一种半导体芯片封装结构制造技术

本发明专利技术提供一种半导体芯片封装结构，该半导体芯片被真空包覆于包覆体中，所述半导体芯片可以是氮化镓晶体管、氮化镓放大器模块或者氮化镓单片微波集成电路，上述氮化镓晶体管由下至上依次包括基片、半导体层和隔离层，该氮化镓晶体管还包括源极、漏极和栅极，所述源极和漏极设置于所述隔离层上且电性连接所述半导体层，所述栅极设置于所述隔离层上，所述栅极位于所述源极和漏极之间。上述氮化镓晶体管真空封装于包覆体中，真空条件下，在器件表面不设置钝化层或者设置很薄的一层钝化层均可以消除所封氮化镓晶体管的电流崩塌效应，同时可以减小所封装氮化镓晶体管的寄生电容。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体芯片封装结构。
技术介绍
第三代半导体氮化镓(GaN)的介质击穿电场远远高于第一代半导体硅(Si)或第 二代半导体砷化镓(GaAs)，高达3MV/cm，使其电子器件能承受很高的电压。同时，氮化镓可 以与其他镓类化合物半导体(III族氮化物半导体)形成异质结结构。由于III族氮化物 半导体具有强烈的自发极化和压电极化效应，在异质结的界面附近，可以形成很高电子浓 度的二维电子气(2DEG)沟道。这种异质结结构也有效的降低了电离杂质散射，因此沟道内 的电子迁移率大大提升。在此异质结基础上制成的氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)能 在高频率导通高电流，并具有很低的导通电阻。这些特性使氮化镓HEMT特别适用于制造高 频的大功率射频器件和高耐压大电流的开关器件。由于二维电子气沟道内的电子有很高的迁移率，所以氮化镓HEMT相对于硅器件 而言，开关速率大大提高。同时高浓度的二维电子气也使得氮化镓HEMT具有较高的电流密 度，适用于大电流功率器件的需要。另外，氮化镓是宽禁带半导体，能工作在较高的温度。 硅器件在大功率工作环境下往往需要额外的降温器件来确保其正常工作，而氮化镓无须这 样，或者对降温要求较低。因此氮化镓功率器件有利于节省空间和成本。可是，氮化镓晶体管射频性能已经受到直流-射频电流崩塌效应的限制，例如，氮 化镓HEMT (高电子迁移率晶体管)遭受着“直流到射频的电流崩塌效应”的影响，此效应按 静态IV (电流-电压)特性和动态(例栅延迟测试)IV特性的差异定义。根据报道，电流 崩塌效应由响应较慢的表面陷阱导致。在先前的技术中，通过使用SiN(氮化硅)钝化来抑 制这这种效应带来的问题，但是SiN沉积对材料表面和沉积条件都很敏感，从而导致很差 的可重复性，这是它的不利之处。例如，使用一种厚绝缘层钝化的方法以减小电流崩塌效应，但是这种方法又带来 其它一些问题。首先，介电常数高于空气或者真空的绝缘钝化层会引入很多的寄生电容；其 次，在绝缘层上均勻可控地刻蚀栅长很短的栅槽(< 200nm)非常困难。目前，常见的一种 解决方案是使用了很薄的SiN钝化层(如2纳米)以减小寄生电容，制造超高频fT(电流 增益截止频率)的HEMT器件；可是，薄的SiN层不足以去除DC-RF电流崩塌效应。从器件 设计的角度来说，在电流崩塌和fT之间折中考虑是一个很困难的问题。现在需要的是，改善制作氮化镓基无电流崩塌效应器件的方法，例如，HEMT(高 电子迁移率晶体管)，尤其是没有SiN钝化的氮化镓HEMT，或者很薄SiN钝化层的氮化镓 HEMT0
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种半导体芯片封装结构，其能有效改善直流_射频电流崩 塌效应。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案一种半导体芯片封装结构，包括半导体芯片和包覆体，所述半导体芯片被真空包 覆于所述包覆体中，所述半导体芯片为氮化镓芯片。所述氮化镓芯片为氮化镓晶体管、氮化镓放大器模块或者氮化镓单片微波集成电路。所述氮化镓晶体管由下至上依次包括基片、半导体层和隔离层，该氮化镓晶体管 还包括源极、漏极和栅极，所述源极和漏极设置于所述隔离层上且电性连接所述半导体层， 所述栅极设置于所述隔离层上，所述栅极位于所述源极和漏极之间。所述包覆体外设置有电性连接对应源极、漏极和栅极的外接端口。所述隔离层上设置有钝化层。所述钝化层的厚度小于20nm。所述氮化镓晶体管还包括设置于所述基片和所述半导体层之间的成核层，所述半 导体层和所述隔离层之间形成异质结，所述半导体层的材料为氮化物半导体材料，所述隔 离层的材料为与所述半导体层的材料形成异质结的半导体材料。