本发明专利技术公开了一种GaN功率器件及其可靠性测试方法。所述GaN功率器件包括主要由依次叠设的第一、第二半导体层组成的异质结，形成在异质结上的薄膜热敏层和相应的栅极、源极和漏极；其中，源极和漏极通过异质结内的二维电子气电连接，从而形成功率器件模块；而薄膜热敏层还与正极、负极电性连接，从而形成温度传感模块。较之现有技术，本发明专利技术可以基于同一基底进行功率器件模块与温度传感模块的同时制备，实现两者的单片集成，获得具有改良结构的GaN功率器件，从而能够更好的达成对GaN功率器件的热管理，显著提高GaN功率器件的工作稳定性和可靠性。
Gan power device and its reliability test method
【技术实现步骤摘要】
GaN功率器件及其可靠性测试方法
本专利技术涉及一种半导体器件，特别涉及一种GaN功率器件及其可靠性测试方法，属于半导体
技术介绍
第三代宽带隙半导体材料—GaN（氮化镓）具有击穿电场高、电子饱和漂移速率高、耐高温、抗辐射能力强等特性，可促进新型功率电子器件的发展，在国防安全、航空航天、5G通信、智能电网、汽车电子、消费类电子等领域有广阔的应用前景。由于极化作用，AlGaN/GaN异质结界面处会形成高浓度的二维电子气（2DEG），基于此结构的高电子迁移率晶体管（HighElectronMobilityTransistor，HEMT）具有工作频率高、击穿电压高，输出电流高的优异特性，是新一代功率器件研究的重点。然而由于目前材料与器件工艺等的限制，GaN功率器件在大功率工作时由于晶格、杂质等散射会形成载流子碰撞、产生高温，并在自热效应的存在下，GaN功率器件的稳定性和可靠性会受到严重影响，可以说，“热”是GaN功率器件的致命影响因素之一。因此对GaN功率器件工作温度的实时监控和瞬态测量有着十分重要的作用。目前已有研究人员提出将一个测试温度的装置和功率器件结合起来，或者一起封装集成起来，在GaN器件工作时能同时显示测温装置所在位置的温度，实现多功能化，但这些方案基本都是简单的封装集成，不能实时监测GaN功率器件的真实温度与瞬态温度。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种GaN功率器件及其可靠性测试方法，从而克服现有技术的不足。为了达到前述专利技术目的，本专利技术采用了以下方案：本专利技术实施例提供了一种GaN功率器件，包括第一半导体层和形成在第一半导体层上的第二半导体层，所述第二半导体层具有宽于第一半导体层的带隙，且与第一半导体层配合形成异质结，所述异质结内形成有二维电子气，所述异质结还与栅极、源极和漏极连接，所述源极和漏极通过所述二维电子气电连接，从而形成功率器件模块；其中，所述第二半导体层上还依次设置有导热绝缘层和薄膜热敏层，所述薄膜热敏层包括图案化过渡层和薄膜热电偶，所述图案化过渡层直接覆盖在导热绝缘层上，所述薄膜热电偶包括第一导电层和连续覆盖第一导电层的第二导电层，所述第一导电层直接形成在图案化过渡层上，并且所述图案化过渡层整体嵌入第一导电层并与第二导电层接触，所述图案化过渡层为由鳞状碳纳米管形成的、厚度为100nm-10μm的薄层，并且所述图案化过渡层具有阵列排布的多个鱼眼形通孔，所述鱼眼形通孔的孔径为0.1μm-5μm，相邻鱼眼形通孔的间据为1μm-5μm，所述薄膜热电偶与正极、负极配合形成温度传感模块，所述温度传感模块是无源器件。在一些实施方式中，所述栅极、源极和漏极暴露在环境中。在一些实施方式中，所述栅极、源极和漏极被所述导热绝缘层及薄膜热敏层掩盖。在一些实施方式中，所述薄膜热敏层由高导热率的热敏材料制成。在一些实施方式中，所述第二半导体层与第一半导体层之间还设置有空间层。在一些实施方式中，所述第二半导体层上还形成有第三半导体层。在一些实施方式中，所述第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层等均由III-V族半导体材料形成。在一些实施方式中，所述薄膜热敏层上还形成有导热钝化层。在一些实施方式中，所述GaN功率器件还包括衬底和形成在衬底上的高阻缓冲层，所述第一半导体形成在所述高阻缓冲层上。本专利技术实施例还提供了一种制作所述GaN功率器件的方法，其包括：于衬底上依次形成高阻缓冲层、第一半导体层、第二半导体层、导热绝缘层和薄膜热敏层，制得薄膜堆叠结构；于所述第二半导体层上制作源极、漏极和栅极，并使所述源极和漏极通过所述二维电子气电连接，从而形成功率器件模块；以及使所述薄膜热敏层与正极、负极电性连接，从而形成温度传感模块。本专利技术实施例还提供了一种制作所述GaN功率器件的方法，其包括：于衬底上依次生长高阻缓冲层、第一半导体层和第二半导体层，形成外延结构；于所述第二半导体层上制作源极、漏极和栅极，并使所述源极和漏极通过所述二维电子气电连接，从而形成功率器件模块；于所述第二半导体上依次设置导热绝缘层和薄膜热敏层，且使所述第二半导体层、源极、漏极和栅极被导热绝缘层掩盖；以及使所述薄膜热敏层与正极、负极电性连接，从而形成温度传感模块。