[发明专利]具有石墨烯散热层的倒装结构的氮化镓基功率器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有石墨烯散热层的倒装结构的氮化镓基功率器件及其制备方法。该氮化镓基功率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、石墨烯材料；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器件的电极通过所述电极焊盘与基板粘合连接，实现倒装的封装结构；在倒装的所述GaN基HEMT器件的衬底材料上采用所述石墨烯材料作为散热材料。本发明的HEMT器件与散热薄膜通过电极焊盘连接，并且倒装结构中HEMT衬底上面采用石墨烯作为散热层，提升了器件的散热效率，利于提升器件的长期可靠性。

技术领域

本发明属于半导体微电子技术领域，尤其涉及一种通过石墨烯材料提高AlGaN/GaN器件HEMT热阻的倒装结构。

背景技术

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。本发明提出一种采用石墨烯以及DLC作为散热材料的倒装结构，可以匀化热分布，加强散热效果。

发明内容

本发明针对GaN功率器件散热差，可靠性低等问题，提出一种采用DLC(类金刚石)和石墨烯的倒装结构，基板上采用DLC作为绝缘散热材料提高了基板上的散热效果，同时，倒装结构实现了外延结构与散热基板的连接，有效提高了散热的面积，并且匀化了热场的分布。与此同时，在倒装结构的衬底上采用石墨烯材料进行散热，进一步降低了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。

本发明的目的是提供一种散热性能更佳、且稳定可靠的封装结构。为了实现本发明的目的，所采取的技术方案如下：

一种具有石墨烯散热层的倒装结构的氮化镓基功率器件，包括基板、绝缘介质层、电极焊盘、GaN基HEMT器件、石墨烯材料。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器件的电极通过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石墨烯材料作为散热材料。所述基板、绝缘介质层、电极焊盘、GaN基功率器件、石墨烯材料自下而上分布。

根据本发明的实施例，所述基板的材料为AlN或者Al₂O₃材料。

根据本发明的实施例，所述基板上的绝缘介质层的材料为DLC材料。