采用碳纳米管微通道散热器的氮化镓基功率器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种采用碳纳米管微通道散热器的氮化镓基功率器件及其制备方法。该器件包括自下而上分布的基板、绝缘介质层、电极焊盘、GaN基HEMT器件、CNT微通道散热器；所述电极焊盘包括源电极焊盘、漏电极焊盘、栅电极焊盘；所述GaN基HEMT器件包括外延层结构和栅电极、源电极和漏电极；所述GaN基HEMT器件的电极经过电极对准，由所述电极焊盘所述与基板粘合连接，实现倒装的封装结构；在倒装的GaN基HEMT器件的衬底材料上采用CNT微通道散热器作为外界与器件表面的散热通道。本发明专利技术利于降低GaN基HEMT的自热效应，降低器件热阻，进而提升GaN基HEMT在强电场以及高温、大功率下工作时热可靠性。

GaN based power device using carbon nanotube microchannel radiator and preparation method thereof

The invention discloses a GaN based power device adopting a carbon nanotube micro channel radiator and a preparation method thereof. The device consists of a bottom-up substrate, an insulating layer, an electrode pad, a GaN based HEMT device, and a CNT microchannel radiator, which includes a source electrode, a leaky electrode and a gate electrode. The GaN based HEMT device includes an epitaxial layer structure, a gate electrode, a source electrode and a leaky electrode, and a GaN based HEMT. The electrode is aligned with the electrode by the electrode, which is bonded to the substrate by the electrode welding disc to achieve the reverse packaging structure, and the CNT microchannel radiator is used as the heat dissipation channel on the surface of the outside and the surface of the device on the substrate material of the inverted GaN based HEMT device. The invention can reduce the self heat effect of the GaN based HEMT and reduce the thermal resistance of the device, and then improve the thermal reliability of the GaN based HEMT at strong electric field and high temperature and high power.

