一种硅基GaNHEMT散热增强封装结构及其制备方法

一种硅基gan hemt散热增强封装结构及其制备方法
技术领域
1.本发明属于信息材料与功率器件封装领域，具体涉及一种硅基gan hemt散热增强封装结构及其制备方法。


背景技术：

2.gan hemt作为典型的第三代半导体功率器件，得益于gan材料所特有的宽带隙、高电子饱和漂移速率和高临界击穿电场等优异特性以及algan/gan异质结处高浓度、高迁移率的二维电子气（two dimension electron gas, 2deg），而具备高功率密度、高击穿电压、低导通电阻的优势，因此广泛应用于航空航天、5g基站、电力电子和新能源汽车领域，具有广阔的应用前景。
3.由于硅基gan相比于碳化硅外延gan衬底和gan自支撑衬底具有较高的成本优势，相比于蓝宝石外延gan衬底能获得更低的缺陷密度和更优的器件性能，能够实现成本和性能之间的良好折衷关系。随着目前基于缓冲层的硅基氮化镓mocvd外延技术日趋成熟，位错密度已经达到1e8cm-2
量级，能够满足当前gan hemt在射频、功率领域的应用。但由于硅衬底的热导率远低于碳化硅衬底，严重阻碍了gan hemt在高功率密度工作条件下的散热，热量的集聚，极大地制约了器件的电学性能和可靠性。
4.传统的封装散热结构往往是通过优化芯片粘接处、封装基板、框架等的散热能力，而不能解决硅基gan hemt的硅衬底所导致的热量集聚。中国发明专利cn202111248653.8公开了一种硅基氮化镓器件的近结散热方法，其通过刻蚀衬底并注入冷却液，形成散热通道，增强gan hemt的散热能力，但是其需要时刻注入冷却液，散热结构复杂；中国发明专利cn202111397484.4公开了一种散热增强的常关型gan hemt结构及其制备方法，其利用金刚石衬底氮化镓器件中金刚石高热导率的特性，增强gan hemt的散热性能，但是金刚石衬底氮化镓外延片生长难度高，价格昂贵。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种硅基gan hemt散热增强封装结构及其制备方法，首先通过在硅衬底上依次外延生长缓冲层、沟道层、势垒层和钝化层，并制备器件结构，然后通过激光剥离、牺牲层选择性刻蚀等技术将器件有源层从硅衬底剥离下来，并转移到临时柔性衬底上，然后通过电镀、电子束蒸发、键合等方式将缓冲层与铜、银、碳化硅、金刚石等高导热层连接，去除临时衬底，并将高导热层通过锡焊、烧结银、烧结铜等芯片粘接方式与封装基板连接，从而避免了硅基gan hemt硅衬底导致的散热差的问题，提高了gan hemt芯片的散热能力。这种硅基gan hemt散热增强封装结构能够在不影响芯片性能的情况下增强gan hemt的封装散热能力，并且与先进封装结构以及其他封装散热技术兼容。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种硅基gan hemt散热增强封装结构，以基板为载体，通过芯片粘接方式与高导热层相连接，所述高导热层上方与gan hemt相连接，所述gan hemt从下往上依次包括gan缓冲层、gan沟道层、algan势垒层、介质钝化层以及金属电
极。
7.进一步的，所述基板包括直接覆铜基板、直接覆铝基板、直接电镀基板、绝缘金属基板中的一种；所述芯片粘接方式包括锡焊、烧结银、烧结铜中的一种；所述高导热层包括铜、银、碳化硅、金刚石中的一种材料；所述gan缓冲层为厚度2~6微米的gan材料，所述gan沟道层为厚度0.1~3微米的gan材料，所述algan势垒层的厚度为15-30纳米，其中al摩尔组分为0.1~0.3，所述介质钝化层包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝、二氧化铪中的一种，所述金属电极包括ti/al/ni/au合金制备的源欧姆电极和漏欧姆电极，以及ni/au合金制备的肖特基栅电极。
8.进一步的，所述gan hemt是基于硅基gan hemt衬底剥离获得的，所述衬底剥离的方式包括激光剥离、牺牲层剥离中的一种。
9.进一步的，所述高导热层上方与gan hemt相连接是通过包括键合、电镀、电子束蒸发、淀积中的一种方式。
10.进一步的，所述 gan缓冲层、gan沟道层、algan势垒层均采用金属有机物化学气相淀积进行外延生长。
