一种晶体管、晶体管的散热结构以及晶体管的生产方法
【专利摘要】一种晶体管、晶体管的散热结构以及晶体管的生产方法。本发明公开一种晶体管，包括：半导体生长基底和半导体热电效应装置，半导体热电效应装置包含半导体化合物层、金属层、导热层、热电偶导热装置和散热层，半导体化合物层生长在半导体生长基底上，金属层生长在半导体化合物层上，导热层生长在金属层上，热电偶导热装置生长在导热层上，散热层生长在与导热层相对的热电偶导热装置的另一面上，热电偶导热装置还包含供电臂，供电臂生长在导热层上，与热电偶导热装置电连接。综上所述，本发明能够将晶体管的热快速导出并散发出去，能够显著的提高功放管及其周围器件的可靠性，对高温下功放的性能指标也会有很大改善，同时能提升设备的使用寿命，提高竞争力。
【专利说明】—种晶体管、晶体管的散热结构以及晶体管的生产方法【技术领域】
[0001]本发明涉及电子【技术领域】，尤其涉及一种晶体管、晶体管的散热结构以及晶体管的生产方法。
【背景技术】
[0002]功率放大器是无线通讯系统、医疗系统、电源设备、音响系统及军事雷达系统等设备中不可缺少的组成部分，主要起到对发射信号的功率进行放大的作用。这些设备对功率要求一般都比较高，如无线通讯系统从几十瓦到上百瓦不等，医疗设备能达到上千瓦，雷达设备甚至可以高达几千瓦。要达到如此高的发射功率，必须要通过大功率功放的放大作用来完成，而晶体管作为功率放大器的核心器件，承受了所有功率的放大和输出，但限于放大器本身的工作效率，放大后的功率并不是都作为有用信号输出，比如一般通讯系统中功放有用信号的功率只有40%左右，另外约60%的功率以热的形式存在，其中小部分热量会传递到周围空气中，对系统不会造成大的影响；而大部分热量集中在功放管管芯及其周围器件中，比如陶瓷电容、铝电解电容等，通常这些器件很容易接近或超过所容许的临界温度点，过多的热量会影响器件的性能指标和使用寿命，对系统可靠性造成很大伤害。
[0003]对于传统通讯设备中的大功率晶体管，目前的散热方式是这样完成的:如图1所示，为功率放大器中传统晶体管散热装置示意图，晶体管焊接于PCB上，PCB固定在铜基板上，晶体管底部源级金属焊接在铜基板上，然后再将铜基板固定于设备外壳上，铜基板与设备外壳之间往往会涂抹导热胶或加导热衬垫等接触物，热量从管芯通过源级金属传递到铜基板，再通过导热胶传递到设备外壳及散热齿上，然后和周围环境形成热交换。
[0004]功率晶体管与设备外壳之间的热阻受多方面的影响，比如管子的焊接效果、功放铜基板的热阻、导热胶的均匀程度等等都会导致热阻变大，从而造成热传递效率很低，热量不能及时导出，达到热平衡后晶体管的管芯温度很高，而且热量会很快传导到PCB上的其它器件，令其它器件受热而影响性能和寿命；另外，设备外壳上散热齿很多，增大了整个设备的体积，降低了竞争优势。
[0005]PeltieH珀尔帖)效应被称为半导体热电第二效应，基于此效应制备的热电偶制冷装置已在业界很多领域得到应用，它具有许多优点，如:快速制冷、制热；实现温度控制容差在正负0.rc以内；结构紧凑并重量轻、无噪音、可靠；多级级联能达到100°c以上的温差等。但目前对此制冷设备全是作为附属部件来外置使用的，需要额外购买和安装，特别是在大功率功放散热方面始终没有得到应用。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是提供一种晶体管、晶体管的散热装置以及晶体管的生产方法。
[0007]为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下:
[0008] 一种晶体管，包括:半导体生长基底和半导体热电效应装置，半导体热电效应装置包含半导体化合物层、金属层、导热层、热电偶导热装置和散热层，半导体化合物层生长在半导体生长基底上，金属层生长在半导体化合物层上，导热层生长在金属层上，热电偶导热装置生长在导热层上，散热层生长在与导热层相对的热电偶导热装置的另一面上，热电偶导热装置还包含供电臂，供电臂生长在导热层上，与热电偶导热装置电连接。
