[发明专利]一种片内阵列微流柱散热结构氮化镓功率器件及制造方法

说明书

本发明涉及一种片内阵列微流柱散热结构氮化镓功率器件及其制造方法，氮化镓功率器件自上而下依次包括器件功能层、势垒层、缓冲层和衬底层，所述衬底层中设置有阵列微流柱，所述阵列微流柱设置在有源区下面的近结区。本发明将流体散热技术引入芯片内部，实现了近结区的高效散热能力，解决了大功率氮化镓器件有源区热积累；相比传统的氮化镓器件，其功率密度可提升数倍以上，极大提高了器件最大输出功率，并维持较高的可靠性。

技术领域

本发明属于半导体器件热管理开发技术领域，特别是一种片内阵列微流柱散热结构氮化镓功率器件及制造方法。

技术背景

以氮化镓为代表的第三代半导体功率器件已展现出其优异的大功率应用特性，在实际应用中的氮化镓芯片是基于SiC衬底，其功率器件的功率密度仅达到其理论值的五分之一，氮化镓大功率的特性优势远未得到发挥。这主要是因为大功率微波器件在输出大功率的同时会产生大量热积累，尤其对于输出功率达到上千瓦甚至上万瓦的微波功率器件更加严重，引起器件结温的急剧升高，导致其器件性能和可靠性的严重下降。

目前氮化镓基功率器件主要外延生长在碳化硅、硅等衬底材料上，而这些衬底材料具有较低的热导率，散热问题严重限制了氮化镓器件的性能，因此进行氮化镓半导体器件的热管理开发成为了解决其大功率应用的技术瓶颈。尤其是针对目前装备系统对万瓦级大功率的特殊情况需求，现有的被动式的散热技术由于其自身的物理特性无法解决其系统芯片有源区热积累问题。

从宏观尺度来讲，液体主动式散热能力通常是固体被动式散热能力的10倍以上，因此探索将液体冷却的主动散热技术和芯片近结区有效集成，将是解决这类超大功率特殊需求的热点研究方向，而如何克服现有技术所存在的不足，实现氮化镓器件芯片内部的微流散热技术则成为当今大功率器件热管理开发领域中亟待解决的重点难题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种片内阵列微流柱散热结构氮化镓功率器件及其制造方法，解决氮化镓大功率器件芯片片内热积累，近而提升其芯片近结区的散热能力。

实现本发明目的的技术方案为：一种片内阵列微流柱散热结构氮化镓功率器件及制造方法，自上而下依次包括器件功能层、势垒层、缓冲层和衬底层，所述衬底层中设置有阵列微流柱，所述阵列微流柱设置在有源区下面的近结区。

所述阵列微流柱距离缓冲层5-15微米，距离衬底背面5-15微米，阵列微流柱中心与器件功能层垂直方向位置对应，阵列微流柱区域与器件功能层区的尺寸一致。

所述阵列微流柱的直径为30-150微米，中心距尺寸为2-3倍的直径。

所述近结区为有源区下方覆盖的区域，尺寸小于100微米。

所述的氮化镓器件衬底为Si、蓝宝石或者SiC材料。

一种片内阵列微流柱散热结构氮化镓功率器件的制造方法，包括氮化镓功率器件的制备和近结区阵列微流柱的制备，其中阵列微流柱的制备包括以下步骤：

1)在已完成的氮化镓功率器件的正面涂一层保护层，对功能区进行保护，并采用键合技术进行将氮化镓功率器件正面和临时载片进行键合；

2)利用磨片机将氮化镓功率器件的衬底进行研磨减薄，减薄后剩余衬底厚度在80-200微米；

3)在氮化镓功率器件的衬底上光刻出阵列微流柱的刻蚀图形，衬底上的此图形位于氮化镓功率器件有源区的正下方近结区域，利用等离子体刻蚀机对衬底进行近结区微流柱刻蚀，直至距离氮化镓层5～15微米停止，完成近结区微流柱的刻蚀；

4)在新的衬底片的一面涂一层保护层，对该衬底面进行保护，并采用键合技术进行将氮化镓功率器件正面和临时载片进行键合；

5)利用磨片机将新衬底片进行研磨减薄，减薄后剩余衬底厚度在5-15微米；