[发明专利]一种硅基氮化镓器件的近结散热方法

说明书

本发明提供了一种硅基氮化镓器件的近结散热方法，包括步骤：对生长在硅衬底上的GaN层Ⅰ和硅衬底进行刻蚀，在GaN层Ⅰ上形成平行排列的V形缺口，每个V形缺口的底部设置有狭缝，所述狭缝垂直延伸至硅衬底内部；利用XeF₂对硅衬底内部的狭缝进行进一步刻蚀，形成冷却通道；继续在GaN层Ⅰ上外延生长GaN层Ⅱ和功能层；对硅衬底背面进行刻蚀形成若干个矩形凹槽a和若干个矩形凹槽b，矩形凹槽a和矩形凹槽b交替周期排列；之后与载片键合，在载片底部设置冷却液的进口和出口；向冷却通道中注入冷却液，实现硅基氮化镓器件的散热。本发明的方法在近结区域附近引入高热导率的冷却液，有效解决了硅基氮化镓器件的散热问题。

技术领域

本发明涉及一种硅基氮化镓器件的近结散热方法，属于半导体器件技术领域。

背景技术

氮化镓作为第三代半导体的代表材料，具有高迁移率、高临界电场、高发光效率等多种优势，被广泛应用于半导体照明、射频功放、电力电子等多个领域。

用于氮化镓外延生长的衬底主要有：蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓等。氮化镓同质衬底是氮化镓外延的最优选择，由于不存在晶格失配和热失配，在氮化镓衬底外延和制备的器件性能优异，然而氮化镓衬底价格昂贵，产量低，且目前无法制备出大面积的晶圆，所以氮化镓衬底目前只商用于对外延要求及其严苛的器件，如氮化镓激光器；碳化硅衬底与氮化镓衬底一样，同样具有高临界电场、高热导率等优点，但由于成本也是相对较高，目前主要商用于对热管理要求较高的器件，如高频率的氮化镓微波射频器件；蓝宝石是最早开始研究的衬底材料之一，蓝宝石衬底的散热差，但价格相对低廉，但是其只能应用于一些低功率，低频率的器件，如发光二极管等；硅衬底由于产量丰富，技术成熟，成本低，且能与传统CMOS工艺兼容，被认为是商业上最有潜力的氮化镓衬底材料。

然而，由于硅的热导率低，高功率硅基氮化镓器件工作时，散热较差，严重影响了器件的性能和寿命。因此，硅基氮化镓器件亟待解决的就是散热问题。目前，传统散热方法主要是通过优化封装的形式，来对器件进行热管理。例如：中国专利文献CN108766897A提供了一种实现大功率GaN器件层散热的三维异质结构的封装方法，利用GaN芯片体-TSV射频转接板-硅支撑块等多个叠层衬底实现立体折叠微流道设计，微流体从封装壳体底层流入后拾阶而上冷却GaN器件层热点然后拾阶而下流出。该立体叠层方法设计繁琐，工艺复杂，在实际器件制备过程中，很难保持一定可重复性。

中国专利文献CN108198793A提供了一种微流嵌入式高效散热氮化镓晶体管及其制造方法，氮化镓晶体管自上而下依次包括有源区功能层、势垒层、缓冲层和衬底层，有源区功能层由栅、源和漏构成，所述衬底层中设置有微流体通道，所述微流体通道设置在有源区下面的硅衬底内部。该发明将流体散热技术引入芯片内部，实现了高效散热能力，解决了大功率氮化镓器件有源区热积累。该方法通过在衬底背面进行刻蚀，形成冷却液流通沟道，但是该方法中微流道距离有源区的距离仍然较远，不能进行高效的热交换，器件性能还有进一步提升空间。

因此，开发一种新的硅基氮化镓器件的近结散热方法，对于硅基氮化镓器件的制备和商业化应用具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，尤其是现有硅基氮化镓器件的散热问题一直没有得到有效解决的不足，本发明提供了一种硅基氮化镓器件的近结散热方法。本发明通过干法刻蚀，在硅基氮化镓表面形成狭缝，使用XeF₂气体从正面通过该狭缝对硅衬底进行各向同性的干法刻蚀，形成内部镂空的近结冷却通道，再通过二次外延生长GaN层，使表面缺口闭合，形成密封通道，通过向冷却通道内注入冷却液形成外循环冷却系统，有效解决硅基氮化镓器件的散热问题；并且本发明的方法通过在硅衬底上刻蚀周期性沟槽，减少了衬底上潜在漏电通道的连通几率，减小了器件的衬底漏电，提高了器件的击穿性能。

本发明的技术方案如下：

一种硅基氮化镓器件的近结散热方法，包括步骤如下：

(1)在硅衬底上外延生长GaN层Ⅰ；