[0009]进一步的，热电偶导热装置包含成组的N型热电偶和P型热电偶，在金属层上设置有多条依次排列的沟道，沟道的开口位于金属层和半导体化合物层结合面的相对面，导热层生长于沟道的底部，导热层上沿沟道生长多组N型热电偶和P型热电偶，每组中的N型热电偶和P型热电偶电连接，相邻组中的N型热电偶与P型热电偶电连接，形成N型热电偶—P型热电偶一N型热电偶的通路，供电臂分别与每个沟道一端的N型热电偶以及每个沟道另一端的P型热电偶电连接。
[0010]进一步的，热电偶导热装置还包括第一供电电极和第二供电电极，第一供电电极生长在沟道中的导热层上相邻组的N型热电偶与P型热电偶顶部及之间的位置上，电连接相邻组中的N型热电偶与P型热电偶；第二供电电极生长在每组的N型热电偶与P型热电偶底部及之间的位置上，电连接每组中的N型热电偶和P型热电偶。
[0011]进一步的，热电偶导热装置还包括温度检测点，温度检测点生长在金属层上的导热层上。
[0012]一种晶体管的散热结构，包括:印刷电路板、散热齿基板和晶体管，印刷电路板贴装在散热齿基板上，晶体管与印刷电路板连接，晶体管包括半导体生长基底和半导体热电效应装置，半导体热电效应装置包含半导体化合物层、金属层、导热层热电偶导热装置和散热层，半导体化合物层生长在半导体生长基底上，金属层生长在半导体化合物层上，导热层生长在金属层上，热电偶导热装置生长在导热层上，散热层生长在与导热层相对的热电偶导热装置的另一面上，晶体管的金属层与散热齿基板上的散热齿焊接，散热层与散热齿接触，热电偶导热装置还包含供电臂，供电臂生长在导热层上，与热电偶导热装置电连接。
[0013]进一步的，热电偶导热装置包含成组的N型热电偶和P型热电偶，在金属层上设置有多条依次排列的沟道，沟道的开口位于金属层和半导体化合物层结合面的相对面，导热层生长于沟道的底部，导热层上沿沟道生长多组N型热电偶和P型热电偶，每组中的N型热电偶和P型热电偶电连接，相邻组中的N型热电偶与P型热电偶电连接，形成N型热电偶—P型热电偶一N型热电偶的通路，供电臂分别与每个沟道一端的N型热电偶以及每个沟道另一端的P型热电偶电连接。
[0014]进一步的，热电偶导热装置还包括第一供电电极和第二供电电极，第一供电电极生长在沟道中的导热层上相邻组的N型热电偶与P型热电偶顶部及之间的位置上，电连接相邻组中的N型热电偶与P型热电偶；第二供电电极生长在每组的N型热电偶与P型热电偶底部及之间的位置上，电连接每组中的N型热电偶和P型热电偶。
[0015]进一步的，散热结构还包括直流供电装置和温度检测及控制芯片，热电偶导热装置还包括温度检测点，温度检测点生长在金属层上的导热层上，温度检测及控制芯片分别与温度检测点和直流供电装置连接。
[0016]一种晶体管的生产方法，包括下述步骤:
[0017]a提供生长基底层，生长出基底以上的部分，包括导电沟道、掺杂区域、半导体氧化物、供电电极等，[0018]b在半导体生长基底层上生长一层半导体化合物层，
[0019]c在化合物层表面外延生长一层金属薄膜，通过气相沉积技术在金属与半导体结合的界面上形成金属层，在金属层上蚀刻出多条规则排列的沟道，沟道的开口位于金属层和半导体化合物层结合面的相对面，
[0020]d利用气相沉积技术，在沟道底部生长出导热层，
[0021]e米用电镀或者气相沉积技术在导热层表层外延生长出供电臂、第一供电电极,供电臂和第一供电电极为各个独立的部分，
[0022]f在第一供电电极表面外延生长出N/P电偶半导体层，此后采用高温扩散和离子注入法对半导体材料进行掺杂，从而生成相间排列的N型和P型热电偶，
