寬禁帶半導(dǎo)體器件及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種寬禁帶半導(dǎo)體器件及其制作方法，屬于半導(dǎo)體制備【技術(shù)領(lǐng)域】。它解決了現(xiàn)有寬禁帶半導(dǎo)體器件中易受熱膨脹影響的問(wèn)題。本寬禁帶半導(dǎo)體器件包括使用寬禁帶半導(dǎo)體材料為襯底的芯片和使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的底座，并在所述的底座上設(shè)有放置芯片的凹槽結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供了一種制作本寬禁帶半導(dǎo)體器件的方法。本發(fā)明的寬禁帶半導(dǎo)體器件的芯片襯底和底座均采用寬禁帶半導(dǎo)體材料制成，能夠達(dá)到快速散熱的目的；同時(shí)由于熱膨脹系數(shù)和散熱系數(shù)基本相同，因此不需要在底部或者附屬配件上增加調(diào)整熱膨脹系數(shù)的各種材料，極大的簡(jiǎn)化了寬禁帶半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，減小了熱膨脹的影響，提高了穩(wěn)定性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
寬禁帶半導(dǎo)體器件及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種半導(dǎo)體器件及其制備方法，特別涉及一種使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的寬禁帶半導(dǎo)體器件及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]寬禁帶半導(dǎo)體材料是指能隙大于或等于2.3eV的半導(dǎo)體材料，它被稱(chēng)為第三代半導(dǎo)體材料。主要包括金剛石、碳化硅、氮化鎵等。和第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大，電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)電性能好的特點(diǎn)，其本身具有優(yōu)越的性質(zhì)和潛在的巨大前景。
[0003]現(xiàn)有的芯片技術(shù)中，芯片的底部需要依次固連銅散熱層、絕緣層、銅散熱層、焊接連接層和銅散熱層，為了增加散熱性，還需要最后固連散熱片，這些絕緣層和金屬散熱層是半導(dǎo)體器件中必不可少的散熱結(jié)構(gòu)，設(shè)置絕緣層是為了能夠引出正負(fù)極，多層的散熱層是為了保證芯片的散熱效率。
[0004]雖然寬禁帶半導(dǎo)體器件具有較好的應(yīng)用前景，但是現(xiàn)有的使用寬禁帶材料的寬禁帶半導(dǎo)體器件，由于襯底材料的高價(jià)格，從而導(dǎo)致普及的速度十分緩慢。另外，絕緣層和銅散熱層以及芯片的襯底采用不同的材質(zhì)，其熱膨脹率是不同的。因此半導(dǎo)體器件或模組需要調(diào)整附屬配件的熱膨脹系數(shù)和散熱系數(shù)，導(dǎo)致半導(dǎo)體器件或模組變得結(jié)構(gòu)復(fù)雜和高價(jià)格，可靠性不高。因?yàn)閷捊麕О雽?dǎo)體器件可以在攝氏350度的高溫下可以正常工作，但是在開(kāi)關(guān)的高低溫下，半導(dǎo)體器件的附屬配件的熱疲勞而使得現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件的可靠性大幅降低，縮短了器件的壽命甚至不能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在上述問(wèn)題，提出了一種寬禁帶半導(dǎo)體器件，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何消除寬禁帶半導(dǎo)體器件中各部分熱膨脹差異性的影響同時(shí)提高其散熱性能。
[0006]本發(fā)明通過(guò)下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，包括使用寬禁帶半導(dǎo)體材料為襯底的芯片和使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的底座，并在所述的底座上設(shè)有放置芯片的凹槽結(jié)構(gòu)。
[0007]本寬禁帶半導(dǎo)體器件中芯片的襯底采用寬禁帶半導(dǎo)體材料制成，并且底座也采用寬禁帶半導(dǎo)體材料制成，這樣單單一個(gè)底座就能夠代替現(xiàn)有的絕緣層和多個(gè)金屬層，實(shí)現(xiàn)絕緣和散熱的雙重功能，結(jié)構(gòu)得到極大的簡(jiǎn)化，同時(shí)由于芯片的襯底和底座均采用寬禁帶半導(dǎo)體材料制成，兩者的散熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)相同或者相近，消除了寬禁帶半導(dǎo)體器件中各部分熱膨脹系數(shù)差異性大的問(wèn)題，不需要對(duì)底座做出特別的熱膨脹系數(shù)匹配處理，底座結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。在底座上設(shè)置放置芯片的凹槽，通過(guò)該凹槽能夠快速準(zhǔn)確定位芯片的位置，同時(shí)也能將芯片固定牢靠。
