一种gan hemt器件的散热结构及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体器件技术领域，具体而言，涉及一种gan hemt器件的散热结构及其制备方法。
背景技术：2.gan具有远高于gaas和si等半导体材料的宽带隙、高击穿场强、高电子饱和速度、耐高压高温等独特优势，微波功率器件最理想的半导体材料，极为适用于固态大功率器件及高频微波器件，在雷达、电子对抗和移动通信等军民领域具有广阔应用前景。
3.然而，当gan hemt器件在大功率下工作时，器件内部产生的热积累效应，热积累效应会导致结温升高，gan hemt器件的输出功率会因为结温的升高而下降，温度越高，器件性能的衰减速度就越快，且功率密度越大，器件的这种输出特性衰减越严重。导致gan hemt器件无法充分发挥其大功率性能优势，同时，gan hemt器件结温的升高也严重影响器件的寿命，结温越高，器件寿命越低。因此，功率器件的热积累问题是限制gan技术应用的技术难题，导致gan hemt器件的性能和可靠性急剧衰退，导致其大功率及耐高温等性能优势未得到充分发挥，因此，gan功率器件的热管理技术研究成为器件开发的关键技术之一。
4.目前gan hemt器件主要采用sic和si衬底，其热导率分别只有390w/m
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k和150w/m
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k。为了改善gan hemt器件的散热能力，已有报道的方法包括采用高导热热沉、基板、高导热胶等热从衬底一侧尽快导出，还包括采用倒装焊工艺在gan hemt表面沉积aln等高热导率的材料，将器件产生的热量从正面传导出去，但均无法解决衬底导热的限制。还有报道采用衬底剥离与替换的方法，如将si，蓝宝石衬底或sic衬底剥离掉，并替换为导热性能更好的金刚石衬底，但该方法技术难度高，技术成熟度差，衬底剥离与替换还需要特殊工艺设备，造成成本上升。
技术实现要素：5.本发明所要解决的技术问题是提供一种gan hemt器件的散热结构及其制备方法。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
7.本发明提供一种gan hemt器件的散热结构，包括外延片，所述外延片的正面设有gan hemt晶圆结构，所述外延片包括外延结构和衬底，所述gan hemt晶圆结构固定于所述外延结构的正面，所述衬底固定在所述外延结构的背面；所述衬底上开设有多个直径为2μm～200μm的深孔结构，每个所述深孔结构内填充有高导热材料。
8.本发明的有益效果在于，将深孔结构开设在衬底上，能够使其内部填充的高导热材料快速的将器件产生的热量从最接近热源的位置传导出去，大大提升散热效率。将深孔结构的径向宽度设置为2μm～200μm，使其为微米级结构，与纳米结构相比，微米级的深孔结构可以避免深孔刻蚀工艺对深孔结构的深宽比的限制，保证了深孔结构的刻蚀的灵活性。
9.本发明还可以通过以下进一步技术方案实施：
10.进一步，所述深孔结构的一端为开口端，并且朝向所述衬底的背面；另一端为截止
端，所述截止端位于所述衬底内，或位于所述衬底与所述外延结构固定的边界处，或位于所述外延结构内。
11.采用上述进一步技术方案的有益效果在于：便于向深孔结构内部填充高导热材料，并使其能够快速的将器件产生的热量从最接近热源的位置传导出去，大大提升散热效率；截止端具有很强的灵活性，使本发明的导热效果不受刻蚀工艺的限制。
12.进一步，所述高导热材料至少覆盖所述深孔结构的所述截止端的内壁及侧壁。
13.采用上述进一步技术方案的有益效果在于：可以使高导热材料迅速有效的散热。
14.进一步，所述外延结构包括algan/gan异质结。
15.采用上述及步技术方案的有益效果在于：algan/gan异质结可以产生二维电子气。
16.进一步，所述algan/gan异质结包括algan势垒层和gan沟道层；所述外延结构由正面至背面依次包括gan帽层、所述algan势垒层、所述gan沟道层、gan缓冲层以及aln成核层。
