功率器件采用蓝宝石作为衬底材料。蓝宝石衬底具有诸多优势，例如：8英寸大尺寸已普及，有利于降低生产成本。衬底廉价，8英寸蓝宝石衬底成本较低，有利于推广氮化镓功率器件的应用。外延设备要求低，且具备高机械强度与绝缘特性，适用于650v以上高压场景。可克服散热难题，可减薄至50μm，有利于实现大功率输出。耐高压，衬底绝缘，无寄生沟道，超薄外延，在高压应用领域具有显著优势。

2、传统硅基功率器件在高频高压下存在导通损耗大、开关速度慢等问题，蓝宝石衬底因其绝缘性好、成本低而被用于gan外延生长，但现有蓝宝石基gan器件仍存在以下问题：衬底散热能力不足导致热损耗，电极与半导体层接触电阻高，电流分布不均引起局部过热，因此需要一种低损耗的蓝宝石基氮化镓功率器件。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本实用新型目的是提供一种通过优化电极结构、散热路径和材料组合的低损耗蓝宝石基gan功率器件。

2、为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：一种低损耗的蓝宝石基氮化镓功率器件，包括蓝宝石衬底、gan外延层和电极，所述蓝宝石衬底背面设有微沟槽阵列。

3、进一步地，所述微沟槽内填充高导热材料，所述高导热材料为金刚石或石墨烯。

4、进一步地，所述gan外延层包括从下至上依次生长的gan缓冲层、非故意掺杂gan层和algan势垒层。

5、进一步地，所述非故意掺杂gan层中嵌入周期性分布的p型gan柱状阵列。

6、进一步地，所述p型gan柱状阵列的直径为1-5μm，间距为10-20μm。

7、进一步地，所述电极包括源极和漏极，所述源极和漏极为ti/al/ni/au多层金属堆叠。

8、进一步地，所述蓝宝石衬底厚度为200-500μm，所述微沟槽深度为50-100μm，所述微沟槽阵列的间距≤10μm。

9、本实用新型的有益效果：

10、1、本实用新型通过设置蓝宝石衬底背面具有微沟槽阵列，能够显著提高热传导效率，增强器件的散热性能，有效防止因高温导致的性能下降或损坏，微沟槽阵列还能增加衬底与封装材料之间的结合力，提升器件的机械稳定性和可靠性，采用gan外延层，具有优异的电学性能和较高的击穿电压，使得器件在高频、高功率应用中具有出色的表现。

11、2、本实用新型通过设置微沟槽内填充高导热材料，其中高导热材料为金刚石或石墨烯，能够显著提高结构的热传导性能，金刚石和石墨烯作为高热导率材料，能够迅速将热量从热源传导出去，有效散热，避免因高温导致的性能下降或损坏，从而提升整体结构的稳定性和耐用性，这种设计还有助于优化热管理，提高设备的运行效率和可靠性。

12、3、本实用新型通过从下至上依次生长的gan缓冲层、非故意掺杂gan层和algan势垒层，能够显著提升gan器件的性能，gan缓冲层作为底层，能够有效减少外延生长过程中的晶格失配和应力积累，为上层的高质量生长提供稳定的基底，非故意掺杂gan层则具有较低的缺陷密度和优异的电学性能，它作为电子传输的通道，能够确保器件在高速、高功率工作状态下的稳定性和可靠性，而algan势垒层，由于其与非故意掺杂gan层之间的能带差异，能够形成有效的电子势垒，从而限制电子在垂直方向上的运动，提高电子在二维平面内的浓度和迁移率，这不仅增强了器件的电流驱动能力，还优化了器件的阈值电压和跨导等关键参数。

13、4、本实用新型通过设置非故意掺杂gan层中嵌入周期性分布的p型gan柱状阵列的结构，能够显著提高gan基电子器件的性能，周期性分布的p型gan柱状阵列作为载流子的有效通道，优化了载流子的传输路径，降低了电阻，从而提高了器件的导电性能，该结构还有助于提升器件的热稳定性，p型gan柱状阵列与周围的非故意掺杂gan层形成良好的热界面，有效提高了热量的散失效率，降低了器件在工作过程中因过热而导致的性能下降风险，该结构还有利于提高器件的可靠性，p型gan柱状阵列的周期性分布减少了缺陷和位错等晶体缺陷的产生，降低了器件在长时间工作下的退化速率，延长了器件的使用寿命。

14、5、本实用新型通过设置p型gan柱状阵列，其直径为1-5μm，间距为10-20μm，能够显著提高器件的光电转换效率，同时优化电流传输路径，降低电阻损耗，该结构还有助于提升器件的热稳定性和机械强度，延长使用寿命，并便于与其他电子元件的集成和封装。

15、6、本实用新型通过设置源极和漏极为ti/al/ni/au多层金属堆叠结构，多层金属堆叠结构具有良好的导电性能和稳定性，ti层作为粘附层能够增强金属与半导体或其他材料之间的粘附力，al层作为主要导电层，具有较低的电阻率，ni层作为阻挡层能够有效防止au层向其他层扩散，同时提高结构的耐热性，au层则作为表面层，具有良好的抗氧化性和化学稳定性，能够保护内部结构不受外界环境的影响，该多层金属堆叠结构不仅能够提高电极的导电性能和稳定性，还能够延长电极的使用寿命，提高整个器件的可靠性和性能。

16、7、本实用新型通过设置蓝宝石衬底厚度为200-500μm，微沟槽深度为50-100μm，以及微沟槽阵列的间距≤10μm，能够显著提高器件的热传导效率和机械强度，蓝宝石衬底的厚度选择确保了器件的稳定性和耐用性，而微沟槽的深度和间距设计则有效增加了散热面积，提升了散热效率，同时优化了光提取效果，有利于提升器件的整体性能。

1.一种低损耗的蓝宝石基氮化镓功率器件，其特征在于：包括蓝宝石衬底（1）、gan外延层（2）和电极（3），所述蓝宝石衬底（1）背面设有微沟槽阵列；

2.根据权利要求1所述的一种低损耗的蓝宝石基氮化镓功率器件，其特征在于：所述微沟槽内填充高导热材料，所述高导热材料为金刚石或石墨烯。

3.根据权利要求1所述的一种低损耗的蓝宝石基氮化镓功率器件，其特征在于：所述p型gan柱状阵列的直径为1-5μm，间距为10-20μm。

4.根据权利要求1所述的一种低损耗的蓝宝石基氮化镓功率器件，其特征在于：所述电极（3）包括源极和漏极，所述源极和漏极为ti/al/ni/au多层金属堆叠。

5.根据权利要求1所述的一种低损耗的蓝宝石基氮化镓功率器件，其特征在于：所述蓝宝石衬底（1）厚度为200-500μm，所述微沟槽深度为50-100μm，所述微沟槽阵列的间距≤10μm。