[0023]g在热电偶半导体层N/P型热电偶与第一供电电极相对的一端采用气相沉积技术或电镀方法外延生长出第二供电电极，
[0024]H在第二供电电极表面覆盖导热层。
[0025]进一步的，供电臂和第一供电电极加工为高度相等的各个独立部分。
[0026]进一步的，导热层和散热层使用相同的导热材料，散热层最外表面高度和沟道最外表面平齐。
[0027]进一步的，其特征在于采用电镀或者气相沉积技术，在导热层外延生长出作为温度检测点的导电金属薄膜层。
[0028]综上所述，本发明能够将晶体管的热快速导出并散发出去，能够显著的提高功放管及其周围器件的可靠性，对高温下功放的性能指标也会有很大改善，同时能提升设备的使用寿命，提高竞争力。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1传统晶体管散热装置示意图；
[0030]图2基于帕尔贴效应的新型晶体管不意图；
[0031]图3新型晶体管半导体工艺制作流程图；
[0032]图4晶体管侧面A-A切面示意图；
[0033]图5晶体管底部B-B切面示意图；
[0034]图6晶体管的散热结构示意图。
【具体实施方式】
[0035]本发明基于传统LDM0SFET(横向扩散金属氧化物半导体)晶体管基本结构，结合目前半导体加工工艺技术(如外延生长技术、气相沉积技术等)，将半导体Peltier效应应用到传统场效应晶体管结构中，由此提出了一种新型的快速导热的晶体管结构，解决传统晶体管的导热问题。本发明的晶体管一方面保留了现有管子的贴装方式以方便使用，另一方面能将管芯热量快速导出到散热齿，并可以将温度控制在一定范围内。与传统半导体热电偶制冷装置使用方式不同的是，本发明采用半导体外延生长工艺，将半导体热电偶及散热装置与场效应晶体管结合在一起，形成一体化生长结构，减少了不必要的热阻影响，从外观来看有完整的封装结构，并且和传统晶体管有相同的贴装方式，优势是导热效果更佳，并且温度可以检测和控制。[0036]如图2所示，在半导体生长基底上，采用传统的晶体管加工工艺，生长出晶体管工作所必须的导电沟道、掺杂区域、半导体氧化物、金属电极等。图2所示下半部分，是半导体热电效应装置与半导体基底结合后的示意图。
[0037]如图4所示为A-A切面示意图，①层为半导体生长基底。②层为在半导体基底上生长的半导体化合物。根据金属/半导体界面形成机理，在②层半导体化合物上形成金属生长层薄膜，比如过渡磁性金属Mn、Cu等，在此金属薄膜上面再形成一层厚的金属层③层，
③层作为晶体管的源极接地金属，并作为晶体管的传热金属层。导热层④层和散热层⑨层起到传热和隔离的作用，要求具有很好的导热性和热稳定性，比如氮化铝、氧化铍等物质；
④层作为吸热端，吸收晶体管底部热量，同时起到隔离源级金属层和热电偶供电极的作用；
⑨层散热端将热电偶传导的热量再传递给外部散热器。⑤层为热电偶正负极供电臂，通过焊接与电源正负极相连。第一供电电极⑥层和第二供电电极⑧层为N/P型热电偶的供电电极，将N/P型热电偶首尾串接起来，形成电流的流通。⑤、⑥、⑧层为各个独立的部分，⑤和⑥高度相等，⑤层为直流电源供电所需的两个电臂；⑥层和⑧层分别在N/P热电偶极子的两端，每层由相互独立的金属电极组成，电极连接相邻的N型和P型热电偶极子的两个电极，⑥层和⑧层之间又通过N型或P型热电偶极子相连；这样⑤层、⑥层和⑧层便组成了一个电流通路。
[0038]⑦层为N/P型热电偶层，由半导体掺杂工艺形成，环路中电流从N — P — N依次流动，将热量从吸热端转移到散热端，吸收热量的多少与电流大小和热电偶数量有关。图5中
⑩点为温度检测点，与温度检测芯片连通，用于检测晶体管底部温度，并控制N/P型热电偶层两端的电流大小。
[0039]如图5所示为晶体管底部B-B切面示意图，源级金属和N/P热电偶相间排列，既能满足源级金属的接地要求，又能满足热电偶的供电和散热要求。
