一种改善氮化镓功率晶体管散热性能的方法技术

本发明专利技术涉及一种提高氮化镓功率晶体管散热性能的方法。目前氮化镓功率晶体管不能同时保证低成本和高散热性。本发明专利技术该方法步骤为：在蓝宝石基底上外延生长氮化镓功率晶体管材料，研制成蓝宝石衬底氮化镓功率晶体管；把研制好的氮化镓功率晶体管正面粘贴在另一个基底载体上，采用溶剂可以溶解的粘结剂；用激光从氮化镓晶体管的背面蓝宝石上照射，使得蓝宝石与氮化镓功率晶体管脱离；分离后的氮化镓功率晶体管粘结在导热性好的材料上；将氮化镓功率晶体管置于溶剂里，粘结剂将被溶剂溶解，基底载体与氮化镓功率晶体管脱离。本发明专利技术在保证良好的外延氮化镓材料和低成本的前提下提高了器件的散热效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种改善微波功率器件性能的方法，具体地说是提高氮化镓功率晶体管散热性能的方法。
技术介绍
随着无线通讯的迅速发展，对高性能射频和微波放大器的要求正日益增加，这些要求包括高频、低噪声、高功率、高效率和高线性度。在过去20多年里，砷化镓微波器件在这一领域一直占有主导和支配地位。然而，对砷化镓器件来说，在高功率和低噪声性能上已经接近它的极限值。为了获得高的功率密度，一种宽带隙、高击穿电压和良好的热性能半导体材料氮化镓开始受到人们的极大关注。与硅和砷化镓材料相比，氮化镓材料有着更优良的电学性能，如氮化镓能带隙Eg(3.4eV)几乎是硅(1.1eV)和砷化镓(1.4eV)的3倍；氮化镓的击穿电场EBr(4MV/cm)是硅(0.57MV/cm)和砷化镓(0.64MV/cm)的7倍；氮化镓的最大工作温度Tmax(700℃)是硅(300℃)和砷化镓(300℃)的2倍多；氮化镓的电子迁移率μ(1500cm2/Vs)也高于硅(700cm2/Vs)，尽管它低于砷化镓(5000cm2/Vs)，但是铝镓氮/镓氮(AlGaN/GaN)异质结形成的二维电子气浓度ns(10～15*1012cm2)是铟铝砷/铟镓砷(InAlAs/InGaAs)(3～5*1012cm2)和铟镓砷/镓砷(AlGaAs/GaAs)(1.5*1012cm2)的3到10倍；同时铝镓氮/镓氮高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaN HEMT)的电子最大速度vp(2.5*107cm/s)和饱和速度vsat(2*107cm/s)也比铟镓砷/镓砷高电子迁移率晶体管(AlGaAs/GaAsHEMT)的电子最大速度vp(2*107cm/s)和饱和速度vsat(0.8*107cm/s)高。正是由于氮化镓材料优良的电学性能使得AlGaN/GaN HEMT成为具有高频、高功率密度、高温、高线性和低噪声器件，使得它成为未来高级通信网络中的放大器、调制器和其它关键器件的主要替代者。在手机基站、汽车、航空和相控阵雷达等军民用领域都有着广泛的应用。比如，目前手机基站中的放大器已经接近其性能的极限，它是采用效率只有10％的硅芯片技术，这就意味着到达晶体管的能量中有90％以热量的形式浪费了，氮化镓晶体管可将基站放大器的效率提高到现在的两倍或三倍，因此可以用较少数量的基站覆盖同样的地区，或者，更可能的情况是，在基站数量不变的情况下提供更高的数据传输速率。由于不再需要强力风扇和校正电路，整个基站有可能缩小到只有小型电冰箱的大小，可以安装在电线杆上，而不必占据电话公司中心局中昂贵的空间。氮化镓晶体管的速度、高功率和耐热性能的组合还使它适合无数的其它应用，例如，汽油电力混合汽车需要用电路将电池中的直流电转换为可驱动电机的交流电，氮化镓晶体管对此类电路非常理想。目前氮化镓高迁移率晶体管(GaN HEMT)的输出功率密度已经超过10W/mm，这相当于砷化镓高迁移率晶体管(GaAs HEMT)输出功率密度的10倍。但是对于不同的基底材料，由于基底的导热率不同，功率密度相异。目前的研究中基底材料主要有蓝宝石、硅和碳化硅等，以它们为基底的的GaN HEMT各有优缺点。由于硅与氮化镓的晶格失配要比碳化硅和蓝宝石与氮化镓的晶格失配大，在硅基上外延生长的氮化镓材料质量差，所以目前氮化镓晶体管大多以碳化硅和蓝宝石为基底材料；碳化硅由于散热性好，所以碳化硅基底的GaNHEMT输出功率密度大，但是碳化硅基底材料生长难度大，价格昂贵。蓝宝石散热差，所以蓝宝石基底的GaN HEMT功率密度低，但是，与碳化硅相比，蓝宝石加工容易，价格低廉。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种改善蓝宝石衬底上氮化镓晶体管散热性的方法。采用这种方法在保证能够得到良好的外延氮化镓材料和低成本的基础上，又能够有好的散热效果。