[0008]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述的底座和芯片之間通過(guò)導(dǎo)熱層連接，所述的導(dǎo)熱層通過(guò)填充在凹槽結(jié)構(gòu)處的金屬粉燒結(jié)而成或者通過(guò)焊接連接固定。通過(guò)底座和芯片之間的導(dǎo)熱層進(jìn)行熱傳遞能夠?qū)崿F(xiàn)散熱功能，能夠保證本寬禁帶半導(dǎo)體器件的散熱效果?？梢圆捎脤⒔饘俜蹮Y(jié)在該凹槽結(jié)構(gòu)處，也可以采用點(diǎn)焊、回流焊等焊接而成，凹槽結(jié)構(gòu)能夠?qū)?dǎo)熱層起到限定位置作用，限制了其四周的自由度，上述的連接方式牢固可靠，不易滑動(dòng)脫落，也方便固定芯片。
[0009]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，導(dǎo)熱層具有導(dǎo)電性。導(dǎo)熱層在導(dǎo)熱散熱的同時(shí)也具有較好的導(dǎo)電性，能夠簡(jiǎn)化半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
[0010]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，金屬粉為粉狀的金屬銀。導(dǎo)熱層優(yōu)選為金屬銀制成，因?yàn)殂y具有較高的性?xún)r(jià)比，使用錫、銅、鋁等金屬的導(dǎo)熱性能沒(méi)有銀好，而黃金的價(jià)格昂貴，使用成本高。使用銀粉時(shí)其顆粒的粒徑越小越好，銀粉的粒徑在納米級(jí)別的時(shí)候，與微米級(jí)別的銀粉相比較，燒結(jié)的溫度能夠下降30°c?80°C。
[0011 ] 在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述的導(dǎo)熱層的厚度為10 μ m?75 μ m。既要保證散熱效果，也要考慮導(dǎo)熱層的制成成本，綜合考量，這一厚度的性?xún)r(jià)比高，能夠符合要求。
[0012]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述的芯片的襯底材料和所述的底座的材料含有相同的化學(xué)成分。寬禁帶材料的化學(xué)成分相同，保證了熱膨脹系數(shù)和散熱系數(shù)基本相同，在散熱過(guò)程中，不會(huì)如同現(xiàn)有技術(shù)一樣出現(xiàn)受不同材質(zhì)不同的熱膨脹率影響而導(dǎo)致變形脫落等現(xiàn)象，也不需要另外增加調(diào)整熱膨脹的材料，能夠簡(jiǎn)化本半導(dǎo)體器件。
[0013]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述的底座包括導(dǎo)電性寬禁帶材料層和半絕緣性寬禁帶材料層，導(dǎo)電性寬禁帶材料層和半絕緣性寬禁帶材料層重疊或多層交替重疊。底座的導(dǎo)電性寬禁帶材料層保證了其導(dǎo)電性能，使芯片能夠正常使用，而半絕緣性寬禁帶材料層起到阻隔電流的作用，分化兩極，防止短路。采用多層交替重疊的方式能夠進(jìn)一步增強(qiáng)散熱效果。
[0014]導(dǎo)電性寬禁帶材料是通過(guò)半導(dǎo)體加工工藝中的摻雜工藝摻雜硼、氮等元素使寬禁帶材料具有導(dǎo)電性，用于芯片的制作；半絕緣性寬禁帶材料可以是半絕緣性的碳化硅、三氧化_■嫁等。
[0015]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述的芯片的襯底采用導(dǎo)電性寬禁帶材料制成，所述的底座采用半絕緣性寬禁帶材料制成，所述芯片的襯底和所述底座之間通過(guò)所述的導(dǎo)熱層連接。導(dǎo)熱層能夠?yàn)樾酒瑢?dǎo)電和傳遞并散發(fā)熱量。
[0016]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述的導(dǎo)電性寬禁帶材料層和半絕緣性寬禁帶材料層之間設(shè)有能導(dǎo)電和/或?qū)岬膶?dǎo)體。該導(dǎo)體能夠有效保證底座上熱傳導(dǎo)的持續(xù)性和穩(wěn)定性，也可以用于電傳導(dǎo)。同時(shí)還可以作為引出正極或負(fù)極用。
[0017]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述的芯片底部具有導(dǎo)電性的芯片金屬鍍層，所述的芯片金屬鍍層具有凹凸結(jié)構(gòu)。通過(guò)芯片金屬鍍層連接芯片和導(dǎo)熱層，從而將芯片與底座電連接，將芯片電極的形成位置加以變更，使之能夠通過(guò)導(dǎo)熱層起到更好地散熱效果，以至于在任何場(chǎng)合都能夠高效率的散熱；芯片金屬鍍層具有凹凸結(jié)構(gòu)能夠增加接觸面積，提高電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)的效果。該芯片金屬鍍層可以采用鍍銀或者鍍金或者鍍鎳，其導(dǎo)電性能好。
[0018]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述芯片金屬鍍層的凹凸結(jié)構(gòu)為均勻分布在芯片金屬鍍層表面的凹坑或者為均勻分布在芯片金屬鍍層表面的外凸的倒刺。采用相間隔的凹坑或外凸的倒刺都能夠達(dá)到增加接觸面積使芯片與底座接觸更加牢固的作用，當(dāng)然也可以采用其他的變形形式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，其效果基本一樣的。