[0040]图2中N/P型热电偶单层使用时，④层吸热端和⑨层散热端的温差可以到达71 °C，多层使用时温差能达到131°C，最大功率耗散可达300W。
[0041]本发明所述散热装置适合于导电沟道与接地面平行的晶体管，以使热量能最大效率的散出；本发明不限定半导体生长基底的类型，可以适应于Si衬底MOSFET、GaAsMESFET、GaN FET等场效应晶体管，其它还有锗化硅、磷化铟等半导体衬底晶体管，这些晶体管的特点是源级金属与导电沟道平行，并且源级金属紧贴于接地面和散热面。
[0042]如图6所示为晶体管的散热结构。PCB装贴于散热齿基板上,散热齿基板为整机设备壳体的一部分，将晶体管栅极和漏极焊接于PCB上，底部源极金属与下方散热齿良好焊接，图4中⑨层散热端与散热齿达到良好接触，图4中⑤层的正负供电极通过导线与PCB上电源相连，图5中温度检测点⑩处可以焊接导线，导线穿过散热齿与PCB上的温度检测芯片接通，也可以将导线从管体内部引出形成端子并与连线相接通。
[0043]晶体管产生的绝大部分热量由N/P热电偶传导到散热齿上，然后通过外部风扇将散热齿上的热量吹散到周围空气中(风扇也可以装配到整机设备的外壳上面)，也可以通过水冷或其它方式等达到同样的散热效果，这样绝大部分的热量便通过此种途径散发掉，小部分的热量还会通过散热齿传导到PCB上，但对器件影响已经很小。温度检测芯片实时检测图4中④层吸热端的温度，并通过温度和电流对应关系(使用前通过试验采数方式获得)，来达到对电流大小的自动控制，从而控制N/P热电偶的导热效率，以使晶体管温度控制在规定的范围之内。
[0044]为达到更好的导热效果，可以增大晶体管底部的面积，以增加N/P热电偶极子的数量，更高效的将热量导出。N/P热电偶极子的高度建议设置在2.5mm~4mm之间，如果高度太小，热电偶材料中掺杂电荷量太少会影响导热效果；如果高度太大，源级金属散热齿的长度会相应增大，会影响源级接地效果，特别是对高频工作的晶体管，这种影响会更明显。另外，还可以通过其它方式来提高导热效果，比如对于低频工作的大功率晶体管，可以制作多层N/P热电偶极子层叠加的方式来加强导热性能，但对高频晶体管不建议采用多层的方式(除非在不影响源级接地效果的情况下)；或者加工成其它的形状，比如折叠形式、弯曲形式等，晶体管上方壳体也可以进行生长，以增加导热通道和面积，具体方式要根据系统设备及散热条件来扩展和约束。[0045]如图3所示，是本发明新型晶体管半导体工艺制作流程图，下面结合流程图3和切面图4、5，对制作的实施方式进行详细分解描述。在此说明，下列所示出和描述的半导体加工工艺和技术，只是实现新型晶体管结构的一种途径，允许用不同的或新的半导体加工技术和处理工艺来实现此结构，在各步骤之前或之后允许有更详细的工艺细节和处理步骤。
[0046]步骤一:晶体管放大功能区域的加工，参考图3中的框1，并参考图4中的结构示意图，首先提供生长基底①层，比如单晶硅、碳化硅、砷化镓等常见衬底材料，按照传统半导体工艺技术，生长出基底以上的部分，包括导电沟道、掺杂区域、半导体氧化物、供电电极
坐寸ο
[0047]步骤二:从本步骤开始进行晶体管导热功能区域的加工，参考图3中的框2和结构图4，在半导体生长基底上优先生长一层半导体化合物层②，此化合物层要求导热效率高、热稳定性好，而且利于下面金属薄膜外延层的生长，比如IV-VI族化合物等。
[0048]步骤三:参考图3中的框3和结构图4，在②层化合物表面外延生长一层金属薄膜，形成金属/IV-VI族半导体界面，金属材料可以与栅极和漏极相同，也可以不同，但必须是良好的导电导热材料。通过气相沉积技术在金属/半导体界面上形成纯度比较高的厚金属层③层，作为源级接地金属层和传热层；然后将源级金属层蚀刻出多条规则排列的沟道◎，以供N/P热电偶生长所用。