17.进一步，所述高导热材料的热导率大于或等于1000w/m
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k。
18.采用上述及步技术方案的有益效果在于：使散热结构具有良好的散热效率。
19.进一步，所述衬底的厚度为20μm～200μm。
20.采用上述及步技术方案的有益效果在于：上述厚度的衬底具有良好的散热效果。
21.本发明提供了一种如上述的gan hemt器件的散热结构制备方法，取所述外延片，先在所述外延结构的正面制作所述gan hemt晶圆结构，再在所述衬底的背面刻蚀所述深孔结构，并在所述深孔结构中填充高导热材料。
22.本发明的制备方法的有益效果在于：散热结构是在完成gan hemt晶圆结构的制作后进行，对外延结构及gan hemt晶圆结构不存在任何影响，保证了gan hemt器件性能和可靠性，同时提升了gan hemt器件散热性能。
23.进一步，包括以下步骤：
24.s1)、制作所述gan hemt晶圆结构，并将所述gan hemt晶圆结构固定在所述外延结构的正面；
25.s2)、对所述衬底的背面进行减薄，减薄后，所述衬底的厚度为100μm；
26.s3)、在减薄后的所述衬底的背面制作刻蚀掩膜；
27.s4)、在所述衬底的背面按照所述刻蚀掩膜所在的位置进行刻蚀，得到所述深孔结构；
28.s5)、将高导热材料填充至所述深孔结构中。
29.采用上述进一步技术方案的有益效果在于：散热结构的制备方法完全与传统gan hemt晶圆结构的制备工艺兼容，技术风险小，工艺成本较小。
30.进一步，在所述步骤s1中，将所述gan hemt晶圆结构的正面与承载晶圆连接在一起；在所述步骤s5完成后，将所述gan hemt器件晶圆结构与所述承载晶圆分离。
附图说明
31.图1为本发明的gan hemt器件的散热结构的结构示意图；
32.图2为本发明的gan hemt器件中，外延结构的结构示意图；
33.图3为本发明的gan hemt器件的散热结构制备方法中，gan hemt晶圆结构的正面与承载晶圆临时键合在一起的结构示意图；
34.图4为本发明的gan hemt器件的散热结构制备方法中，实施例1的流程图。
35.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
36.1、外延结构；101、gan帽层；102、algan势垒层；103、gan沟道层；104、gan缓冲层；105、aln成核层；
37.2、衬底；
38.301、深孔结构；302、金属化晶背电极；
39.4、源极；5、漏极；6、栅极；7、钝化层；8、承载晶圆。
具体实施方式
40.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
41.如图1所示，本发明的gan hemt器件的散热结构，包括外延片，外延片的正面固定有gan hemt晶圆结构，外延片包括外延结构1和衬底2，gan hemt晶圆结构固定于外延结构1的正面，衬底2固定在外延结构1的背面；衬底2上开设有多个直径为2μm～200μm的深孔结构301，每个深孔结构301内填充有高导热材料。
42.本发明将深孔结构301开设在衬底2上，能够使其内部填充的高导热材料快速的将器件产生的热量从最接近热源的位置传导出去，大大提升散热效率。将深孔结构301的径向宽度设置为2μm～200μm，使其为微米级结构，与纳米结构相比，微米级的深孔结构301可以避免深孔刻蚀工艺对深孔结构301的深宽比的限制，保证了深孔结构301的刻蚀的灵活性。
43.上述实施例中，优选的，深孔结构301的一端为开口端，并且朝向衬底2的背面；另一端为截止端，截止端位于衬底2内，或位于衬底2与外延结构1固定的边界处，或位于外延结构1内；本发明的深孔结构301的开口端位于衬底2的背面，便于向其内部填充高导热材料；截止端具有很强的灵活性，使本发明的导热效果不受刻蚀工艺的限制。
44.本发明的高导热材料部分的填充在深孔结构301内，或填满深孔结构301，或溢出深孔结构301并覆盖在深孔结构301的开口端周围的衬底2的背面。高导热材料只要能够填充至深孔结构301的截止端，既可以实现散热作用；本发明不对高导热材料的具体填充量进行限定，可以使本发明的散热结构不受技术的限制。
