TWI825498B

TWI825498B - 具有散熱性的功率電晶體

Info

Publication number: TWI825498B
Application number: TW110139114A
Authority: TW
Inventors: 洪瑞華
Original assignee: 國立陽明交通大學
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2023-12-11
Also published as: TW202318671A

Abstract

一種具有散熱性的功率電晶體，包含一半導體磊晶結構、一電極單元、一延伸電極單元、一覆蓋於電極單元上的保護單元，及一覆蓋於保護單元上的散熱單元。該半導體磊晶結構具有一頂面、一底面，及多個穿槽。該電極單元具有形成於頂面且分別對應該等穿槽的源極電極、汲極電極，及閘極電極，且可自相應的穿槽對外裸露。該延伸電極單元填置於穿槽而與相應的電極連接，並延伸至底面以供對外電連接。本案功率電晶體不具有磊晶成長用的磊晶基板，因此在運作時產生的熱可直接自磊晶結構的底面逸散而不受到磊晶基板影響。

Description

具有散熱性的功率電晶體

本發明是有關於一種功率電晶體，特別是指一種具有可提升散熱性的功率電晶體。

隨著技術發展，市場對於功率電晶體的需求越來越高，用以配置在高功率的電子產品。其中，以氮化鎵系為主要構成材料的高電子遷移率晶體電晶體(High electron mobility transistor，HEMT)，憑藉低導通電阻與高崩潰電壓等材料性質而成而備受矚目。

功率電晶體在運作時會伴隨大量的熱產生，為了延長元件使用壽命，業界通常會在該功率電晶體的磊晶基板底面再設置一散熱基板或是散熱片，以協助將電晶體產生的熱自底面排出。然而，由於一般磊晶成長用之基板的散熱性不佳而會阻擋熱自底面排出，因此，隨著功率電晶體往高功率的方向發展時，透過設置散熱基板或散熱片的方式已不足以有效地散熱，容易使該功率電晶體因散熱不佳而導致效能降低甚至元件壽命縮短。

因此，本發明的目的，即在提供一具有散熱性的功率電晶體。

於是，本發明具有散熱性的功率電晶體，包含一半導體磊晶結構、一電極單元、一延伸電極單元、一保護單元，及一散熱單元。

該半導體磊晶結構具有彼此反向的一頂面、一底面、彼此間隔並鄰近該頂面形成的一源極區、一汲極區、一閘極區，及多個自該底面朝向該頂面延伸的穿槽。

該電極單元具有形成於該頂面且分別對應該源極區、該汲極區，及該閘極區的一源極電極、一汲極電極，及一閘極電極，其中，該等穿槽分別對應該源極電極、該汲極電極，及該閘極電極，而令該源極電極、該汲極電極，及該閘極電極可自相應的穿槽對外裸露。

該延伸電極單元具有多個填置於該等穿槽的延伸電極，該等延伸電極分別與相應的該源極電極、該汲極電極，及該閘極電極連接，並延伸至該底面用以對外電連接。

該保護單元由絕緣材料構成，覆蓋該電極單元及自該電極單元之間對外裸露的該半導體磊晶結構的頂面。

該散熱單元由散熱材料構成，覆蓋於該保護單元表面。

此外，本發明的另一目的，即在提供一種具有散熱性的功率電晶體的製作方法。

於是，本發明具有散熱性的功率電晶體的製作方法，包含一提供步驟、一磊晶基板移除步驟、一穿槽形成步驟、一延伸電極形成步驟。

該提供步驟提供一功率電晶體半成品，該功率電晶體半成品包含一磊晶基板、一形成於該磊晶基板表面的磊晶結構、形成於該磊晶結構遠離該磊晶基板一面的一源極區、一汲極區，及一閘極區、一形成於該磊晶結構表面，並與該源極區、該汲極區，及該閘極區連接的電極單元、一覆蓋於該電極單元及自該電極單元對外裸露的該磊晶結構表面，並由絕緣材料構成的保護單元，及一覆蓋該保護單元，由散熱材料構成的散熱單元。

該磊晶基板移除步驟是將該磊晶基板自該磊晶結構移除，令該磊晶結構反向該電極單元的一底面露出。

該穿槽形成步驟是自該磊晶結構的底面且對應該電極單元的位置，將該磊晶結構的部分移除至令該電極單元對外裸露，以形成多個穿槽，而取得一半導體磊晶結構。

該延伸電極形成步驟是於該等穿槽填置導電材料，而形成多個與該電極單元連接並延伸至該半導體磊晶結構的底面的延伸電極，且由該等延伸電極組成可供該電極單元對外電連接的一延伸電極單元。

本發明的功效在於：藉由移除設置於該半導體磊晶結構底面的磊晶基板，使元件運作時產生的熱可自該底面直接逸散，並利用該散熱單元的設置，以及形成在該等穿槽中的該等延伸電極，還能進一步提升該功率電晶體的散熱能力。