[0019]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述凹槽結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)槽壁向外傾斜設(shè)置，形成槽口大槽底小的凹槽形狀。作為傾斜設(shè)置的角度，相對(duì)90度的垂直面，向外傾斜角度為在10度以?xún)?nèi)，包含10度。最佳為8度。采用槽口大槽底小的凹槽形狀便于向凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)填置金屬粉，以方便后續(xù)的燒結(jié)固定，也便于焊接固定。該傾斜角度優(yōu)選為8°，散熱導(dǎo)熱層與寬禁帶半導(dǎo)體芯片的接觸面積大，便于及時(shí)的傳遞和散發(fā)熱量，能夠保證散熱導(dǎo)熱層的散熱效果不受影響。
[0020]作為凹槽結(jié)構(gòu)的第一種方案，在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述的凹槽結(jié)構(gòu)包括開(kāi)設(shè)在底座上的凹槽和凹槽金屬導(dǎo)體，所述的凹槽金屬導(dǎo)體填充滿(mǎn)凹槽并外延至凹槽夕卜，在凹槽金屬導(dǎo)體上開(kāi)設(shè)有導(dǎo)體凹槽。凹槽金屬導(dǎo)體填充滿(mǎn)凹槽至槽口，保證了底座導(dǎo)體的牢固穩(wěn)定，該凹槽金屬導(dǎo)體能夠起到電傳導(dǎo)作用，該凹槽金屬導(dǎo)體與底座的接觸面積大，能夠保證電傳導(dǎo)的足夠穩(wěn)定，也保證了散熱效果的穩(wěn)定性和高效率；在凹槽金屬導(dǎo)體上也形成有同樣的導(dǎo)體凹槽，便于導(dǎo)熱層的固定安裝，增加牢固性。
[0021]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述凹槽金屬導(dǎo)體的表面具有凹凸結(jié)構(gòu)。該凹凸結(jié)構(gòu)能夠增加接觸面積，提高電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)的效果。
[0022]作為凹槽結(jié)構(gòu)的第二種方案，在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述凹槽結(jié)構(gòu)的底部和一部分或全部的內(nèi)側(cè)槽壁鍍有凹槽金屬鍍層，所述的凹槽金屬鍍層外延至凹槽結(jié)構(gòu)槽口周邊的底座表面。凹槽結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)槽壁與底座的面積大，將其鍍上凹槽金屬鍍層，能夠提高芯片通過(guò)導(dǎo)熱層與底座的電傳導(dǎo)和熱傳遞，充分利用接觸面來(lái)保證電傳導(dǎo)和熱傳遞的穩(wěn)定性。同上述第一種方案作用相同，該凹槽金屬鍍層能夠起到電傳導(dǎo)作用，也保證了散熱效果的穩(wěn)定性和高效率；同時(shí)該凹槽金屬鍍層只覆蓋凹槽側(cè)壁和底部，厚度薄，能夠節(jié)省凹槽金屬鍍層的制作材料，從而節(jié)省生產(chǎn)成本。
[0023]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述的凹槽金屬鍍層為一層或多層且表面一層凹槽金屬鍍層具有凹凸結(jié)構(gòu)。該凹凸結(jié)構(gòu)也能夠增加接觸面積，提高電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)的效果，也能增加與其他部件連接的牢固性。
[0024]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，由所述芯片的底部開(kāi)始向外傾斜延伸到達(dá)底座底部的位置a與底座外邊緣b之間具有一段距離L。根據(jù)熱量傳導(dǎo)的擴(kuò)散區(qū)域和范圍，這樣的設(shè)置能夠保證熱傳導(dǎo)的區(qū)域范圍，從而保證散熱效果。如果傾斜延伸不能到達(dá)底座底部，則熱量會(huì)積聚在底座的側(cè)部而不能及時(shí)通過(guò)底座底部散發(fā)。
[0025]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，所述芯片的底部向外傾斜延伸到達(dá)底座底部的傾斜角度范圍為25°?65°。熱量在向四周傳遞時(shí)，主要是引導(dǎo)其通過(guò)導(dǎo)熱層向下傳遞，為了保證其傳熱效果，底座邊緣足夠大，來(lái)保證散熱，根據(jù)散熱效果的制成成本、占用空間的綜合考量，從熱傳遞的方向上設(shè)定這樣的參考角度，來(lái)達(dá)到較高的性?xún)r(jià)比，該角度范圍中優(yōu)選為45°。
[0026]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，由所述芯片的底部開(kāi)始向外傾斜延伸到達(dá)底座上表面的位置c與凹槽金屬鍍層外邊緣d之間具有一段距離L'。根據(jù)熱量傳導(dǎo)的擴(kuò)散區(qū)域和范圍，這樣能夠保證散熱的順利進(jìn)行，達(dá)到較好的散熱效果。
[0027]作為底座的改進(jìn)，在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，在底座底部設(shè)置有散熱片。寬禁帶半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱量傳遞到底座后，再通過(guò)散熱片及時(shí)散發(fā)出去，保持芯片工作在正常的溫度水平，器件的可靠性和使用壽命也大幅提高。
[0028]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，寬禁帶半導(dǎo)體材料為碳化硅。