【技术实现步骤摘要】
采用碳纳米管微通道散热器的氮化镓基功率器件及其制备方法
本专利技术属于半导体微电子
，尤其涉及一种通过碳纳米管微通道散热器提高AlGaN/GaNHEMT倒装器件散热效果的新型结构及其制备方法。
技术介绍
GaN材料具有良好的热学和电学性能和化学稳定性，如宽的禁带宽度，高的击穿电场、高热导率、耐腐蚀和抗辐射等，是制备高频、高温、高压、大功率器件的理想材料。AlGaN/GaN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AlGaN/GaN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。随着器件功率密度的提升，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GaN功率器件，其结温每升高10℃，器件的寿命将降低10000小时。目前GaN功率器件所采用的正装封装方式中，器件热量产生于栅极下面的沟道，热量基本上通过GaN层，衬底层和芯片下面的金属层散发到管壳底面，热流从管壳再通过散热器，传导到环境中。随着GaN器件功率的提升以及长期可靠性工作的需要，对器件的散热提出了更高的要求。因此，采用倒装结构，改善芯片与散热器的接触，增大热传导的面积将降低器件的热阻，提高散热。随着GaN基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，单位体积功耗的提升导致器件结温显著提高以至于失效。因此，迫切需要一种新型有效可靠的封装结构来降低器件的热阻，实现器件的优良散热，进而提升器件的长期可靠性。
技术实现思路
本专利技术针对GaN功率器件正装结构下散热效果不佳，可靠性低等问题，提出一种基于CNT微通道散热器的新型倒装结构及其制备方法，在倒装结构之上采用CNT微通道散热器进行散热，有效降低了AlGaN/GaNHEMT器件峰值结温，提高了器件的电流密度，抑制了器件的电流崩塌效应，进而提高GaN基微波功率器件在大功率、高压条件下工作的稳定性和可靠性。本专利技术的目的是提供一种散热性能更佳、且稳定可靠的封装结构。为了实现本专利技术的目的，所采取的技术方案如下：一种采用CNT微通道散热器的新型倒装结构的GaN基功率器件，包括基板、绝缘介质层、电极焊盘、GaN基HEMT器件、CNT阵列散热器。所述电极焊盘包括源电极焊盘、漏电极焊盘、栅电极焊盘；电极焊盘在覆有绝缘介质层的基板材料之上；所述GaN基HEMT器件包括外延层结构和栅电极、源电极和漏电极；GaN基HEMT器件的电极经过电极对准，由电极焊盘与基板粘合连接，实现倒装的封装结构；在倒装的GaN基HEMT器件的衬底材料上采用CNT微通道散热器作为外界与器件表面的散热通道。所述基板、绝缘介质材料、电极焊盘、GaN基功率器件、CNT微通道散热器自下而上分布。根据本专利技术的实施例，所述基板的材料为AlN或者Al2O3材料。根据本专利技术的实施例，所述基板上的绝缘介质层的材料为DLC(类金刚石)材料。根据本专利技术的实施例，所述基板上的电极焊盘设置在基板上，方便与GaN基HEMT器件上的电极进行连接。根据本专利技术的实施例，所述GaN基HEMT器件材料的外延层结构的外延方法采用金属有机物化学气相沉积方法。根据本专利技术的实施例，所述GaN基HEMT器件衬底为碳化硅衬底、蓝宝石衬底或者Si衬底。根据本专利技术的实施例，所述GaN基HEMT器件外延层分别是GaN高阻缓冲层、GaN高迁移率层、AlGaN势垒层和SiN钝化层。根据本专利技术的实施例，所述CNT微通道散热器，采用碳纳米管在不同基质上定向生长，制备高纯度、高密度、任意分布的自排列CNT阵列，进一步提升器件的散热效果。一种制备上面所述采用碳纳米管微通道散热器的倒装结构的GaN基功率器件的方法，包括以下步骤：1)制备GaN基HEMT器件；2)在基板上沉积绝缘介质层；3)在绝缘介质层上制备电极焊盘；4)将制备的GaN基HEMT器件倒装焊接在基板的上表面，GaN基HEMT器件的源电极、漏电极和栅电极分别于与基板上相应的源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘连接；5)制备定向生长的CNT阵列后，将载有CNT阵列的硅片与倒装结构中GaN基HEMT器件的衬底部分键合在一起。本专利技术针对现有GaNHEMT器件在大功率工作条件下存在散热差，长期工作可靠性低的问题，提出将高热导率的类金刚石和CNT阵列散热器结合芯片的倒装结构来降低器件的热阻，提高散热。正装HEMT芯片热量产生于栅极下面的沟道，热量基本上通过GaN层，衬底层和芯片下面的金属层散发到管壳底面，热流从管壳再通过散热器，传导到环境中。因此，本专利技术采用倒装结构，改善芯片与散热器的接触，增大热传导的面积将降低器件的热阻，匀化热场分布，增大芯片与外界的热量交换的能力，提高散热。为了进一步提高散热的效果，在基板上的绝缘介质材料和焊盘之间的填充材料采用具有高热导率的类金刚石材料可以加速芯片上的热量的传导，此外，在倒装后的衬底材料上采用安装CNT阵列散热器的方法，进一步增大了芯片与外界的热量传导能力。因此，此新型GaN基HEMT器件倒装结构降低了器件的热阻，进而降低器件的峰值热阻，利于提升器件性能和提高器件的长期可靠性。本专利技术中基板上的绝缘材料采用类金刚石膜(DLC)，类金刚石膜有极佳的热导率(600-1200W/mk)，具有12倍于铜的散热性，高材料强度、高抗侵蚀性等显著优点，用于基板上的绝缘散热层，可使基板的热导率提升百倍，且DLC与外延材料较匹配，不会因为热而产生热应力。本专利技术中DLC不仅作为基板上的绝缘材料，同时也作为焊盘之间的填充材料，进一步的增大了散热的面积，来提高器件的热稳定性和长期工作的可靠性。与此同时，本专利技术采用碳纳米管(CNT)微通道散热器作为倒装结构后的散热通道，将进一步提升GaN基功率器件的散热性能。碳纳米管(CNT)具有非常优良的导热性能，高纯度、高密度、任意分布的自排列CNT阵列作为微通道散热器，将有效提高芯片背面与外界之间的热交换能力。因此，为了提高SiC基GaN功率器件的热可靠性，通过在基板上采用DLC材料作为绝缘散热层，起到热传导的作用，同时，通过一定的优化设计，在不影响器件性能的前提下，基于CNT微通道散热器的GaN基HEMT倒装结构，进一步提升了散热的效果，从而提高了器件在高温、高压下工作时的热可靠性。附图说明图1为本专利技术实施例的一种高可靠AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管外延结构示意图。图2为本专利技术实施例的AlGaN/GaN芯片的俯视平面示意图。图3为本专利技术实施例的覆盖有DLC绝缘介质层后的基板上焊盘的分布图。图4为本专利技术实施例的采用CNT微通道散热器后的倒装器件整体结构图。具体实施方式本专利技术涉及一种采用CNT阵列散热器提高AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管散热的新型倒装结构。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。图1示出了本专利技术实施例的一种高可靠AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管外延结构示意图，其包括以下部分：[1]：获知常规AlGaN/GaN器件结构的前提下，芯片的衬底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用碳纳米管微通道散热器的倒装结构的GaN基功率器件，其特征在于，包括自下而上分布的基板、绝缘介质层、电极焊盘、GaN基HEMT器件、CNT微通道散热器；所述电极焊盘包括源电极焊盘、漏电极焊盘、栅电极焊盘；所述GaN基HEMT器件包括外延层结构和栅电极、源电极和漏电极；所述GaN基HEMT器件的电极经过电极对准，由所述电极焊盘所述与基板粘合连接，实现倒装的封装结构；在倒装的GaN基HEMT器件的衬底材料上采用CNT微通道散热器作为外界与器件表面的散热通道。

【技术特征摘要】
1.一种采用碳纳米管微通道散热器的倒装结构的GaN基功率器件，其特征在于，包括自下而上分布的基板、绝缘介质层、电极焊盘、GaN基HEMT器件、CNT微通道散热器；所述电极焊盘包括源电极焊盘、漏电极焊盘、栅电极焊盘；所述GaN基HEMT器件包括外延层结构和栅电极、源电极和漏电极；所述GaN基HEMT器件的电极经过电极对准，由所述电极焊盘所述与基板粘合连接，实现倒装的封装结构；在倒装的GaN基HEMT器件的衬底材料上采用CNT微通道散热器作为外界与器件表面的散热通道。2.根据权利要求1所述的采用碳纳米管微通道散热器的倒装结构的GaN基功率器件，其特征在于，所述基板为AlN或者Al2O3。3.根据权利要求1所述的采用碳纳米管微通道散热器的倒装结构的GaN基功率器件，其特征在于，所述基板之上覆盖类金刚石材料的绝缘介质层，作为散热层。4.根据权利要求3所述的采用碳纳米管微通道散热器的倒装结构的GaN基功率器件，其特征在于，所述类金刚石材料通过化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积方法沉积在基板表面。5.根据权利要求1所述的采用碳纳米管微通道散热器的倒装结构的GaN基功率器件，其特征在于，所述GaN基HEMT器件的外延层结构的外延方法采用金属有机物化学气相沉积方法。6.根据权利要求1所述的采用碳纳米管微通道散热器...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁世博，
申请(专利权)人：北京华碳科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11