半导体开关及半导体器件

技术领域

本申请属于半导体技术领域，尤其涉及一种半导体开关及半导体器件。

背景技术

目前，传统的HEMT(High Electron Mobility Transistor；高电子迁移率晶体管)芯片通常包括用于导电的异质结构层以及用于与外部电路进行焊接的PAD金属，PAD金属通常直接与异质结构层的各个金属电极连接。

由于PAD金属在器件封装或使用过程中，容易因为温度的变化产生较大应力，因此，传统的HEMT芯片的PAD金属通常需要与异质结构层错位放置，避免PAD金属与异质结构层叠放时，PAD金属的应力施加到异质结构层上或者施加到异质结构层上的连接电路上，使异质结构层或电路出现损伤，但这也导致了传统的HEMT芯片需要较大的芯片面积来分别放置异质结构层以及PAD金属。

发明内容

本申请的目的在于提供一种半导体开关及半导体器件，旨在解决传统的氮化镓半导体器件存在的器件面积过大的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种半导体开关，包括：HEMT异质结构层，所述HEMT异质结构层上设有金属电极；应力缓冲层，固定在所述HEMT异质结构层的上侧，与所述金属电极连接；PAD金属层，固定在所述应力缓冲层的上侧，通过所述应力缓冲层与所述金属电极连接。

其中一实施例中，所述应力缓冲层包括柔性金属结构，所述柔性金属结构设置在所述金属电极与所述PAD金属层之间。

其中一实施例中，所述柔性金属结构包括若干由柔性金属构造的若干金属鳍片，各个所述金属鳍片相互平行，且均垂直固定在所述金属电极和所述PAD金属层之间。

其中一实施例中，所述应力缓冲层还包括若干支撑柱，所述支撑柱包裹在所述柔性金属结构内，所述支撑柱的两端分别与所述金属电极和所述PAD金属层连接。

其中一实施例中，各个所述支撑柱的横截面均为正六边形。

其中一实施例中，所述柔性金属结构的材质包括铝或铜；各个所述支撑柱的材质包括二氧化硅或氮化硅。

其中一实施例中，所述HEMT异质结构层包括衬底、沟道层和势垒层；所述衬底、所述沟道层和所述势垒层由下至上依次层叠设置，所述金属电极固定在所述势垒层上。

其中一实施例中，所述金属电极包括栅极电极、源极电极和漏极电极，所述源极电极的上方和所述漏极电极的上方均固定有对应的所述应力缓冲层和所述PAD金属层。

其中一实施例中，所述金属电极还包括若干连接金属层，所述源极电极与对应的所述应力缓冲层之间以及所述漏极电极与对应的所述应力缓冲层之间均设有若干所述连接金属层，所述连接金属层用于多个所述半导体开关之间的相互连接。

本申请实施例的第二方面提供了一种半导体器件，包括逻辑控制电路和多个如上述的半导体开关，所述逻辑控制电路设置在所述应力缓冲层和所述HEMT异质结构层之间，用于电连接各个所述金属电极。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本申请通过在HEMT异质结构层与PAD金属层之间设置的应力缓冲层，可以使HEMT异质结构层、应力缓冲层和PAD金属层依次叠层设置，充分利用PAD金属层下方的空间，减少整体芯片面积，同时提高了该器件PAD金属层下方电路的良率。

附图说明

图1为本申请第一实施例提供的半导体开关的结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的应力缓冲层的横截面图；

图3为本申请另一实施例提供的应力缓冲层的横截面图；

图4为本申请第二实施例提供的半导体开关的结构示意图；

图5为本申请第三实施例提供的半导体器件的结构示意图；

图6为本申请另一实施例提供的半导体器件的结构示意图；

图7为本申请一实施例提供的半导体器件的金属电极的俯视示意图。

上述附图说明：10、半导体开关；100、HEMT异质结构层；110、衬底；120、沟道层；130、势垒层；200、金属电极；210、栅极电极；220、源极电极；230、漏极电极；240、连接金属层；250、导电通孔；260、导电金属柱；300、应力缓冲层；310、柔性金属结构；311、金属鳍片；320、支撑柱；400、PAD金属层；500、逻辑控制电路；20、半导体器件。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1示出了本申请第一实施例提供的半导体开关的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种半导体开关10，包括：HEMT异质结构层100、应力缓冲层300和PAD金属层400。