[0029]本發(fā)明還提供一種寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法，其特征在于，在寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的底座上設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)，用粉狀的金屬填充凹槽結(jié)構(gòu)形成導(dǎo)熱層，在導(dǎo)熱層上放置使用寬禁帶半導(dǎo)體材料為襯底的芯片，經(jīng)過(guò)燒結(jié)或焊接使金屬與芯片之間、金屬與底座之間具有熱傳導(dǎo)能力和/或?qū)щ娔芰?，形成寬禁帶半?dǎo)體器件。
[0030]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法中，所述的燒結(jié)采用加壓燒結(jié)工藝或真空燒結(jié)工藝。
[0031]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法中，所述導(dǎo)熱層3的厚度由凹槽結(jié)構(gòu)4的凹槽深度進(jìn)行控制。
[0032]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法中，燒結(jié)是在惰性氣體氛圍中以230?330攝氏度的溫度、對(duì)芯片施加5?40MPa/cm2的壓力持續(xù)加熱20?35分鐘。
[0033]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法中，作為優(yōu)選方案，所述的燒結(jié)是在惰性氣體氛圍中以250攝氏度的溫度、對(duì)芯片施加30MPa/cm2的壓力持續(xù)加熱30分鐘。
[0034]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法中，金屬顆粒的粒徑為納米級(jí)顆粒時(shí)，燒結(jié)是在惰性氣體氛圍中以180?280攝氏度的溫度、對(duì)芯片施加5?40MPa/cm2的壓力持續(xù)加熱20?35分鐘。銀粉的粒徑在納米級(jí)別的時(shí)候，與微米級(jí)別的銀粉相比較，燒結(jié)的溫度能夠下降30°C?80°C。
[0035]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法中，在進(jìn)行燒結(jié)或焊接前，所述芯片的底部上預(yù)先設(shè)置一層具有導(dǎo)電性的芯片金屬鍍層，并在芯片金屬鍍層上設(shè)置凹凸結(jié)構(gòu)。通過(guò)該芯片金屬鍍層將芯片與底座電連接，將芯片的電極的形成位置加以變更，使之能夠通過(guò)導(dǎo)熱層起到更好地散熱效果，以至于在任何場(chǎng)合都能夠高效率的散熱。
[0036]在上述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法中，在進(jìn)行燒結(jié)或焊接前，先在底座上開(kāi)設(shè)凹槽，再在凹槽上鍍上凹槽金屬鍍層，凹槽設(shè)置為槽口大槽底小的凹槽形狀，凹槽金屬鍍層上設(shè)有凹凸結(jié)構(gòu)。該凹槽能夠起到定位和固定作用，將芯片固設(shè)在該凹槽處，定位方便精準(zhǔn)，同時(shí)將導(dǎo)熱層燒結(jié)或焊接在該凹槽處，起到限定位置作用，限制了其四周的自由度，牢固可靠，不易滑動(dòng)脫落；同時(shí)能夠保證寬禁帶半導(dǎo)體芯片的散熱效果，凹槽金屬鍍層上設(shè)有凹凸結(jié)構(gòu)能夠增大接觸面積，進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)電性能和散熱效果。
[0037]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的寬禁帶半導(dǎo)體器件的芯片襯底和底座均采用寬禁帶半導(dǎo)體材料制成，芯片上產(chǎn)生的熱量能夠轉(zhuǎn)移到底座上再散發(fā)出去，采用散熱性能好的寬禁帶半導(dǎo)體材料能夠達(dá)到快速散熱的目的；同時(shí)由于熱膨脹系數(shù)和散熱系數(shù)基本相同，因此不需要在底部或者附屬配件上增加調(diào)整熱膨脹系數(shù)的各種材料，極大的簡(jiǎn)化了寬禁帶半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，減小了熱膨脹的影響，提高了穩(wěn)定性；芯片通過(guò)底座上的凹槽固定在底座上，能夠快速準(zhǔn)確定位，同時(shí)也能固定牢靠。凹槽內(nèi)的凹槽金屬鍍層或凹槽金屬導(dǎo)體都能夠?qū)⑿酒a(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到芯片外，具有提高芯片散熱的作用。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0038]圖1是本寬禁帶半導(dǎo)體器件的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖2是本寬禁帶半導(dǎo)體器件中底座的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖3是實(shí)施例一中寬禁帶半導(dǎo)體器件燒結(jié)后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖4是實(shí)施例二中寬禁帶半導(dǎo)體器件燒結(jié)后截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖5是實(shí)施例三中寬禁帶半導(dǎo)體器件的截面示意圖；