11.进一步的，所述钝化层采用包括磁控溅射、pecvd、lpcvd中的一种工艺进行镀膜。
12.本发明还提供上述的硅基gan hemt散热增强封装结构的制备方法，包括以下步骤：步骤1），对硅衬底进行清洗；步骤2），在硅衬底上依次外延生长gan缓冲层、gan沟道层和algan势垒层，得到硅基氮化镓外延片；步骤3），在步骤2）的外延片表面进行氮化硅介质材料镀膜，对algan势垒层表面进行钝化，降低界面态密度，得到钝化的外延片；步骤4），使用化学机械抛光使步骤3）中钝化的外延片表面平整化；步骤5），进行源欧姆电极、漏欧姆电极图形化刻蚀；步骤6），蒸镀或溅射ti/al/ni/au多元合金金属膜，进行金属剥离；步骤7），在850摄氏度，氮气气氛快速热退火30秒，制备源欧姆电极和漏欧姆电极；步骤8），进行栅电极图形化刻蚀；步骤9），蒸镀或溅射ni/au多元合金金属膜，进行金属剥离，制备肖特基栅电极；步骤10），剥离硅衬底；步骤11），将剥离获得的gan hemt倒置于柔性临时衬底；步骤12），将gan缓冲层与高导热层粘接起来；步骤13），去除柔性临时衬底；步骤14），将高导热层通过芯片粘接方式与基板连接。
13.本发明的硅基gan hemt散热增强封装结构，通过将硅基gan hemt的有源层从硅衬底上剥离下来，并且将其缓冲层与高导热层连接起来，然后将其通过芯片粘接的方式与封装基板连接，从而避免了硅基材料导致的热量集聚效应，提高了高功率密度gan hemt芯片的散热能力；此外，能与现有的先进封装结构和封装散热技术兼容，显著提升封装芯片的电热性能和可靠性；本发明使用的硅基氮化镓外延片尺寸较大、成本较低，有利于大规模量产，具有较高的价值。
附图说明
14.图1是本发明的硅基gan hemt散热增强封装结构的示意图；图2是本发明的硅基gan hemt散热增强封装结构在制备过程中的示意图；图2（a~f）分别是步骤9~14）得到的器件结构示意图；图中：1-基板，2-高导热层，3-gan缓冲层，4-gan沟道层，5-algan势垒层，6-源欧姆电极，7-肖特基栅电极，8-漏欧姆电极，9-介质钝化层，10-柔性临时衬底，11-硅衬底。
具体实施方式
15.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
16.实施例1一种硅基gan hemt（氮化镓高电子迁移率晶体管）散热增强封装结构，通过以下步骤制备：步骤1），对硅衬底进行清洗；步骤2），在硅衬底上，采用金属有机物化学气相淀积依次外延生长gan缓冲层、gan沟道层和algan势垒层，得到硅基氮化镓外延片；步骤3），在步骤2）的外延片表面利用pecvd进行氮化硅介质材料镀膜，对algan势垒层表面进行钝化，降低界面态密度，得到钝化的外延片；步骤4），使用化学机械抛光使步骤3）中钝化的外延片表面平整化；步骤5），进行源欧姆电极、漏欧姆电极图形化刻蚀；步骤6），蒸镀或溅射ti/al/ni/au多元合金金属膜，进行金属剥离；步骤7），在850摄氏度，氮气气氛快速热退火30秒，制备源欧姆电极和漏欧姆电极；步骤8），进行栅电极图形化刻蚀；步骤9），蒸镀或溅射ni/au多元合金金属膜，进行金属剥离，制备肖特基栅电极；步骤10），通过激光剥离或牺牲层剥离的方法剥离硅衬底；步骤11），将剥离获得的gan hemt倒置于柔性临时衬底；步骤12），通过电子束蒸发的方式将gan缓冲层用高导热层铜覆盖起来；步骤13），去除柔性临时衬底；步骤14），将高导热层通过烧结铜的方式与直接覆铜基板连接。
17.制备得到的硅基gan hemt散热增强封装结构中，以直接覆铜基板为载体，通过烧结铜的方式与高导热层铜相连接，高导热层铜上方与gan hemt相连接，gan hemt从下往上依次包括gan缓冲层、gan沟道层、algan势垒层、氮化硅介质钝化层以及ti/al/ni/au合金制备的源欧姆电极、漏欧姆电极，ni/au合金制备的肖特基栅电极，gan缓冲层厚度为2.5微米，gan沟道层厚度为0.3微米，algan势垒层厚度为20纳米，其中al摩尔组分为0.25。
18.上述结构能够有效避免gan hemt硅衬底导致的散热差的问题，提高大功率密度gan hemt芯片的散热能力和可靠性；且能够与现有的先进封装结构和封装散热技术兼容和复用。
19.上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。