CN108682663A - 石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构氮化镓基HEMT器件倒装封装结构及方法，该封装结构自下而上依次包括基板、形成于基板上的绝缘介质层、形成于绝缘介质层上的散热层、制备在散热层上的源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘，散热层为石墨烯散热层或碳纳米管散热层；还包括氮化镓基HEMT器件，氮化镓基HEMT器件包括外延层结构和制备在外延层结构上的源电极、漏电极和栅电极；源电极、漏电极和栅电极分别与源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘电连接。本发明利用石墨烯或碳纳米管作为散热层材料，结合倒装封装结构，改善了芯片与散热器的接触，提高热传导面积，大幅降低器件热阻，提升了器件的散热性能和长期工作可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术，尤其涉及一种石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构氮化镓基HEMT器件倒装封装结构及方法。
背景技术
氮化镓材料具有良好的热学性能、电学性能和化学稳定性，其禁带宽度大，击穿电场高，热导率高，耐腐蚀性和抗辐射性强，是制备高频、高温、高压、大功率器件的理想材料。铝镓氮/氮化镓异质结存在极强的压电极化和自发极化效应，在异质结界面形成高浓度的二维电子气(2DEG)，基于铝镓氮/氮化镓异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)在功率和射频器件方面具有广泛的应用前景。
然而，随着氮化镓功率器件功率密度的提升，电子器件在高频大功率领域应用中集成化和小型化，使得单位容积电子器件的总功率密度大幅度提高，功耗大部分转化为热能，器件的自热效应明显，器件的自热效应将导致沟道温度升高，严重影响了器件电学和热学性能的进一步提升，并且降低了器件的可靠性，进而制约了器件应用的广泛开展。例如，对于氮化镓功率器件，其结温每升高10℃，器件的寿命将降低10000小时。
发明内容
本发明主要目的在于，提供一种石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构氮化镓基HEMT器件倒装封装结构及方法，以降低氮化镓器件热阻，提升器件散热性能。本发明是通过如下技术方案实现的：
一种石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构氮化镓基HEMT器件倒装封装结构，所述倒装封装结构自下而上依次包括基板、形成于所述基板上的绝缘介质层、形成于所述绝缘介质层上的散热层、制备在所述散热层上的源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘，所述散热层为石墨烯散热层或碳纳米管散热层；
所述倒装封装结构还包括氮化镓基HEMT器件，所述氮化镓基HEMT器件包括外延层结构和制备在所述外延层结构上的源电极、漏电极和栅电极；
所述源电极、漏电极和栅电极分别与所述源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘电连接。
进一步地，所述外延层结构包括衬底、形成于所述衬底上的氮化镓高阻缓冲层、形成于所述氮化镓高阻缓冲层上的氮化镓高电子迁移率层、形成于所述氮化镓高电子迁移率层上的铝镓氮势垒层，以及形成于所述铝镓氮势垒层上的钝化层；所述源电极、漏电极和栅电极制备在所述铝镓氮势垒层上。
进一步地，所述衬底为碳化硅，蓝宝石或者硅。
进一步地，所述石墨烯散热层为图形化的石墨烯散热层。
进一步地，所述基板为氮化铝或三氧化二铝。
进一步地，所述绝缘介质层为氮化硼。
进一步地，所述电连接为通过焊球焊接。
进一步地，所述源电极为Ti/Al/Ni/Au金属，所述漏电极为Ti/Al/Ni/Au金属，所述栅电极为Ni/Au金属。
一种如上所述的任意一种石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构氮化镓基HEMT器件倒装封装结构的制备方法，包括如下步骤：