[0043]圖6是實(shí)施例四中寬禁帶半導(dǎo)體器件燒結(jié)前的截面示意圖；
[0044]圖7是實(shí)施例五中寬禁帶半導(dǎo)體器件燒結(jié)前的截面示意圖；
[0045]圖8是實(shí)施例六中寬禁帶半導(dǎo)體器件的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046]圖中，1、芯片；2、底座；21、導(dǎo)電性寬禁帶材料層；22、半絕緣性寬禁帶材料層；3、導(dǎo)熱層；4、凹槽結(jié)構(gòu)；41、凹槽；42、凹槽金屬鍍層；43、凹槽金屬導(dǎo)體；44、導(dǎo)體凹槽；5、芯片金屬鍍層；6、散熱片。

【具體實(shí)施方式】
[0047]以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例，并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。
[0048]實(shí)施例一
[0049]如圖1和圖2所示，本寬禁帶半導(dǎo)體器件包括使用寬禁帶半導(dǎo)體材料為襯底的芯片I和使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的底座2，并在底座上2設(shè)有放置芯片I的凹槽結(jié)構(gòu)4，并且芯片的襯底材料和底座的材料含有相同的化學(xué)成分。芯片I的襯底和底座2均采用寬禁帶半導(dǎo)體材料中的碳化硅制成，芯片I上產(chǎn)生的熱量能夠轉(zhuǎn)移到底座2上再散發(fā)出去，底座2采用散熱性能好的碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體材料能夠快速散熱；同時(shí)由于熱膨脹系數(shù)基本相同，因此不需要在芯片I的底部或者附屬配件上增加調(diào)整熱膨脹系統(tǒng)的各種材料，極大的簡(jiǎn)化了寬禁帶半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，減小了熱膨脹的影響，提高了其導(dǎo)熱和導(dǎo)電的穩(wěn)定性；芯片I通過(guò)底座上的凹槽結(jié)構(gòu)4固定在底座2上，能夠快速準(zhǔn)確定位，同時(shí)也能固定牢靠。通過(guò)調(diào)節(jié)凹槽結(jié)構(gòu)4的位置和深度可以在燒結(jié)時(shí)控制燒結(jié)導(dǎo)熱層3的位置和厚度。
[0050]具體來(lái)說(shuō)，如圖2和圖3所示，凹槽結(jié)構(gòu)4的內(nèi)側(cè)槽壁向外傾斜設(shè)置，形成槽口大槽底小的凹槽形狀，作為傾斜設(shè)置的角度，相對(duì)90度的垂直面，凹槽結(jié)構(gòu)4的內(nèi)側(cè)槽壁向外傾斜角度α為8度，作為一般產(chǎn)品的情況，傾斜角度α可以在10度以?xún)?nèi)，包含10度。凹槽結(jié)構(gòu)4的底部和全部的內(nèi)側(cè)槽壁鍍有凹槽金屬鍍層42，凹槽金屬鍍層42外延至凹槽結(jié)構(gòu)4槽口周邊的底座2表面。凹槽金屬鍍層42采用銀材料鍍層。作為代替的產(chǎn)品，凹槽結(jié)構(gòu)4可以是底部和一部分內(nèi)側(cè)槽壁鍍有凹槽金屬鍍層42，即四個(gè)側(cè)面的一個(gè)、二個(gè)或者三個(gè)側(cè)面。
[0051]如圖2所示，芯片I的襯底采用導(dǎo)電性寬禁帶材料制成，底座2采用半絕緣性寬禁帶材料制成，芯片I和底座2之間通過(guò)導(dǎo)熱層3連接，導(dǎo)熱層3通過(guò)填充在凹槽結(jié)構(gòu)4處的金屬銀粉燒結(jié)而成。通過(guò)調(diào)節(jié)凹槽結(jié)構(gòu)4的位置和深度可以在燒結(jié)時(shí)控制燒結(jié)導(dǎo)熱層3的位置和厚度。除了燒結(jié)方式外，還可以采用焊接方式將導(dǎo)熱層3固連，具體焊接方式可為點(diǎn)焊或者回流焊。導(dǎo)熱層3的厚度為20 μ m，作為一般情況，導(dǎo)熱層3的厚度可以為ΙΟμπι?75 μ m中任一值。如圖2所示，芯片I的底部開(kāi)始向外傾斜延伸到達(dá)底座2底部的位置a與底座2外邊緣b之間具有一段距離L，芯片I的底部向外傾斜延伸到達(dá)底座2底部的傾斜角度β為45°，作為一般情況，β也可以是25°?65°中任一值。由芯片I的底部開(kāi)始向外傾斜延伸到達(dá)底座2上表面的位置c與凹槽金屬鍍層42外邊緣d之間具有一段距離L'。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)能使熱量達(dá)到底部而不是聚集在底座側(cè)部的中間而不能及時(shí)散發(fā)。