本专利技术方法是对蓝宝石基底上研制氮化镓功率晶体管，采用激光剥离技术把氮化镓功率晶体管从蓝宝石基底上剥离掉，然后再把氮化镓功率晶体管粘贴在散热好的基底材料上。具体步骤是1、在蓝宝石基底上外延生长氮化镓功率晶体管材料，利用微电子加工工艺研制成蓝宝石衬底氮化镓功率晶体管。2、把研制好的氮化镓功率晶体管正面粘贴在另一个基底载体上，采用溶剂(有机或无机溶剂)可以溶解的粘结剂(例如光刻胶、蜡、聚酰亚胺等)。该粘结剂即可以将氮化镓功率晶体管和基底材料容易粘结，又可以通过溶剂溶解掉实现分离。3、用一定波长(100nm到800nm)的激光从氮化镓晶体管的背面蓝宝石上照射，使得蓝宝石与氮化镓功率晶体管脱离。利用蓝宝石禁带宽度(10eV)和氮化镓材料禁带宽度(3.4eV)不同，该波长的光能够穿透蓝宝石无法透过氮化镓，这样在蓝宝石和氮化镓的界面产生高温，使得蓝宝石与氮化镓功率晶体管界面的氮化镓(GaN)分解为Ga和N2，从而导致蓝宝石与GaN分离。4、分离后的氮化镓功率晶体管粘结在导热性好的材料上(例如氮化铝等)。采用的粘结剂要求不溶于溶剂，而且有良好的导热性(例如DM6030HK-SD)。5、将氮化镓功率晶体管置于有机溶剂里，氮化镓功率晶体管与基底载体之间的粘结剂将被溶剂溶解，基底载体与氮化镓功率晶体管脱离。本专利技术中的步骤1的材料生长和器件的研制，以及步骤3的激光剥离技术均为成熟的现有技术。本专利技术中因为蓝宝石基底上外延的GaN材料的质量最好，从而保证了GaN HEMT有良好的直流和小信号交流性能，把GaN HEMT从散热差的蓝宝石基底上剥离后粘贴在散热性好的基底材料(如氮化铝AlN等)上，又使得GaN HEMT器件有良好的大信号特性，提高器件的功率密度。本专利技术在保证良好的外延氮化镓材料和低成本的前提下提高了器件的散热效果。具体实施例方式研制出在蓝宝石衬底上氮化镓高迁移率晶体管(GaN HEMT)，器件的栅长为1μm，栅宽为2×50μm。把研制好的GaN HEMT器件正面粘贴在载体硅片上，用光刻胶为粘接剂，因为光刻胶可以使得器件和基底材料容易粘结又容易分离，即采用有机溶剂丙酮可以把光刻胶溶解；粘接后需要在120度的烘箱中烘15分钟，以保证粘结牢固。用波长为248nm的光在从器件的背面照射，使得蓝宝石与GaN HEMT器件脱离。因为蓝宝石禁带宽度(10eV)和GaN材料禁带宽度(3.4eV)不同，选择波长248nm的光能够穿透蓝宝石无法透过GaN，这样在蓝宝石和GaN的界面产生高温使得GaN热分解，产生Ga和N2，再把样品加热到Ga的熔点(29.78℃)以上，从而导致蓝宝石与GaN分离。分离后的GaN HEMT器件粘结在导热性好AlN材料上。这里采用的粘结剂应具有良好的导热性且要求不溶于有机溶剂，如DM6030HK-SD(导热系数为60W/m.k)。完成上述工艺过程后，把样品放入有机溶剂丙酮里，光刻胶将被丙酮溶解，作为载体的硅片将与器件GaN HEMT脱离。按照以上步骤，获得的氮化镓高迁移率晶体管在保证良好的外延氮化镓材料和低成本的的前提下具有良好的散热效果。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善氮化镓功率晶体管散热性能的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：　　　　（１）在蓝宝石基底上外延生长氮化镓功率晶体管材料，利用微电子加工工艺研制成蓝宝石衬底氮化镓功率晶体管；　　　　（２）把研制好的氮化镓功率晶体管正面粘贴在另一个基底载体上，采用溶剂可以溶解的粘结剂，该粘结剂即可以将氮化镓功率晶体管和基底材料容易粘结，又可以通过溶剂溶解掉实现分离；　　　　（３）用波长１００ｎｍ～８００ｎｍ的激光从氮化镓功率晶体管的背面蓝宝石上照射，使得蓝宝石与氮化镓功率晶体管脱离；　　　　（４）分离后的氮化镓功率晶体管粘结在导热性好的材料上，采用的粘结剂要求不溶于溶剂，而且有良好的导热性；　　　　（５）将氮化镓功率晶体管置于溶剂里，氮化镓功率晶体管与基底载体之间的粘结剂将被溶剂溶解，基底载体与氮化镓功率晶体管脱离。

【技术特征摘要】
1.一种改善氮化镓功率晶体管散热性能的方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)在蓝宝石基底上外延生长氮化镓功率晶体管材料，利用微电子加工工艺研制成蓝宝石衬底氮化镓功率晶体管；(2)把研制好的氮化镓功率晶体管正面粘贴在另一个基底载体上，采用溶剂可以溶解的粘结剂，该粘结剂即可以将氮化镓功率晶体管和基底材料容易粘结，又可以通过溶剂溶解掉实现...

【专利技术属性】
技术研发人员：程知群，孙玲玲，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]