制备氮化镓基HEMT器件，所述氮化镓基HEMT器件包括外延层结构和制备在所述外延层结构上的源电极、漏电极和栅电极；
在基板上制备绝缘介质层；
在所述绝缘介质层上制备散热层，所述散热层为石墨烯散热层或碳纳米管散热层；
在所述散热层上制备源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘；
将所述源电极、漏电极和栅电极分别与所述源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘电连接。
进一步地，当所述散热层为石墨烯散热层时，在所述石墨烯散热层上制备源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘之前，还包括对所述石墨烯散热层进行图形化处理的步骤。
与现有技术相比，本发明提供的氮化镓基HEMT器件倒装封装结构，利用石墨烯或碳纳米管作为散热层材料，并结合倒装封装结构，改善了HEMT芯片与散热器的接触，有效提高了热传导面积，从而大幅降低了器件热阻，提升了器件的散热性能，进而提高了器件的长期工作可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的氮化镓基HEMT器件的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例提供的氮化镓基HEMT器件中外延层结构的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例提供的氮化镓基HEMT器件的俯视结构示意图；
图4是图形化处理后的石墨烯散热层上焊盘的分布示意图；
图5是现有技术中正装封装结构器件的剖面结构示意图；
图6是现有技术中正装封装结构器件的热分布仿真示意图；
图7是本发明实施例提供的氮化镓基HEMT器件的热分布仿真示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。
现有氮化镓功率器件所采用的正装封装方式(如图5所示)中，器件热量产生于栅极下面的沟道，热量基本上通过氮化镓层、衬底层和芯片下面的金属层散发到管壳底面，再通过散热器传导到环境中，不能很好地扩散出去，同时现有正装封装方式的氮化镓功率器件中没有采用散热层或者采用的散热层散热性能不佳，从而导致现有氮化镓器件热阻较高，散热性能差，严重影响氮化镓器件的长期工作可靠性。为此，本发明实施例提供了一种氮化镓基HEMT器件倒装封装结构，以降低氮化镓器件热阻，改善其散热性。
如图1所示，本发明实施例提供的一种石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构，倒装封装结构自下而上依次包括基板1、形成于基板1上的绝缘介质层2、形成于绝缘介质层2上的散热层3、制备在散热层3上的源电极焊盘4、漏电极焊盘5和栅电极焊盘10。散热层3为石墨烯散热层3或碳纳米管散热层3，石墨烯和碳纳米管均具有超强的热导系数，是极其优良的散热材料，将其应用到散热层3中能够有效降低器件热阻，提高器件散热性能。
倒装封装结构还包括氮化镓基HEMT器件，氮化镓基HEMT器件包括外延层结构9和制备在外延层结构9上的源电极6、漏电极7和栅电极8。源电极6、漏电极7和栅电极8分别与源电极焊盘4、漏电极焊盘5和栅电极焊盘10电连接。本实施例提供的氮化镓基HEMT器件，利用石墨烯或碳纳米管作为散热层3的材料，并采用倒装封装结构，改善了芯片与散热器的接触，有效提高了热传导面积，从而大幅降低了器件热阻，提升了器件的散热性能。
如图2所示，外延层结构9包括衬底91、形成于衬底91上的氮化镓高阻缓冲层92、形成于氮化镓高阻缓冲层92上的氮化镓高电子迁移率层93、形成于氮化镓高电子迁移率层93上的铝镓氮势垒层94，以及形成于铝镓氮势垒层94上的钝化层95；源电极6、漏电极7和栅电极8制备在铝镓氮势垒层94上。衬底91可为碳化硅，蓝宝石或者硅。电连接为通过焊球11焊接，即源电极6、漏电极7和栅电极8都通过焊球11与源电极焊盘4、漏电极焊盘5和栅电极焊盘10焊接，当然也可采用其他可能的方法，例如键合等。源电极6为Ti/Al/Ni/Au金属，漏电极7为Ti/Al/Ni/Au金属，栅电极8为Ni/Au金属。
