[發明專利]一種基于石墨烯的三明治結構散熱薄膜、半導體器件及其制備方法

在審

• 申請號: 202011349967.2
• 申請日: 2020-11-26
• 公開（公告）號: CN112490204A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 李昕;朱莉;沈鑫;楊向紅;劉康;孫岳;黨鑫;胡龍;劉衛華;韓傳余
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L23/367
• 分類號: H01L23/367;H01L23/373
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發明公開一種基于石墨烯的三明治結構散熱薄膜、半導體器件及其制備方法，散熱薄膜，包括氧化還原石墨烯層和CVD石墨烯層，氧化還原石墨烯層兩側的表面上均設有CVD石墨烯層。本發明基于石墨烯的三明治結構散熱薄膜在與襯底平行或垂直的方向上均具有較好的傳熱能力，能夠使得襯底或半導體器件進行快速勻的散熱。

技術領域

本發明屬于散熱技術領域，涉及石墨烯的轉移和納米薄膜的制備，具體涉及一種基于石墨烯的三明治結構散熱薄膜、半導體器件及其制備方法。

背景技術

芯片科技的發展對半導體器件的散熱材料提出了更高的要求，一方面追求更快的縱向、橫向散熱速度，另一方面要求不斷的微型化。石墨烯因其優異的熱力學特性，在傳熱領域引起了廣泛的關注。其導熱系數為5300W/m·K，是銅的5倍多，因此相較于常見的金屬熱沉，采用石墨烯作為散熱材料更具有吸引力。石墨烯材料的制備方法多種多樣，包括化學氣相沉積(CVD)石墨烯、氧化還原石墨烯、三維石墨烯網絡等，其中CVD石墨烯和氧化還原石墨烯由于制備方法簡單、成本低廉，并且與半導體工藝相兼容、易于微型化，作為半導體器件散熱材料被廣泛研究。

但是現有的石墨烯散熱薄膜僅在與襯底平行或垂直的方向上傳熱能力較強，這樣對于墨烯散熱薄膜的傳熱能力有一定的局限性，因此如何進一步提高石墨烯散熱薄膜的傳熱能力，是本領域技術人員追求的目標。

發明內容

為解決現有技術中存在的問題，為實現石墨烯薄膜和襯底之間良好的熱傳遞，本發明提出了一種基于石墨烯的三明治結構散熱薄膜、半導體器件及其制備方法，本發明基于石墨烯的三明治結構散熱薄膜在與襯底平行或垂直的方向上均具有較好的傳熱能力，能夠使得襯底或半導體器件進行快速勻的散熱。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種基于石墨烯的三明治結構散熱薄膜，包括氧化還原石墨烯層和CVD石墨烯層，氧化還原石墨烯層兩側的表面上均設有CVD石墨烯層。

優選的，氧化還原石墨烯層的厚度為10nm-20nm，CVD石墨烯層的厚度為0.33nm-0.5nm。

優選的，本發明的基于石墨烯的三明治結構散熱薄膜還包括金屬襯底，由氧化還原石墨烯層以及其兩側的表面的CVD石墨烯層組成的整體結構設置于所述金屬襯底上。

本發明制備如上所述基于石墨烯的三明治結構散熱薄膜的方法，包括如下步驟：

S1，采用CVD法在金屬襯底上生長CVD石墨烯層，得到結構A；

S2，在結構A的CVD石墨烯層表面制備氧化還原石墨烯層，形成復合結構B；

S3，在復合結構B的氧化還原石墨烯層表面制備CVD石墨烯層，再烘干水分，得到復合結構C；

S4，去除復合結構C的金屬襯底，并進行漂洗，得到所述基于石墨烯的三明治結構散熱薄膜。

優選的，S1中，在金屬襯底上生長CVD石墨烯層的制備過程包括：

將金屬襯底表面的氧化物去除，清洗吹干后放入生長爐，通入甲烷和氫氣，在1000℃-1300℃溫度區間內生長30-60分鐘，得到結構A。

優選的，S2中，氧化還原石墨烯的制備過程包括：向每10ml去離子水中加入1-2mg氧化石墨烯，得到混合物A，再對混合物A震蕩10-60分鐘，然后超聲4-24小時，得到分散均勻的氧化石墨烯分散液；氧化石墨烯溶液通過還原劑還原成氧化還原石墨烯；將氧化還原石墨烯覆蓋至結構A的CVD石墨烯層表面，得到氧化還原石墨烯層；再在40℃-70℃下烘10-30分鐘，再進行退火處理，形成復合結構B；退火的氣體環境為氬氣或氮氣，退火分三次進行：第一次退火溫度為250℃-350℃退火時間在30-60分鐘；第二次退火溫度在450℃-600℃退火時間在30-60分鐘；第三次退火溫度在750℃-1000℃退火時間在30-60分鐘。