45.本发明所选择的高导热材料的热导率大于或等于1000w/m
·
k，这样的高导热材料的热导率相对于一般的导热材料显著提升，从而大幅改善gan hemt器件在大功率工作条件下的散热效果，提升器件性能、热稳定性和可靠性。
46.上述实施例中，优选的，高导热材料为金刚石、石墨烯、碳纳米管、炭纤维等炭基高导热材料。
47.上述实施例中，优选的，高导热材料的制备方法包括旋涂、涂敷、化学气相沉积、物理气相沉积、外延生长、电弧法、热解法、激光蒸发法等。
48.上述实施例中，优选的，高导热材料的填充始于深孔结构301的截止端、侧壁和衬底2表面，填充厚度2μm～200μm。
49.上述实施例中，优选的，衬底2的厚度范围具体为20μm～200μm，该厚度相较于传统衬底更薄，具有良好的散热性。
50.上述实施例中，优选的，深孔结构301的深度与直径的比例为(1～10):1；深孔结构
301的深度主要根据衬底2的厚度设定，深孔结构301的深度范围可以为20μm～200μm。
51.如图1和2所示，上述实施例中，优选的，外延结构1的结构为al gan/gan异质结，由gan沟道层103与algan势垒层102组成。具体而言，外延结构1的正面至背面依次包括gan帽层101、algan势垒层102、gan沟道层103、gan缓冲层104、aln成核层105。
52.需要说明的是，深孔结构301的截止端虽然可以位于外延结构1内，但具体而言，其可以位于gan缓冲层104内，而不能位于更接近外延结构1正面的gan帽层101、algan势垒层102、gan沟道层103内，以防止深孔结构301对gan hemt器件的功能产生影响。
53.上述实施例中，优选的，gan hemt晶圆结构具体包括源极4、漏极5以及栅极6，这些结构均可采用常规技术中的结构。
54.在本发明的一个实施例中，源极4和漏极5为欧姆接触电极，栅极6为肖特基接触电极。
55.上述实施例中，优选的，gan hemt晶圆结构的正面还设有钝化层7，钝化层7沉积在器件的外延结构1的表面，起到表面钝化和绝缘隔离的作用。
56.上述实施例中，优选的，gan hemt晶圆结构的正面还设有场板，场板可以是栅场板、源场板或漏场板。
57.上述实施例中，优选的，衬底2的材质为sic、si、gan、蓝宝石中的任一种；这些材质具有良好的导热效果。
58.上述实施例中，优选的，衬底2的背面还可以设有金属化晶背电极302。
59.本发明的gan hemt器件的散热结构制备方法，先在外延结构1的正面制作gan hemt晶圆结构，再在衬底2的背面刻蚀深孔结构301，并在深孔结构301中填充高导热材料。
60.本发明的制备方法，是在完成gan hemt晶圆结构的制作后进行，对外延结构1及gan hemt晶圆结构不存在任何影响，保证了gan hemt器件性能和可靠性，同时提升了gan hemt器件散热性能。
61.本发明的制备方法中，外延结构1是在衬底2上通过外延生长技术获得的。由于外延结构1的材料质量对gan hemt的器件的性能至关重要，而外延结构1的材料质量又与高质量的衬底2关系密切，如果在外延结构1生长之前，在衬底2上制作散热结构，势必会破坏衬底2质量，从而影响外延层质量和gan hemt器件的性能。
62.外延生长技术的具体过程为：
63.在衬底2上依次外延生长aln成核层105、gan缓冲层104、gan沟道层103、algan势垒层102、gan帽层等外延层101，其中，gan沟道层103与algan势垒层102组成algan/gan异质结。
64.优选的，在gan沟道层103和algan势垒层102之间可增加一层aln间隔层，以提升在algan/gan异质结界面产生的二维电子气的浓度和限域性。
65.本发明的制备方法包括以下步骤：
66.s1)、在外延结构1的正面制作gan hemt晶圆结构，并将所述gan hemt晶圆结构的正面与承载晶圆8连接在一起。