本专利技术实施例还提供了一种半导体器件，包括：衬底，形成于衬底上的且彼此分隔的第一功能单元和第二功能单元，所述第一功能单元和第二功能单元是由直接生长于所述衬底表面的外延层加工形成的独立功能单元，以及设置在所述外延层上的薄膜热敏层；其中，所述外延层包括第一半导体层和形成在第一半导体层上的第二半导体层，所述第二半导体层具有宽于第一半导体层的带隙，且与第一半导体层配合形成异质结，所述异质结内形成有二维电子气；所述第一功能单元上配合设置有第一栅极、第一源极及第一漏极，从而形成第一功率器件模块，所述第一源极与第一漏极通过二维电子气电连接；所述第二功能单元上依次形成有第一导热绝缘层和空穴导电层，所述第二功能单元与空穴导电层、第二栅极、第二源极及第二漏极配合形成第二功率器件模块，第二源极与第二漏极通过二维电子气电连接；所述第一功率器件模块、第二功率器件模块分别为n沟道器件、p沟道器件，所述第一漏极与第二源极电连接形成所述改良半导体器件结构的输出端，所述第一栅极与第二栅极电连接形成所述改良半导体器件结构的输入端；所述薄膜热敏层与第一功率器件模块、第二功率器件模块之间设置有第二导热绝缘层，所述薄膜热敏层还与正极、负极电性连接，从而形成温度传感模块。进一步的，所述温度传感模块是无源器件。进一步的，所述改良半导体器件结构具有功耗更低以及工作稳定性、可靠性更高等优点。本专利技术实施例还提供了前述任一种GaN功率器件的可靠性测试方法，其包括：将所述GaN功率器件中的功率器件单元与匹配的电源连接，并控制栅极电压为-20~20V；以温度传感模块监测所述功率器件单元的工作温度，并在测得的工作温度为25~300℃时，记录栅极漏电流IG；依据In(IG)∝(1000/T)1/3，计算所述功率器件单元的实际工作温度T，将所述实际工作温度T与所述测得的工作温度比对，实现对所述GaN功率器件可靠性的监控与测试。较之现有技术，本专利技术实施例提供的技术方案可以在制备GaN功率器件时，基于同一种基底材料实现功率器件模块与温度传感模块的同时制备，实现两者的单片集成，从而能够更好的达成对GaN功率器件的热管理，显著提高功率器件的工作稳定性和可靠性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例1中一种GaN功率本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种GaN功率器件，包括第一半导体层和形成在第一半导体层上的第二半导体层，所述第二半导体层具有宽于第一半导体层的带隙，且与第一半导体层配合形成异质结，所述异质结内形成有二维电子气，所述异质结还与栅极、源极和漏极连接，所述源极和漏极通过所述二维电子气电连接，从而形成功率器件模块；其特征在于：所述第二半导体层上还依次设置有导热绝缘层和薄膜热敏层，所述薄膜热敏层包括图案化过渡层和薄膜热电偶，所述图案化过渡层直接覆盖在导热绝缘层上，所述薄膜热电偶包括第一导电层和连续覆盖第一导电层的第二导电层，所述第一导电层直接形成在图案化过渡层上，并且所述图案化过渡层整体嵌入第一导电层并与第二导电层接触，所述图案化过渡层为由鳞状碳纳米管形成的、厚度为100nm-10μm的薄层，并且所述图案化过渡层具有阵列排布的多个鱼眼形通孔，所述鱼眼形通孔的孔径为0.1μm-5μm，相邻鱼眼形通孔的间据为1μm-5μm，所述薄膜热电偶与正极、负极配合形成温度传感模块，所述温度传感模块为无源器件。/n
【技术特征摘要】
1.一种GaN功率器件，包括第一半导体层和形成在第一半导体层上的第二半导体层，所述第二半导体层具有宽于第一半导体层的带隙，且与第一半导体层配合形成异质结，所述异质结内形成有二维电子气，所述异质结还与栅极、源极和漏极连接，所述源极和漏极通过所述二维电子气电连接，从而形成功率器件模块；其特征在于：所述第二半导体层上还依次设置有导热绝缘层和薄膜热敏层，所述薄膜热敏层包括图案化过渡层和薄膜热电偶，所述图案化过渡层直接覆盖在导热绝缘层上，所述薄膜热电偶包括第一导电层和连续覆盖第一导电层的第二导电层，所述第一导电层直接形成在图案化过渡层上，并且所述图案化过渡层整体嵌入第一导电层并与第二导电层接触，所述图案化过渡层为由鳞状碳纳米管形成的、厚度为100nm-10μm的薄层，并且所述图案化过渡层具有阵列排布的多个鱼眼形通孔，所述鱼眼形通孔的孔径为0.1μm-5μm，相邻鱼眼形通孔的间据为1μm-5μm，所述薄膜热电偶与正极、负极配合形成温度传感模块，所述温度传感模块为无源器件。
2.根据权利要求1所述的GaN功率器件，其特征在于：所述栅极、源极和漏极暴露在环境中。
3.根据权利要求1所述的GaN功率器件，其特征在于：所述栅极、源极和漏极被所述导热绝缘层及薄膜热敏层掩盖。
4.根据权利要求1所述的GaN功率器件，其特征在于，所述图案化过渡层的设置方法包括：先通过氧等离子体对导热绝缘层表面进行活化处理，再将鳞状碳纳米管薄膜覆盖到导热绝缘层上，并对鳞状碳纳米管薄膜进行掩膜刻蚀而实现图案化处理，之后在空气中于150-250℃低温退火。
5.根据权利要求1所述的GaN功率器件，其特征在于：所述薄膜热敏层表面还形成有厚度为1μm-50μm的导热钝化层，所述导热钝化层表层具有微纳仿生结构，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晓东，魏星，张宝顺，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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