[0049]步骤四:参考图3中的框4和结构图4，在步骤三的基础上同样利用气相沉积技术，可以在源级金属沟道表面生长导热效果很好的导热层④层，如氧化铍、氮化铝等，气相沉积技术可以有效控制化合物的密度和纯度。
[0050]步骤五:参考图3中的框5和结构图4、5，在步骤四描述的金属沟道内的导热化合物表层，米用电镀或者气相沉积技术，外延生长出导电金属薄膜作为⑤、⑥和⑩层，生长过程中用模具将无金属层部分挡住，只在需要的地方形成金属层，⑩层为温度检测点。
[0051]步骤六:参考图3中的框6和结构图4，在⑥层基础上外延生长出热电偶半导体材料⑦层，一般常用的为碲化铋化合物半导体材料，然后采用高温扩散和离子注入法对半导体材料进行掺杂，从而生成相间排列的N型和P型热电偶。
[0052]步骤七:参考图3中的框7和结构图4，在⑦层N/P型热电偶顶部采用气相沉积技术或电镀方法外延生长出金属薄膜作为第二供电电极层⑧，金属电极将N型和P型半导体首尾串联相接，而热量以并行的方式从吸热端被传递到散热端。
[0053]步骤八:参考图3中的框8和结构图4，在⑧层金属电极表面覆盖和④层相同的导热材料作为散热层⑨层，此层最外表面高度和沟道O最外表面平齐，以保证源级金属和⑨层导热材料与底部散热良好接触，以免影响散热效果。
【权利要求】
1.一种晶体管，包括:半导体生长基底和半导体热电效应装置，所述半导体热电效应装置包含半导体化合物层(2)、金属层(3)、导热层(4)、热电偶导热装置和散热层(9)，所述半导体化合物层(2)生长在所述半导体生长基底上，所述金属层(3)生长在所述半导体化合物层(2)上，所述导热层(4)生长在所述金属层(3)上，所述热电偶导热装置生长在所述导热层(4)上，所述散热层(9)生长在与所述导热层(4)相对的所述热电偶导热装置的另一面上，所述热电偶导热装置还包含供电臂(5)，所述供电臂(5)生长在所述导热层(4)上，与热电偶导热装置电连接。
2.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述热电偶导热装置包含成组的N型热电偶和P型热电偶，在所述金属层(3)上设置有多条依次排列的沟道(11)，所述沟道(11)的开口位于所述金属层(3)和所述半导体化合物层(2)结合面的相对面，所述导热层(4)生长于所述沟道(11)的底部，所述导热层(4)上沿所述沟道(11)生长多组所述N型热电偶和P型热电偶，每组中的N型热电偶和P型热电偶电连接，相邻组中的N型热电偶与P型热电偶电连接，形成N型热电偶一P型热电偶一N型热电偶的通路，所述供电臂(5)分别与每个所述沟道(11) 一端的N型热电偶以及每个所述沟道(11)另一端的P型热电偶电连接。
3.如权利要求2所述的晶体管，其特征在于，所述热电偶导热装置还包括第一供电电极(6)和第二供电电极(8)，所述第一供电电极(6)生长在所述沟道(11)中的导热层(4)上相邻组的N型热电偶与P型热电偶顶部及之间的位置上，电连接相邻组中的N型热电偶与P型热电偶；所述第二供电电极(8)生长在每组的N型热电偶与P型热电偶底部及之间的位置上，电连接每组中的N型热电偶和P型热电偶。
4.如权利要求1至3任一项所述晶体管，其特征在于，所述热电偶导热装置还包括温度检测点(10)，所述温度检测点(10)生长在所述金属层(3)上的所述导热层(4)上。
5.一种晶体管的散热结构，包括:印刷电路板、散热齿基板和晶体管，所述印刷电路板贴装在所述散热齿基板上，所述晶体管与所述印刷电路板连接，所述晶体管包括半导体生长基底和半导体热电效应装置，所述半导体热电效应装置包含半导体化合物层(2)、金属层 (3)、导热层(4)热电偶导热装置和散热层(9)，所述半导体化合物层(2)生长在所述半导体生长基底上，所述金属层(3)生长在所述半导体化合物层(2)上，所述导热层(4)生长在所述金属层(3)上，所述热电偶导热装置生长在所述导热层(4)上，所述散热层(9)生长在与所述导热层(4)相对的所述热电偶导热装置的另一面上，所述晶体管的金属层(3)与所述散热齿基板上的散热齿焊接，所述散热层(9)与所述散热齿接触，所述热电偶导热装置还包含供电臂(5)，所述供电臂(5)生长在所述导热层(4)上，与热电偶导热装置电连接。