200:功率電晶體

300:功率電晶體半成品

20:磊晶結構

2:半導體磊晶結構

21:頂面

22:底面

23:源極區

24:汲極區

25:閘極區

26:穿槽

3:電極單元

31:源極電極

311:接觸墊

312:導電層

32:汲極電極

321:接觸墊

322:導電層

33:閘極電極

331:延伸段

4:延伸電極單元

41:延伸電極

5:保護單元

6:散熱單元

61:散熱層

7:磊晶基板

81:提供步驟

82:磊晶基板移除步驟

83:穿槽形成步驟

84:延伸電極形成步驟

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一俯視示意圖，說明本發明具有散熱性的功率電晶體的一電極單元及多個穿槽的相對位置；圖2是一剖視示意圖，沿圖1的II-II割面線說明該功率電晶體的剖視結構；圖3是一流程圖，說明該功率電晶體的製作方法；圖4是一流程示意圖，輔助圖3說明該功率電晶體的製作方法的一提供步驟；及圖5是一流程示意圖，延續圖4說明該功率電晶體的製作方法。

有關本發明之相關技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。此外，要說明的是，本發明圖式僅為表示元件間的結構及/或位置相對關係，與各元件的實際尺寸並不相關。

參閱圖1與圖2，本發明具有散熱性的功率電晶體200，包含一半導體磊晶結構2、一電極單元3、一延伸電極單元4、一保護單元5，及一散熱單元6。在本實施例中，是以該功率電晶體200為氮化鎵系高電子遷移率電晶體為例，由於氮化鎵本身具有高崩潰電壓與較寬的能隙，有利於在高工作溫度的情況下，降低接面漏電流(Junction leakage current)的產生，而適用於高功率元件。

該半導體磊晶結構2具有彼此反向的一頂面21、一底面22、彼此間隔並鄰近該頂面21形成的一源極區23、一汲極區24、一閘極區25，及多個自該底面22朝向該頂面21延伸的穿槽26。

在本實施例中，是以該半導體磊晶結構2具有自該底面22朝該頂面21依序堆疊的一由氮化鎵(GaN)構成的磊晶緩衝層(buffer layer)、一由氮化鎵(GaN)構成的磊晶通道層(channel layer)、一由氮化鎵鋁(AlGaN)構成的磊晶阻隔層(barrier layer)，及一由氮化鎵(GaN)構成的金屬接觸層(cap layer)為例，該源極區23與該汲極區24彼此間隔地位於該閘極區25的兩側。要說明的是，該半導體磊晶結構2的磊晶積層結構或材料為本技術領域者所知悉，並可依需求設計而有不同的態樣，因此，不以前述或本案圖式為限制。該等穿槽26自該底面22朝該頂面21方向延伸至該頂面21。

該電極單元3具有形成於該半導體磊晶結構2的頂面21並與該磊晶通道層連接且分別對應該源極區23與該汲極區24的一源極電極31、一汲極電極32，及一位於該磊晶覆蓋層上，並對應該閘極區25的閘極電極33。該源極電極31、汲極電極32及該閘極電極33的構成材料選自金屬或合金金屬，且該等電極彼此可為相同或不同材料。該等穿槽26的位置分別對應於該源極電極31、該汲極電極32，及該閘極電極33，而令該源極電極31、該汲極電極32，及該閘極電極33可自相應的穿槽26對外裸露。其中，該源極電極31及該汲極電極32各自具有一與該半導體磊晶結構2成歐姆接觸的接觸墊311、321，及一與該接觸墊311、321連接並向外延伸的導電層312、322。該閘極電極33位於該閘極區25上，並具有一向該閘極區25外延伸的延伸段331。該延伸段331與該閘極區25之間還設置有一介電絕緣層(見圖2)，用以避免該閘極電極33與該半導體磊晶結構2直接接觸。

該等穿槽26自該底面22朝該頂面21方向延伸至該頂面21並各自對應該源極電極31及該汲極電極32的導電層312、322及該閘極電極33的延伸段331，而令該導電層312、322及該延伸段331自該等穿槽26對外裸露。

該延伸電極單元4具有多個填置於該等穿槽26的延伸電極41，該等延伸電極41分別與相應的該源極電極31、該汲極電極32的導電層312、322，及該閘極電極33的延伸段331連接，並延伸至該底面22而可用以對外電連接。

由於本案該功率電晶體200用以對外接合的該等延伸電極41為延伸至同一表面(底面22)上，而有利於該功率電晶體200於後續配置於其它電子構件中。在本實施例中，該延伸電極單元4分別選自金屬或合金金屬，且可與該電極單元3的構成材料相同或不同。

該保護單元5由絕緣材料構成，並覆蓋於該電極單元2及自該電極單元2之間對外裸露的該半導體磊晶結構2的頂面21。在本實施例中，該絕緣材料選自氧化物、氮化物或氮氧化物。