67.该步骤中，在一定温度下，采用临时键合的方式将gan hemt晶圆结构正面与承载晶圆8临时黏着键合在一起；临时黏着键合主要起到对gan hemt晶圆结构的保护和支撑。
68.s2)、对衬底2的背面进行减薄，减薄后，衬底2的厚度为20μm～200μm。
69.优选的，减薄工艺采用机械研磨减薄或联合抛光工艺消除研磨应力。
70.s3)、在减薄后的所述衬底2的背面制作刻蚀掩膜。
71.具体的，刻蚀掩膜为金属刻蚀掩膜，金属刻蚀掩膜可以为圆形，金属刻蚀掩膜先通过光刻和电子束蒸发或磁控溅射，或联合电镀工艺制备，金属刻蚀掩膜优选采用金属镍。
72.s4)、在衬底2的背面按照刻蚀掩膜所在的位置进行刻蚀，得到深孔结构301；刻蚀的方法为干法刻蚀。
73.具体的，干法刻蚀出的深孔结构301，其截止端可以在衬底2的内部，或在衬底2与外延结构1的边界处，或延伸至gan缓冲层104的内部。
74.其中，深孔结构301的深度根据衬底2减薄后的厚度确定，深孔结构301的深度范围可以为20μm～200μm。
75.s5)、将高导热材料填充至深孔结构301中，高导热材料的填充温度不超过gan hemt晶圆结构与承载晶圆8的临时键合温度，以防止gan hemt晶圆结构脱落。
76.优选的，在步骤s5完成后，在衬底2的背面制备金属化晶背电极302。金属化晶背电极302是通过电子束蒸发或磁控溅射，或联合电镀工艺制备，金属化晶背电极302的材质为可以为钛、镍、铝、钨、铬、金、铂、铜中的一种或多种，优选为钛钨/金。
77.优选的，在所述步骤s5完成后，将gan hemt器件晶圆结构与承载晶圆8分离，分离的方法采用热滑移解键合工艺。
78.需要说明的是，一些gan hemt器件中可以不设置金属化晶背电极302，制备这样的gan hemt器件时，完成步骤s5后，直接将gan hemt器件晶圆结构与承载晶圆8分离。另一些gan hemt器件中设有金属化晶背电极302，那么闲在衬底2的背面制备金属化晶背电极302，再将gan hemt器件晶圆结构与承载晶圆8分离。
79.以下通过具体的实施例对本发明的技术方案进行距离说明：
80.如图3和4所示，采用本发明的制备方法制备带有散热结构的gan hemt器件，具体步骤为：
81.1)准备外延片备用；该外延片包括外延结构1和衬底2；本实施例的衬底2的材质为sic。
82.2)制作gan hemt晶圆结构；完成gan hemt的源极4、漏极5、栅极6、场板、钝化层7的制作及相关的正面工艺；
83.3)将gan hemt晶圆结构正面与承载晶圆8临时黏着键合；该步骤采用临时键合胶，并在250℃下进行，键合后的结构如图3所示。
84.4)对衬底2的背面进行减薄，减薄后，衬底2的厚度为100μm。
85.5)对减薄后的衬底2进行深孔刻蚀；该步骤先制作厚度为5μm的金属刻蚀掩膜，再进行干法刻蚀。
86.深孔结构301的截止端位于衬底2内部，其直径为20μm。
87.6)将高导热材料填充至深孔结构301中；采用低温化学气相沉积金刚石作为高导热材料进行填充，填充始于深孔结构301的底部、侧壁和衬底2表面，填充厚度为10μm。
88.7)在衬底2的背面制备金属化晶背电极302。金属化晶背电极302为钛钨/金。
89.8)将gan hemt器件晶圆结构与承载晶圆8分离，并划片分割，完成制备。
90.本实施例制备得到的gan hemt器件，在大功率下工作时，热积累效应不明显，输出
功率下降幅度很低，能够充分发挥大功率性能优势，而且具有很长的寿命。同时，本实施例的制备方法简单，其制备散热结构的工艺与制备gan hemt器件晶圆结构的常规工艺具有良好的兼容性，大幅度降低了制作成本。
91.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“厚度”、“正面”、“背面”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
92.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
93.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