6.如权利要求5所述的晶体管的散热结构，其特征在于，所述热电偶导热装置包含成组的N型热电偶和P型热电偶，在所述金属层(3)上设置有多条依次排列的沟道(11)，所述沟道(11)的开口位于所述金属层(3)和所述半导体化合物层(2)结合面的相对面，所述导热层(4)生长于所述沟道(11)的底部，所述导热层(4)上沿所述沟道(11)生长多组所述N型热电偶和P型热电偶，每组中的N型热电偶和P型热电偶电连接，相邻组中的N型热电偶与P型热电偶电连接，形成N型热电偶一P型热电偶一N型热电偶的通路，所述供电臂(5)分别与每个沟道(11) 一端的N型热电偶以及每个沟道(11)另一端的P型热电偶电连接。
7.如权利要求6所述的晶体管的散热结构，其特征在于，所述热电偶导热装置还包括第一供电电极(6)和第二供电电极(8),所述第一供电电极(6)生长在所述沟道(11)中的导热层(4)上相邻组的N型热电偶与P型热电偶顶部及之间的位置上，电连接相邻组中的N型热电偶与P型热电偶；所述第二供电电极(8)生长在每组的N型热电偶与P型热电偶底部及之间的位置上，电连接每组中的N型热电偶和P型热电偶。
8.如权利要求5至7任一项所述的晶体管的散热结构，其特征在于，还包括直流供电装置和温度检测及控制芯片，所述热电偶导热装置还包括温度检测点(10)，所述温度检测点生长在所述金属层(3)上的所述导热层(4)上，所述温度检测及控制芯片分别与所述温度检测点(10)和所述直流供电装置连接。
9.一种晶体管的生产方法，包括下述步骤: a提供生长基底层(1)，生长出基底以上的部分，包括导电沟道(11)、掺杂区域、半导体氧化物、供电电极等， b在所述半导体生长基底层(I)上生长一层半导体化合物层(2)，c在所述化合物层(2)表面外延生长一层金属薄膜，通过气相沉积技术在金属与半导体结合的界面上形成金属层(3)，在所述金属层(3)上蚀刻出多条规则排列的沟道(11)，所述沟道(11)的开口位于所述金属层(3)和所述半导体化合物层(2)结合面的相对面，d利用气相沉积技术，在沟道(11)底部生长出导热层(4)， e米用电镀或者气相 沉积技术在所述导热层(4)表层外延生长出供电臂(5)、第一供电电极(6),所述供电臂(5)和所述第一供电电极(6)为各个独立的部分， f在所述第一供电电极I表面外延生长出N/P电偶半导体层(7)，此后采用高温扩散和离子注入法对半导体材料进行掺杂，从而生成相间排列的N型和P型热电偶， g在所述热电偶半导体层(7) N/P型热电偶与所述第一供电电极(6)相对的一端采用气相沉积技术或电镀方法外延生长出第二供电电极(8)， H在所述第二供电电极(8)表面覆盖导热层(9)。
10.如权利要求9所述的一种晶体管的生产方法，其特征在于将所述供电臂(5)和所述第一供电电极(6)加工为高度相等的各个独立部分。
11.如权利要求10所述的一种晶体管的生产方法，其特征在于所述导热层(4)和散热层(9)使用相同的导热材料，所述散热层(9)最外表面高度和沟道(11)最外表面平齐。
12.如权利要求9至11任一项所述的晶体管的生产方法，其特征在于采用电镀或者气相沉积技术，在所述导热层(4)外延生长出作为温度检测点(10)的导电金属薄膜层。
【文档编号】H01L21/336GK103887339SQ201210592156
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2012年12月19日
【发明者】王大朋, 赵志勇, 曾武, 穆学禄, 宗柏青, 崔亦军 申请人:中兴通讯股份有限公司