該散熱單元6由散熱材料構成，覆蓋於該保護單元5的表面，並具有至少一散熱層61，且可選自金屬、合金金屬，或含有導熱添加劑的高分子混合物。其中，該導熱添加劑為碳材、氮化物，或氧化物，且該碳材選自石墨、奈米碳管，該導熱添加劑的氮化物選自氮化硼或氮化矽，該氧化物則選自氧化鋁。在本實施例中，是以該散熱單元6具有單一散熱層6，且選自金屬銅為例，但實際實施時，並不以此材料及層數為限。

相較於習知的功率電晶體還具有一設置於半導體磊晶結構底面的磊晶基板，本實施例的功率電晶體200由於已將磊晶基板移除，而使該半導體磊晶結構2的底面22直接對外露出，因此，元件作動時產生的熱可直接自該底面22逸散，進而可避免習知的功率電晶體因存在磊晶基板，且因磊晶基板的散熱性低而有運作時散熱性不佳的問題。此外，由散熱材料構成的該散熱單元6，以及填置於該等穿槽26中且由金屬材料構成的該等延伸電極41，藉由本身良好的散熱性質亦能將該功率電晶體200在運作時產生的熱向外導出，而可進一步提升該功率電晶體200的散熱能力。

參閱圖3，茲將前述該功率電晶體200的該實施例的製作方法說明如下。

該製作方法包含一提供步驟81、一磊晶基板移除步驟82、一穿槽形成步驟83、一延伸電極形成步驟84。

配合參閱圖4，該提供步驟81提供一功率電晶體半成品300，該功率電晶體半成品300包含一磊晶基板7、一形成於該磊晶基板7表面的磊晶結構20、形成於該磊晶結構20且彼此間隔的該源極區23、該汲極區24，介於該源極區23與該汲極區24之間的該閘極區25、分別與該源極區23、該汲極區24及該閘極區25連接的該電極單元3、覆蓋於該電極單元3及自該電極單元3對外裸露的該磊晶結構20表面，並由絕緣材料構成的該保護單元5，以及覆蓋該保護單元5，由散熱材料構成的該散熱單元6。

詳細地說，在本實施例中，該磊晶基板7選自一矽基板。該磊晶結構20是以磊晶成長的方式形成於該磊晶基板7上，且於本實施例中，該磊晶結構20包括自該磊晶基板7上依序磊晶形成，由氮化鎵構成的該磊晶緩衝層、由氮化鎵構成的該磊晶通道層、由氮化鎵鋁構成的該磊晶阻隔層，及由氮化鎵構成的該磊晶覆蓋層。接著，自該該磊晶覆蓋層頂面之彼此間隔的兩個預定位置向下蝕刻至令該磊晶通道層的部分露出，再利用金屬材料以沉積方式於該磊晶通道層露出的表面上形成與該磊晶通道層成歐姆接觸的該接觸墊311、321。然後，於該磊晶覆蓋層表面形成介電絕緣層。之後，利用沉積方式形成與該接觸墊311、321連接並對外延伸的該導電層312、322，而製得該源極電極31及該汲極電極32，利用沉積方式於相應的該介電絕緣層上形成該延伸段331，而製得該閘極電極33。

該保護單元5是以氧化物、氮化物或氮氧化物，並利用沉積或塗佈方式形成而覆蓋於該電極單元3及自該電極單元3之間對外裸露的該磊晶結構20的頂面21。該散熱單元6是以沉積或塗佈方式形成，且可選自金屬、合金金屬，或含有導熱添加劑的高分子混合物。具體的說，當該散熱單元6選自含有導熱添加劑的高分子混合物，是利用塗佈方式形成於該保護單元5上，當該散熱單元6選自金屬或合金金屬時，可先於該保護單元5的表面形成一層極薄的晶種層(圖未示)，再於該晶種層上以沉積方式形成該散熱層61。前述該功率電晶體半成品300的相關結構細節及製程方法已為相關領域者所知悉，故在此不多加贅述。

配合參閱圖5，該磊晶基板移除步驟82是利用蝕刻或研磨方式將該磊晶基板7自該磊晶結構20移除，令該磊晶結構20反相該電極單元3的底面22露出。

該穿槽形成步驟83是自該磊晶結構20的底面22且對應該電極單元3的該導電層312、322及該延伸段331的位置，利用蝕刻方式將該磊晶結構20的部分移除至令該電極單元3對外裸露，以形成該等穿槽26，而得到如圖2所示的該半導體磊晶結構2。

該延伸電極形成步驟84是以導電材料填置於該等穿槽26，而形成與該電極單元3連接並延伸至該半導體磊晶結構2的底面22的該等延伸電極41。在本實施例中，該等延伸電極單元4是利用沉積方式形成，其構成材料選自金屬或合金金屬，且可與該電極單元3的材料相同或不同。

綜上所述，本案功率電晶體200藉由移除設置於該半導體磊晶結構2之底面22的磊晶基板7，使熱可直接經由該底面22逸散，並藉由該散熱單元6，以及形成於該等穿槽26中的該等延伸電極41進一步提升該功率電晶體200的散熱能力，故確實可達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。