[0052]本實(shí)施例中凹槽結(jié)構(gòu)4的導(dǎo)熱層3優(yōu)選采用金屬銀，其顆粒的粒徑越小越好，銀粉的粒徑在納米級(jí)別的時(shí)候，與微米級(jí)別的銀粉相比較，燒結(jié)的溫度能夠下降30°C?80°C，該凹槽結(jié)構(gòu)4能夠起到很好的定位和固定作用，將導(dǎo)熱層3和芯片I固設(shè)在該凹槽結(jié)構(gòu)4處，定位方便精準(zhǔn)，同時(shí)限制了其四周的自由度，牢固可靠，不易滑動(dòng)脫落；導(dǎo)熱層采用金屬銀的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能好，在連接底座2和芯片I時(shí)能夠保證芯片I的散熱效果。上述方案減少了寬禁帶半導(dǎo)體器件中金屬熱疲勞的產(chǎn)生，使其耐熱性好、在提高其散熱性能的同時(shí)也保證了其導(dǎo)電性。它將以前為了調(diào)整各種配件的膨脹系數(shù)的材料大幅減少，使結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)約，而且各種配件使用的材料的熱膨脹系數(shù)都經(jīng)過(guò)匹配調(diào)整后，即使在高溫下，可靠性也大幅的提高，同時(shí)大幅降低了成本。使用本發(fā)明的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)、材料，不管芯片I的襯底、底座2的導(dǎo)電性與絕緣性如何，也不管如何組合，均能夠提供最高的散熱特性，而且由于不需要熱膨脹系數(shù)的整合，器件的使用壽命和可靠性大幅提高。
[0053]實(shí)施例二
[0054]如圖3所不,本實(shí)施例的內(nèi)容基本同實(shí)施例一相同，不同點(diǎn)在于,芯片I的底部具有導(dǎo)電性的芯片金屬鍍層5 ;芯片金屬鍍層5具有凹凸結(jié)構(gòu)。芯片金屬鍍層5的凹凸結(jié)構(gòu)為均勻分布在芯片金屬鍍層5表面的凹坑，采用相間隔的凹坑能夠達(dá)到增加接觸面積使芯片I與底座2接觸更加牢固的作用，當(dāng)然也可以采用均勻分布在芯片金屬鍍層5表面的外凸的倒刺等其他的變形形式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，凹凸結(jié)構(gòu)能夠提高電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)的效果。同樣的，底座上的凹槽金屬鍍層42為一層且凹槽金屬鍍層42具有凹凸結(jié)構(gòu)，凹凸結(jié)構(gòu)為均勻分布在凹槽金屬鍍層42表面的凹坑。當(dāng)然上述的凹凸結(jié)構(gòu)也可以采用不均勻的分布。
[0055]實(shí)施例三
[0056]如圖5所示，本實(shí)施例的內(nèi)容基本同實(shí)施例一或者實(shí)施例二相同，不同點(diǎn)在于，如圖5所示，不同之處在于，凹槽金屬鍍層42為多層且表面一層凹槽金屬鍍層42具有凹凸結(jié)構(gòu)，凹凸結(jié)構(gòu)為均勻分布在凹槽金屬鍍層42表面的凹坑。采用相間隔的凹坑能夠達(dá)到增加接觸面積使芯片I與底座2接觸更加牢固的作用，當(dāng)然也可以采用均勻分布在凹槽金屬鍍層42表面的外凸的倒刺等其他的變形形式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，其效果基本一樣的。能夠提高電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)的效果。
[0057]實(shí)施例四
[0058]如圖6所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一或?qū)嵤├驅(qū)嵤├鞠嗤?，不同之處在于，底?包括導(dǎo)電性寬禁帶材料層21和半絕緣性寬禁帶材料層22，導(dǎo)電性寬禁帶材料層21和半絕緣性寬禁帶材料層22重疊或多層交替重疊，導(dǎo)電性寬禁帶材料層21和半絕緣性寬禁帶材料層22之間設(shè)有一層能導(dǎo)電和導(dǎo)熱的導(dǎo)體，通過(guò)導(dǎo)熱層3、半絕緣性寬禁帶材料層22和導(dǎo)電性寬禁帶材料層21依次減弱導(dǎo)電性能夠加快散熱效果；導(dǎo)電性寬禁帶材料層21和的半絕緣性寬禁帶材料層22之間重疊的部分設(shè)有導(dǎo)體，該導(dǎo)體能夠有效保證芯片產(chǎn)生的熱量迅速通過(guò)半絕緣性寬禁帶材料層22和導(dǎo)電性寬禁帶材料層21，在現(xiàn)階段，導(dǎo)電性寬禁帶材料的成本低于半絕緣性寬禁帶材料的成本，本實(shí)施例能夠有效降低寬禁帶器件的成本。
[0059]實(shí)施例五
[0060]如圖7所示,本實(shí)施例與實(shí)施例一或?qū)嵤├驅(qū)嵤├驅(qū)嵤├幕鞠嗤煌幵谟?，作為凹槽結(jié)構(gòu)4的第二種方案，凹槽結(jié)構(gòu)4包括開(kāi)設(shè)在底座2上的凹槽41和凹槽金屬導(dǎo)體43，凹槽金屬導(dǎo)體43填充滿(mǎn)凹槽41并外延至凹槽41外，在凹槽金屬導(dǎo)體43上開(kāi)設(shè)有導(dǎo)體凹槽44，導(dǎo)體凹槽44的底面高度高于底座2表面，凹槽金屬導(dǎo)體43的表面具有凹凸結(jié)構(gòu)。凹槽金屬導(dǎo)體填充滿(mǎn)凹槽至槽口，保證了底座導(dǎo)體的牢固穩(wěn)定，該凹槽金屬導(dǎo)體43能夠起到電傳導(dǎo)作用，該凹槽金屬導(dǎo)體43與底座2的接觸面積大，能夠保證電傳導(dǎo)的足夠穩(wěn)定，也保證了散熱效果的穩(wěn)定性和高效率；在凹槽金屬導(dǎo)體43上也形成有同樣的導(dǎo)體凹槽44，便于導(dǎo)熱層3的固定安裝，增加牢固性。該凹凸結(jié)構(gòu)能夠增加接觸面積，提高電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)的效果。
[0061]實(shí)施例六
[0062]本實(shí)施例與實(shí)施例一至五中的任意一個(gè)基本相同，不同之處在于，如圖8所不,在底座2底部設(shè)置有散熱片6，芯片I產(chǎn)生的熱量傳遞到底座2后，再通過(guò)散熱片6及時(shí)散發(fā)出去，保持芯片I的工作溫度處于正常水平，器件的可靠性和使用壽命也大幅提高。