所述半导体层和所述隔离层的材料为InxAlyGazN1H (0彡1)；所述钝化 层的材质为SiN、GaN或SiO2,所述基片的材料为蓝宝石、SiC、GaN或Si。所述包覆体中空气的压强小于1. OX 10_2Torr。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点本专利技术一种半导体芯片封装结构，将半导 体芯片真空封装于包覆体中，所述半导体芯片可以是氮化镓晶体管、氮化镓放大器模块或 者氮化镓单片微波集成电路。当采用真空封装的形式，因为电流崩塌效应被降低，可以采用 薄的钝化介质层或者不采用钝化介质层。薄的钝化介质层或者不采用钝化介质层的优点在 于可以降低寄生电容，缺点在于会引起电流崩塌效应。采用真空封装的形式，弥补了这种结 构的缺点，因为器件在真空形式下电流崩塌效应减弱或消失。采用真空封装和薄的钝化介 质层(或者不采用钝化介质层)可以实现没有电流崩塌的超高频氮化镓器件。附图说明图1示出了一种具有2纳米氮化硅钝化层的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管分别 在空气和真空环境下，直流和脉冲电流-电压测量结果的比较图；图2a示出了一种GaN/AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，在空气环境下，直流和脉 冲电流-电压测量结果的比较图；图2b示出了一种GaN/AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，在真空环境下，直流和脉 冲电流-电压测量结果的比较图；图3为真空封装GaN模块的示意图；图4示出了一种高电子迁移率晶体管的横截面示意图及其有限元电场模拟图和 寄生电容与SiN厚度的关系图；图5为本专利技术一种半导体芯片封装结构的示意图。 具体实施例方式下面结合附图对本专利技术优选的实施例进行详细的说明。4图1显示了一种拥有2纳米SiN钝化层的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管在空气 环境下(三角形标记)和真空环境下(正方形标记)的80微秒脉冲电流电压测量结果， 同时显示了直流电流电压测量结果(圆形标记)。其中源_漏电流(IDS)作为源_漏电压 (VDS)的函数，测量直流和80微秒脉冲电流电压对应的栅电压VG从关态(-4V)到0V，步长 为1V(VG = -4, -3，-2，-1,0V)。图1显示了 在空气环境下有很大的直流_射频电流崩塌 效应，可是在真空环境下没有电流崩塌效应。同样的结果也在被其它介质层钝化的器件上观察到，例如，用GaN钝化的器件，如 图2a和图2b所示。图2a和图2b比较了拥有50纳米GaN钝化层的AlGaN/GaN高电子迁 移率晶体管的直流(正方形标记)、80微秒脉冲(菱形标记)和200纳秒脉冲(正方形标 记)的电流电压特性。在空气环境下(图2a)和真空环境下(图2b)，测量了直流、80微秒 脉冲和200纳秒脉冲的电流电压特性，其中源-漏电流IDS作为源-漏电压VDS的函数，栅 电压VG从关态(-5V)到IV，步长为IV (VG = -5，-4，-3，-2，-1,0, IV) 图2a显示了在空 气环境下(压强=1大气压，温度= 297K)很大的直流-射频电流崩塌效应，同时，图2b表 明在真空环境下(压强=1.2Χ10_4Τοπ·，温度=299K)消除了器件的电流崩塌效应。本发 明中，真空环境中压强小于1. OX IO-2Torr时，均能显著的消除器件的电流崩塌效应；在真 空环境中压强小于1. 2X IO-4Torr时，器件的电流崩塌效应会进一步的降低。图1和图2表明在真空环境下可以消除电流崩塌效应。在空气环境下，相对于直 流电流，射频电流严重下降，表现出直流_射频电流崩塌效应。在真空环境下，射频电流略 高于直流电流(由于自热效应减小)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体芯片封装结构，其特征在于：包括半导体芯片和包覆体（９），所述半导体芯片被真空包覆于所述包覆体（９）中，所述半导体芯片为氮化镓芯片。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：范爱民，
申请(专利权)人：范爱民，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]