其中，HEMT异质结构层100上设有金属电极200。应力缓冲层300固定在HEMT异质结构层100的上侧，并与金属电极200连接。PAD金属层400固定在应力缓冲层300的上侧，通过应力缓冲层300与金属电极200连接。

HEMT异质结构层100、应力缓冲层300和PAD金属层400依次层叠设置。通过设置应力缓冲层300可以避免PAD金属层400因温度变化产生的应力施加到HEMT异质结构层100上，从而损坏HEMT异质结构层100。

如图1所示，其中，HEMT异质结构层100包括衬底110、沟道层120和势垒层130。衬底110可以采用碳化硅(SiN)材料，沟道层120的材质可以为氮化镓(GaN)，势垒层130的材质可以为氮化铝镓(AlGaN)。衬底110、沟道层120和势垒层130由下至上依次层叠设置，金属电极200固定在势垒层130上。

具体地，金属电极200包括栅极电极210、源极电极220和漏极电极230，栅极电极210设置在源极电极220和漏极电极230之间。源极电极220的上方和漏极电极230的上方均固定有对应的应力缓冲层300和PAD金属层400。源极电极220与对应的应力缓冲层300和PAD金属层400依次层叠设置，漏极电极230也与对应的应力缓冲层300和PAD金属层400依次层叠设置。

需要说明的是，沟道层120和势垒层130之间会形成二维电子气(Two-dimensionalelectron gas；2DEG)，通过控制栅极电极210上的电压可以控制源极电极220和漏极电极230之间的二维电子气的导通与关断，从而可以控制半导体开关10的导通与关断。由于半导体器件在实际生产时，需要构造PAD金属层400作为焊盘，与外部电路进行焊接，这就会导致PAD金属层400的温度发生较大变化，在PAD金属层400直接设置在HEMT异质结构层100的上侧时，易产生相应的应力并施加到HEMT异质结构层100上。在封装过程中对PAD金属层400施加的压力也可能会损坏HEMT异质结构层100，因此传统的器件的水平面积较大，以将PAD金属层400与HEMT异质结构层100错位设置，避免PAD金属层400直接压在HEMT异质结构层100上。而本实施例则通过应力缓冲层300避免PAD金属层400的应力对HEMT异质结构层100产生影响，从而可以在PAD金属层400的下方构造HEMT异质结构层100或其他电路，减少采用HEMT结构的器件的整体芯片面积，同时也保证了PAD金属层400下方电路的良率。

其中，与栅极电极210也连接有对应的PAD金属层400。栅极电极210与源极电极220和漏极电极230不同的是，与栅极电极210连接的PAD金属层400面积较小，因此既可以采用常规的设计方式使栅极电极210与对应PAD金属层400错位设置并连接，也可以使栅极电极210通过对应的应力缓冲层300与对应的PAD金属层400连接，使得该PAD金属层400垂直设置在栅极电极210的上方。本实施例不对栅极电极210与对应的PAD金属层400之间的连接关系进行限制。

本实施例中，应力缓冲层300包括柔性金属结构310，柔性金属结构310设置在金属电极200与PAD金属层400之间。

具体地，柔性金属结构310的材质包括铝或铜。

柔性金属结构310既可以导电，实现PAD金属层400与对应电极之间的电连接，同时当PAD金属层400施加应力到柔性金属结构310时，柔性金属结构310可以吸收应力，减少HEMT异质结构层100受到的力。

另一实施例中，如图2所示，应力缓冲层300还包括若干支撑柱320，支撑柱320包裹在柔性金属结构310内，支撑柱320的两端分别与金属电极200和PAD金属层400连接。

支撑柱320用于加强应力缓冲层300，避免应力缓冲层300在PAD金属层400的应力下发生较大形变。

具体地，如图2所示，在一示例中，各个支撑柱320的横截面均为正六边形，共有7个支撑柱320均匀设置在柔性金属结构310内。横截面均为正六边形的支撑柱320可以承受较高的水平方向上的应力，而不发生形变。支撑柱320的形状和数量可根据实际需求进行配置。