[0063]實(shí)施例七
[0064]本實(shí)施例是提供一種制備上述寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法，具體的來(lái)說(shuō)，在寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的底座2上設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)4，在凹槽結(jié)構(gòu)4內(nèi)固設(shè)導(dǎo)熱層3，導(dǎo)熱層3可以用粉狀的金屬填充凹槽結(jié)構(gòu)4并燒結(jié)的方式固定在凹槽結(jié)構(gòu)4上，或采用焊接的方式將導(dǎo)熱層3固定在凹槽結(jié)構(gòu)4上，并在導(dǎo)熱層3上放置芯片1，經(jīng)過(guò)燒結(jié)或焊接使導(dǎo)熱層3與芯片I之間、導(dǎo)熱層3與底座2之間互相連接成為具有導(dǎo)電能力的寬禁帶半導(dǎo)體器件。芯片I的襯底也采用寬禁帶半導(dǎo)體材料制成；本實(shí)施例中，導(dǎo)熱層3用金屬銀。在進(jìn)行燒結(jié)前，芯片I的底部上預(yù)先設(shè)置一層具有導(dǎo)電性的芯片金屬鍍層5，并在芯片金屬鍍層5上設(shè)置凹凸結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行燒結(jié)前，凹槽結(jié)構(gòu)4是先在底座2上開(kāi)設(shè)凹槽41，再在凹槽41上鍍上凹槽金屬鍍層42，凹槽41設(shè)置為槽口大槽底小的凹槽形狀，凹槽金屬鍍層42上設(shè)有凹凸結(jié)構(gòu)；燒結(jié)是在惰性氣體氛圍中以230攝氏度的溫度、對(duì)芯片I施加5MPa/cm2的壓力持續(xù)加熱20分鐘。
[0065]實(shí)施例八
[0066]本實(shí)施例與實(shí)施例七基本相同，不同之處在于，作為第二種情況，燒結(jié)是在惰性氣體氛圍中以330攝氏度的溫度、對(duì)芯片I施加40MPa/cm2的壓力持續(xù)加熱35分鐘。
[0067]實(shí)施例九
[0068]本實(shí)施例與實(shí)施例七和實(shí)施例八基本相同,不同之處在于,作為優(yōu)選方案，燒結(jié)是在惰性氣體氛圍中以250攝氏度的溫度、對(duì)芯片I施加30MPa/cm2的壓力持續(xù)加熱30分鐘。
[0069]實(shí)施例十
[0070]本實(shí)施例與實(shí)施例七或?qū)嵤├嘶驅(qū)嵤├呕鞠嗤?，不同之處在于，本?shí)施例中的金屬銀顆粒的粒徑為納米級(jí)顆粒，燒結(jié)時(shí)的溫度與實(shí)施例七或?qū)嵤├嘶驅(qū)嵤├畔鄑匕，根據(jù)顆粒粒徑大小的不同其燒結(jié)溫度可以降低30°C?80°C。
[0071]本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類(lèi)似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，包括使用寬禁帶半導(dǎo)體材料為襯底的芯片(I)和使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的底座(2)，并在所述的底座(2)上設(shè)有放置芯片(I)的凹槽結(jié)構(gòu)⑷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述的底座(2)和芯片(I)之間通過(guò)導(dǎo)熱層(3)連接，所述的導(dǎo)熱層(3)通過(guò)填充在凹槽結(jié)構(gòu)(4)處的金屬粉燒結(jié)而成或者通過(guò)焊接連接固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述導(dǎo)熱層(3)具有導(dǎo)電性。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，金屬粉為粉狀的金屬銀。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述的導(dǎo)熱層(3)的厚度為10 μ m?75 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述的芯片(I)的襯底材料和所述的底座(2)的材料含有相同的化學(xué)成分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述的底座(2)包括導(dǎo)電性寬禁帶材料層(21)和半絕緣性寬禁帶材料層(22)，導(dǎo)電性寬禁帶材料層(21)和半絕緣性寬禁帶材料層(22)重疊或多層交替重疊。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述的芯片(I)的襯底采用導(dǎo)電性寬禁帶材料制成，所述的底座(2)采用半絕緣性寬禁帶材料制成，所述芯片(I)的襯底和所述底座(2)之間通過(guò)所述導(dǎo)熱層(3)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述的導(dǎo)電性寬禁帶材料層(21)和半絕緣性寬禁帶材料層(22)之間設(shè)有一層能導(dǎo)電和導(dǎo)熱的導(dǎo)體。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述的芯片(I)底部具有導(dǎo)電性的芯片金屬鍍層(5)，所述的芯片金屬鍍層(5)具有凹凸結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述芯片金屬鍍層(5)的凹凸結(jié)構(gòu)為均勻分布在芯片金屬鍍層(5)表面的凹坑或者為均勻分布在芯片金屬鍍層(5)表面的外凸的倒刺。