当散热层3为石墨烯散热层3时，可采用图形化的石墨烯散热层3。即将石墨烯散热层3进行图形化处理，以实现HEMT器件以倒装方式与基板1自对准粘结。基板1为氮化铝或三氧化二铝。绝缘介质层2为氮化硼，氮化硼膜具有热导率高、坚硬、耐磨等优异特性，沉积在基板1上能够起到很好的散热和保护作用，当然绝缘介质层2也可采用其他现有的已应用于半导体器件的绝缘材料，例如二氧化硅、氮化硅或者氮化铝等。
图5所示为现有的一种典型的氮化镓基HEMT器件正装封装结构，由下至上包括基板1、金锡合金焊料层12、碳化硅衬底91、氮化镓高阻缓冲层92、氮化镓高电子迁移率层93、铝镓氮势垒层94，以及制备在铝镓氮势垒层94上的钝化层95、源电极6、漏电极7和栅电极8。将现有氮化镓基HEMT器件正装封装结构与本发明实施例的氮化镓基HEMT器件倒装封装结构分别进行热分布仿真，结果显示，采用本发明实施例的倒装封装结构时，热量(图7中颜色最浅的区域)很好地通过石墨烯散热层3扩散出去，实现了良好的热传导，而采用现有正装封装结构时，热量(图6中颜色最浅的区域)堆积在栅电极8下面的沟道，不能很好地向下扩散出去。根据实验，当直流耗散功率为13.86W/mm时，现有正装封装结构器件的峰值结温为261.38℃，而本发明实施例的倒装封装结构器件的峰值结温为141.56℃，在相同的耗散功率下，本发明实施例的倒装封装结构器件的峰值结温降低了接近120℃，由此也证实本发明实施例的倒装封装结构能够实现器件的更高效散热，进一步提升器件的长期工作可靠性和稳定性。
上述氮化镓基HEMT器件倒装封装结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：制备氮化镓基HEMT器件，氮化镓基HEMT器件包括外延层结构9和制备在外延层结构9上的源电极6、漏电极7和栅电极8。
步骤B：在基板1上制备绝缘介质层2。具体通过磁控溅射或化学气相沉积法，将氮化硼沉积到氮化铝或三氧化二铝基板1上，形成氮化硼绝缘介质层2。
步骤C：在绝缘介质层2上制备散热层3，散热层3为石墨烯散热层3或碳纳米管散热层3。当散热层3采用石墨烯材料时，通过化学气相沉积的方式在氮化硼绝缘介质层2上生长石墨烯散热层3。
步骤D：在散热层3上制备源电极焊盘4、漏电极焊盘5和栅电极焊盘10。源电极焊盘4、漏电极焊盘5和栅电极焊盘10的位置分布如图4所示。源电极焊盘4、漏电极焊盘5和栅电极焊盘10的材料可为银、金、铝、铜、铬、镍中的一种、多种或其合金，制作金属焊盘可采用蒸发、电镀、金属线植球等工艺。
步骤E：将源电极6、漏电极7和栅电极8分别与源电极焊盘4、漏电极焊盘5和栅电极焊盘10电连接。具体可利用金锡合金等材料的焊球11，通过焊接回流、各向异性导电薄膜加热、施加外力或共晶等方式将源电极6、漏电极7和栅电极8分别与源电极焊盘4、漏电极焊盘5和栅电极焊盘10焊接，实现氮化镓基HEMT器件的倒装封装。
需要指出的是，根据各步骤之间的逻辑关系可以看出，步骤A与步骤B、C、D、E之间不存在逻辑先后关系，因此步骤A可在步骤B、C、D、E之后执行，也可以在步骤B、C、D、E之前执行。当散热层3为石墨烯散热层3时，在石墨烯散热层3上制备源电极焊盘4、漏电极焊盘5和栅电极焊盘10之前，还包括对石墨烯散热层3进行图形化处理的步骤，以实现HEMT器件以倒装方式与基板1自对准粘结，具体可通过反应离子刻蚀等刻蚀方法对石墨烯散热层3进行图形化处理，实现石墨烯散热层3的图形化。图形化后的石墨烯散热层3及其上焊盘的分布如图4所示。
上述各步骤中，步骤A可包括如下步骤：
步骤A1:在衬底91上沉积氮化镓高阻缓冲层92。
步骤A2：在氮化镓高阻缓冲层92上沉积氮化镓高电子迁移率层93。
步骤A3：在氮化镓高电子迁移率层93上沉积铝镓氮势垒层94。
步骤A4：将源电极6和漏电极7制备在铝镓氮势垒层94上；
步骤A5：在铝镓氮势垒层94上沉积钝化层95；
步骤A6：对源电极6与漏电极7之间的钝化层95进行刻蚀，形成栅槽区，并在栅槽区制备栅电极8。
氮化镓高阻缓冲层92、氮化镓高电子迁移率层93、铝镓氮势垒层94和钝化层95均可采用金属有机物化学气相沉积法或磁控溅射等物理气相沉积的方式沉积形成。钝化层95可采用SiNx材料，例如氮化硅SiN等。制备源电极6、漏电极7和栅电极8时，先在铝镓氮势垒层94上制备源电极6和漏电极7，然后在铝镓氮势垒层94上沉积钝化层95，再对源电极6与漏电极7之间的SiNx钝化层进行刻蚀，形成栅槽区，并在栅槽区形成栅电极8。图3所示为氮化镓基HEMT器件的俯视结构示意图，途中黑线为器件的栅指部分。该HEMT器件中，源电极6为Ti/Al/Ni/Au金属，漏电极7为Ti/Al/Ni/Au金属，栅电极8为Ni/Au金属，源电极6、漏电极7和栅电极8的电极金属均可通过电子束蒸发、真空溅射、真空离子镀、真空束流沉积等方式制备。