另一实施例中，各个支撑柱320的横截面均为圆形。

本实施例中，各个支撑柱320的材质包括二氧化硅或氮化硅。二氧化硅和氮化硅的硬度较大，不会轻易发生形变。

如图3所示，另一实施例中，与上述实施例不同的是，柔性金属结构310包括若干由柔性金属构造的若干金属鳍片311，各个金属鳍片311相互平行，且均垂直固定在金属电极200和PAD金属层400之间。通过金属鳍片311可以获得较强的散热效果。

图4示出了本申请第二实施例提供的半导体开关10的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种半导体开关10，包括：HEMT异质结构层100、应力缓冲层300和PAD金属层400。

其中，HEMT异质结构层100包括金属电极200。应力缓冲层300固定在HEMT异质结构层100的上侧，与金属电极200连接。PAD金属层400固定在应力缓冲层300的上侧，通过应力缓冲层300与金属电极200连接。

其中，HEMT异质结构层100包括衬底110、沟道层120和势垒层130。衬底110可以采用碳化硅材料。

衬底110、沟道层120和势垒层130由下至上依次层叠设置，金属电极200固定在势垒层130上侧。

具体地，金属电极200包括栅极电极210、源极电极220和漏极电极230，栅极电极210设置在源极电极220和漏极电极230之间。源极电极220上和漏极电极230上均固定有对应的应力缓冲层300和PAD金属层400。

如图4所示，与上述实施例不同的是，本实施例中，金属电极200还包括若干连接金属层240，源极电极220与对应的应力缓冲层300之间以及漏极电极230与对应的应力缓冲层300之间均设有若干连接金属层240，连接金属层240可以用于多个半导体开关10之间的相互连接。

具体地，各个连接金属层240之间通过导电通孔250连接，连接金属层240与对应的金属电极200之间通过导电金属柱260连接。

具体地，在一示例中，源极电极220和漏极电极230上均设有两个连接金属层240，以源极电极220上的两个连接金属层240为例，其中一个连接金属层240通过导电金属柱260与源极电极220连接，另一个连接金属层240直接固定在应力缓冲层300的下侧并与应力缓冲层300相接触，两个连接金属层240之间通过导电通孔250连接。当多个半导体开关10组合在一起时，各个半导体开关10的连接金属层240之间可以相互连接或通过对应的逻辑电路来相互连接。

由于设置有应力缓冲层300，连接金属层240才可以设置到PAD金属层400的下方，避免PAD金属层400的应力损坏连接金属层240，从而减少使用多个半导体开关10构造电路时的电路的整体水平面积。

需要说明的是，HEMT异质结构层100的上侧可填充隔离材料，并使隔离材料包裹应力缓冲层300，用于固定应力缓冲层300和PAD金属层400。

图5示出了本申请第三实施例提供的半导体器件的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种半导体器件20，包括多个如上述任一实施例的半导体开关10。

其中，半导体开关10包括：HEMT异质结构层100、应力缓冲层300和PAD金属层400。HEMT异质结构层100上设有金属电极200。应力缓冲层300固定在HEMT异质结构层100的上侧，并与金属电极200连接。PAD金属层400固定在应力缓冲层300的上侧，通过应力缓冲层300与金属电极200连接。

如图5所示，在一示例中，共有两个半导体开关10。

如图6所示，另一实施例中，半导体器件20还包括逻辑控制电路500，逻辑控制电路500设置在应力缓冲层300与HEMT异质结构层100之间，逻辑控制电路500用于电连接各个半导体开关10中的金属电极200，以通过逻辑控制电路500对各个半导体开关10进行逻辑控制。

如图6所示，在一示例中，共有两个半导体开关10和一个逻辑控制电路500，两个半导体开关10的金属电极200通过该逻辑控制电路500相互连接。

如图7所示，在一示例中，金属电极200包括栅极电极210、源极电极220和漏极电极230，如图7所示，多个半导体开关10的源极电极220、栅极电极210和漏极电极230依次交替排列在HEMT异质结构层100上，以构成常规的指叉式电极。各个栅极电极210可以分别通过对应的应力缓冲层300与一个PAD金属层400连接，各个源极电极220可以分别通过对应的应力缓冲层300与一个PAD金属层400连接，各个漏极电极230可以分别通过对应的应力缓冲层300与一个PAD金属层400连接。即共有三个PAD金属层400设置在金属电极200的上方，栅极电极210、源极电极220和漏极电极230所连接的PAD金属层400各不相同。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。