[發明專利]基于原子鍵合的片內微流散熱氮化鎵晶體管及其制造方法

有效

• 申請號: 201711413503.1
• 申請日: 2017-12-24
• 公開（公告）號: CN108172556B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 郭懷新;孔月嬋;吳立樞;黃宇龍;陳堂勝
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: H01L23/46
• 分類號: H01L23/46;H01L23/473
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發明公開了一種基于原子鍵合的片內微流散熱氮化鎵晶體管及其制造方法，氮化鎵晶體管自上而下依次包括有源區功能層、勢壘層、緩沖層和襯底，襯底中設置有微流體通道，所述微流體通道設置在有源區功能層下方，通過原子鍵合工藝形成，微流體通道內設置有微流體。本發明采用原子鍵合技術將流體散熱技術引入芯片內部，其原子鍵合采用氧化物或氮化物介質，其鍵合層厚度為幾十納米，有效減小了鍵合封接層熱阻，實現了芯片內部的高效散熱能力，解決了大功率氮化鎵器件有源區熱積累。相比傳統的氮化鎵器件，其功率密度可提升2倍以上，極大提高了器件最大輸出功率，并維持較高的可靠性。

技術領域

本發明屬于功率器件熱管理開發技術領域，特別是一種基于原子鍵合的片內微流散熱氮化鎵晶體管及其制造方法。

技術背景

以氮化鎵為代表的第三代半導體功率器件已展現出其優異的大功率應用特性，在實際應用中的氮化鎵功率芯片多為SiC襯底，其功率器件的功率密度僅達到其理論值的五分之一，氮化鎵大功率的特性優勢遠未得到發揮。這主要是因為大功率微波器件在輸出大功率的同時會產生大量熱積累，尤其對于輸出功率達到上百瓦甚至上千瓦的微波功率器件更加嚴重，引起器件結溫的急劇升高，導致其器件性能和可靠性的嚴重下降。

目前氮化鎵基功率器件主要外延生長在碳化硅、藍寶石等襯底材料上，而這些襯底材料具有較低的熱導率，散熱問題嚴重限制了氮化鎵器件的性能，部分研究基于金剛石襯底，但技術還在研究開發階段，因此進行氮化鎵半導體器件的熱管理開發成為了解決其大功率應用的技術瓶頸。尤其是針對目前裝備系統對超大功率和高集成度器件的特殊情況需求，現有的被動式的散熱技術由于其自身的物理特性無法解決其系統芯片有源區熱積累問題。從宏觀尺度來講，液體主動式散熱能力通常是固體被動式散熱能力的10倍以上，因此探索將液體冷卻的主動散熱技術和芯片近結區有效集成，將是解決這類超大功率特殊需求的熱點研究方向，而如何克服現有技術所存在的不足，實現氮化鎵器件芯片內部的微流散熱技術則成為當今大功率器件熱管理開發領域中亟待解決的重點難題之一。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于原子鍵合的片內微流散熱氮化鎵晶體管及其制造方法。

實現本發明目的的技術方案為：一種基于原子鍵合的片內微流散熱氮化鎵晶體管，自上而下依次包括有源區功能層、勢壘層、緩沖層和襯底，襯底中設置有微流體通道，所述微流體通道設置在有源區功能層下方，通過原子鍵合工藝形成，微流體通道內設置有微流體。

所述微流體通道距離緩沖層10-20微米，距離襯底背面10-20微米。

所述襯底為Si、藍寶石、SiC、金剛石材料中的任意一種。

所有源區功能層由柵、源和漏組成。

一種基于原子鍵合的片內微流散熱氮化鎵晶體管的制造方法，包括氮化鎵晶體管的制備和微流體通道的制備，微流體通道的制備包括以下步驟：

1)在已完成的氮化鎵晶體管的正面涂一層保護層，對功能區進行保護，并采用鍵合技術進行將晶體管正面和臨時載片進行鍵合；

2)利用磨片機將氮化鎵晶體管的襯底進行研磨減薄，減薄后剩余襯底厚度在10-20微米；

3)在新的襯底片的一面涂一層保護層，對該襯底面進行保護；并采用鍵合技術進行將新的襯底和臨時載片進行鍵合；

4)利用磨片機將新襯底片進行研磨減薄，減薄后剩余襯底厚度在80-200微米；

5)依據在氮化鎵晶體管有源區的位置和尺寸，在減薄后的新襯底上的對應位置處光刻出設計的微流道的刻蝕圖形，利用等離子體刻蝕機對襯底進行近結區微流道刻蝕，直至距離襯底背面層10-20微米停止，完成襯底微流道的刻蝕；