94.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
95.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种gan hemt器件的散热结构，包括外延片，所述外延片的正面设有gan hemt晶圆结构，其特征在于，所述外延片包括外延结构(1)和衬底(2)，所述gan hemt晶圆结构位于所述外延结构(1)的正面，所述衬底(2)位于所述外延结构(1)的背面；所述衬底(2)上开设有多个直径为2μm～200μm的深孔结构(301)，每个所述深孔结构(301)内填充有高导热材料。2.根据权利要求1所述一种gan hemt器件的散热结构，其特征在于，所述深孔结构(301)的一端为开口端，并且朝向所述衬底(2)的背面；另一端为截止端，所述截止端位于所述衬底(2)内，或位于所述衬底(2)与所述外延结构(1)固定的边界处，或位于所述外延结构(1)内。3.根据权利要求2所述一种gan hemt器件的散热结构，其特征在于，所述高导热材料至少覆盖所述深孔结构(301)的所述截止端的内壁及侧壁。4.根据权利要求1所述一种gan hemt器件的散热结构，其特征在于，所述外延结构(1)包括algan/gan异质结。5.根据权利要求4所述一种gan hemt器件的散热结构，其特征在于，所述algan/gan异质结包括algan势垒层(102)和gan沟道层(103)；所述外延结构(1)正面至背面依次包括gan帽层(101)、所述algan势垒层(102)、所述gan沟道层(103)、gan缓冲层(104)以及aln成核层(105)。6.根据权利要求1～5任意一项所述一种gan hemt器件的散热结构，其特征在于，所述高导热材料的热导率大于或等于1000w/m
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k。7.根据权利要求1～5任意一项所述一种gan hemt器件的散热结构，其特征在于，所述衬底(2)的厚度为20μm～200μm。8.一种如权利要求1～7任意一项所述的gan hemt器件的散热结构制备方法，其特征在于，取所述外延片，先在外延结构(1)的正面制作所述gan hemt晶圆结构，再在衬底(2)的背面刻蚀所述深孔结构(301)，并在所述深孔结构(301)中填充高导热材料。9.根据权利要求8所述一种gan hemt器件的散热结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1)、制作所述gan hemt晶圆结构，并将所述gan hemt晶圆结构固定在所述外延结构(1)的正面；s2)、对所述衬底(2)的背面进行减薄；s3)、在减薄后的所述衬底(2)的背面制作刻蚀掩膜；s4)、在所述衬底(2)的背面按照所述刻蚀掩膜所在的位置进行刻蚀，得到所述深孔结构(301)；s5)、将高导热材料填充至所述深孔结构(301)中。10.根据权利要求9所述一种gan hemt器件的散热结构制备方法，其特征在于，在所述步骤s1中，将所述gan hemt晶圆结构的正面与承载晶圆(8)连接在一起；在所述步骤s5完成后，将所述gan hemt器件晶圆结构与所述承载晶圆(8)分离。
技术总结本发明涉及半导体器件技术领域，具体而言，涉及一种GaN HEMT器件的散热结构及其制备方法。该结构的外延片的正面设有GaN HEMT晶圆结构，外延片包括外延结构和衬底，GaN HEMT晶圆结构固定于外延结构的正面，衬底固定在外延结构的背面；衬底上开设有多个直径为2μm～200μm的深孔结构，每个深孔结构内填充有高导热材料。该方法先在外延结构上面制作GaNHEMT晶圆结构，再在衬底的背面刻蚀深孔结构，并在深孔结构中填充高导热材料。该散热结构具有优异的散热效果，使GaN HEMT能够充分发挥大功率性能优势，而且具有很长的寿命。该方法对晶圆结构不产生影响，与常规工艺具有良好的兼容性，大幅度降低了制作成本。大幅度降低了制作成本。大幅度降低了制作成本。
技术研发人员：董鹏 边旭明 徐浩
受保护的技术使用者：北京无线电测量研究所
技术研发日：2022.03.30
技术公布日：2022/7/5