上述实施例仅为优选实施例，并不用以限制本发明的保护范围，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构，其特征在于，所述倒装封装结构自下而上依次包括基板、形成于所述基板上的绝缘介质层、形成于所述绝缘介质层上的散热层、制备在所述散热层上的源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘，所述散热层为石墨烯散热层或碳纳米管散热层；
所述倒装封装结构还包括氮化镓基HEMT器件，所述氮化镓基HEMT器件包括外延层结构和制备在所述外延层结构上的源电极、漏电极和栅电极；
所述源电极、漏电极和栅电极分别与所述源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘电连接。
2.如权利要求1所述的石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构，其特征在于，所述外延层结构包括衬底、形成于所述衬底上的氮化镓高阻缓冲层、形成于所述氮化镓高阻缓冲层上的氮化镓高电子迁移率层、形成于所述氮化镓高电子迁移率层上的铝镓氮势垒层，以及形成于所述铝镓氮势垒层上的钝化层；所述源电极、漏电极和栅电极制备在所述铝镓氮势垒层上。
3.如权利要求2所述的石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构，其特征在于，所述衬底为碳化硅，蓝宝石或者硅。
4.如权利要求1所述的石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构，其特征在于，所述石墨烯散热层为图形化的石墨烯散热层。
5.如权利要求1所述的石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构，其特征在于，所述基板为氮化铝或三氧化二铝。
6.如权利要求1所述的石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构，其特征在于，所述绝缘介质层为氮化硼。
7.如权利要求1所述的石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构，其特征在于，所述电连接为通过焊球焊接。
8.如权利要求1所述的石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构，其特征在于，所述源电极为Ti/Al/Ni/Au金属，所述漏电极为Ti/Al/Ni/Au金属，所述栅电极为Ni/Au金属。
9.一种如权利要求1-8中任一所述的石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备氮化镓基HEMT器件，所述氮化镓基HEMT器件包括外延层结构和制备在所述外延层结构上的源电极、漏电极和栅电极；
在基板上制备绝缘介质层；
在所述绝缘介质层上制备散热层，所述散热层为石墨烯散热层或碳纳米管散热层；
在所述散热层上制备源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘；
将所述源电极、漏电极和栅电极分别与所述源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘电连接。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，当所述散热层为石墨烯散热层时，在所述石墨烯散热层上制备源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘之前，还包括对所述石墨烯散热层进行图形化处理的步骤。
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