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1、第26卷第5期半导体学报Vol.26No.52005年5月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSMay,20053基于FC技术的AlGaN/GaNHEMT陈晓娟刘新宇邵刚刘键和致经汪锁发吴德馨(中国科学院微电子研究所,北京100029)摘要:采用FC技术将管芯倒扣至AlN基板散热的AlGaN/GaNHEMTs,并通过热阻模型分析了FC方式的散热机理.从测试结果看,器件的热阻可大幅降到1419K·mm/W,直流特性明显增加,饱和电流提高33%.表明采用FC技术有效改善了器件散热,而且引入的寄生电感较小,可获得更大输出功率
2、.如果进一步完善频率特性的优化,可以加快FC技术的AlGaN/GaN大功率HEMT器件的实用化进程.关键词:AlGaN/GaN;HEMT;FC;倒扣;热阻EEACC:2570+中图分类号:TN32513文献标识码:A文章编号:025324177(2005)0520990204[3～5]高的性能.1引言本文对FC的散热原理进行了分析,给出了FC形式下的热阻模型,并在国内首次研制出基于FCGaN是新一代的宽禁带半导体材料,具有宽的技术的AlGaN/GaNHEMT器件,对器件进行了直禁带宽度(314eV)、高击穿场强(313MV/cm)以及流和高
3、频测试,采用FC技术后,AlGaN/GaN器件13-2很高的二维电子气浓度(>10cm),因此Al2的热阻显著降低,器件的热效应明显改善.GaN/GaNHEMT显示出大电流、高击穿电压、大功率、高效率及很好的微波性能.国际上对AlGaN/2FC原理与模型GaN器件的讨论非常活跃,GaN器件的最大输出电[1]流已经可以达到211A/mm,最高跨导可以达到FC是一种将有源器件管芯翻转,通过凸点将管[2]525mS/mm,击穿电压在600V以上.SiC衬底芯焊接到另一块基板上的方法,在微波电路领域经下,4GHz微波功率密度最高可达32W/mm,S
4、iC衬常用于有源器件与电路基板的组装,其基本原理如底GaN单指器件fT大于160GHz,蓝宝石衬底fT图1所示.对于AlGaN/GaN微波大功率电路制作,大于110GHz.FC还常用于器件的散热,本实验使用的基板为高热然而,对于在蓝宝石衬底上的GaN器件,尽管导率的AlN陶瓷基板.具有低成本和大晶圆尺寸的优点,但是器件的性能总是要低于前面报道的SiC衬底上的器件.蓝宝石材料热导率较差,使得器件的自热效应非常严重,限制了器件的有效功率容量,同时高的沟道温度使得器件的可靠性降低.目前国际上蓝宝石衬底的Al2GaN/GaN功率器件一般使用倒装(f
5、lip2chip,FC)技术将芯片倒装在AlN(κ=180W/(cm·K))上实现图1FC示意图器件的散热,同时AlN也充当低成本的电路基板,Fig.1SchematicofFCbondingonAlN采用FC技术的GaNFET和电路已经显示出了较3国家重点基础研究发展规划(批准号:2002CB311903)和中国科学院重点创新(批准号:KGCX22SW2107)资助项目陈晓娟女,1979年出生,硕士研究生,从事化合物半导体器件与电路的研究.刘新宇男,1973年出生,研究员,从事化合物半导体器件与电路的研究.2004205202收到,200
6、4212211定稿n2005中国电子学会第5期陈晓娟等:基于FC技术的AlGaN/GaNHEMT991器件热效应会使器件的性能严重恶化,在σ2Ls=dh(4)HEMT器件的模型中往往通过在等效电路的源端σ3串联一个与温度相关的热阻Rth反映热效应对器件其中d为GaN缓冲层厚度;h为金凸点高度;σ2性能的影响.源端热阻对本征器件的漏偏压有负反(116W/(cm·K)),σ2(3W/(cm·K))分别为GaN馈作用,表现为在高直流功率下器件偏压降低,Ids和金凸点的热导率.由(4)式可见Ls与器件的结构出现下降的趋势,这种趋势随着串联热阻的增大
7、而无关,而与器件材料结构和倒扣方式有关.L1=Lg越发严重,且沟道温度随热阻的增大而急剧升高.+Lgs,栅源间距Lgs为116μm,栅长Lg为018μm,L1我们通过热阻模型分析采用FC技术前后器件不会随着FC的引入而改变.Rth3为金凸点热阻,在[6]性能的改善.器件的热阻一般定义为:FC方式下,由于热量散发较快,这项较小,可表示～16hΔTT-T0Rth3=ln/πσ3,Rth1为器件蓝宝石衬底的热影Rth==(1)πLsPIdsVds～响,用蓝宝石热导系数0105W/(cm·K)代替σ3可其中T为热导率κ为定值时的沟道温度,T0为由(
8、3)式得出Rth1.300K,但热导率通常与温度相关,κ(T)=-bT[7]κ(T0)T,沟道温度修正为:3器件工艺与制作0～～T-b(T-T0)1/(1-b)T=[b](2)A