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述凹槽結(jié)構(gòu)(4)的內(nèi)側(cè)槽壁向外傾斜設(shè)置，形成槽口大槽底小的凹槽形狀。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述凹槽結(jié)構(gòu)(4)的底部和一部分或全部的內(nèi)側(cè)槽壁鍍有凹槽金屬鍍層(42)，所述的凹槽金屬鍍層(42)外延至凹槽結(jié)構(gòu)⑷槽口周邊的底座⑵表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述的凹槽金屬鍍層(42)為一層或多層且表面的一層凹槽金屬鍍層(42)具有凹凸結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述的凹槽結(jié)構(gòu)(4)包括開(kāi)設(shè)在底座(2)上的凹槽(41)和凹槽金屬導(dǎo)體(43)，所述的凹槽金屬導(dǎo)體(43)填充滿(mǎn)凹槽(41)并外延至凹槽(41)外，在凹槽金屬導(dǎo)體(43)上開(kāi)設(shè)有導(dǎo)體凹槽(44)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述凹槽金屬導(dǎo)體(43)的表面具有凹凸結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，由所述芯片(I)的底部開(kāi)始向外傾斜延伸到達(dá)底座⑵底部的位置a與底座⑵外邊緣b之間具有一段距離L。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述芯片(I)的底部向外傾斜延伸到達(dá)底座(2)底部的傾斜角度范圍為25°?65°。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，由所述芯片(I)的底部開(kāi)始向外傾斜延伸到達(dá)底座(2)上表面的位置c與凹槽金屬鍍層(42)外邊緣d之間具有一段距離L'。
20.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，在底座(2)底部設(shè)置有散熱片(6)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件，其特征在于，寬禁帶半導(dǎo)體材料為碳化硅。
22.一種寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法，其特征在于，在寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的底座(2)上設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)(4)，用粉狀的金屬填充凹槽結(jié)構(gòu)(4)形成導(dǎo)熱層(3)，在導(dǎo)熱層(3)上放置使用寬禁帶半導(dǎo)體材料為襯底的芯片(I)，經(jīng)過(guò)燒結(jié)或焊接使導(dǎo)熱層(3)與芯片(I)之間、導(dǎo)熱層(3)與底座(2)之間具有散熱和/或?qū)щ娔芰Γ纬蓪捊麕О雽?dǎo)體器件。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法，其特征在于，所述的燒結(jié)采用加壓燒結(jié)工藝或真空燒結(jié)工藝。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法，其特征在于，所述導(dǎo)熱層(3)的厚度由凹槽結(jié)構(gòu)(4)的凹槽深度進(jìn)行控制。
25.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法，其特征在于，燒結(jié)是在惰性氣體氛圍中以230?330攝氏度的溫度、對(duì)芯片(I)施加5?40MPa/cm2的壓力持續(xù)加熱20?35分鐘。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法，其特征在于，所述的燒結(jié)是在惰性氣體氛圍中以250攝氏度的溫度、對(duì)芯片(I)施加30MPa/cm2的壓力持續(xù)加熱30分鐘。
27.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法，其特征在于，金屬顆粒的粒徑為納米級(jí)顆粒時(shí)，燒結(jié)是在惰性氣體氛圍中以180?280攝氏度的溫度、對(duì)芯片(I)施加5?40MPa/cm2的壓力持續(xù)加熱20?35分鐘。
28.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法，其特征在于，在進(jìn)行燒結(jié)前，所述芯片(I)的底部上預(yù)先設(shè)置一層具有導(dǎo)電性的芯片金屬鍍層(5)，并在芯片金屬鍍層(5)上設(shè)置凹凸結(jié)構(gòu)。
29.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的寬禁帶半導(dǎo)體器件的制備方法，其特征在于，在進(jìn)行燒結(jié)前，所述的凹槽結(jié)構(gòu)(4)是先在底座(2)上開(kāi)設(shè)凹槽(41)，再在凹槽(41)上鍍上凹槽金屬鍍層(42)，凹槽(41)設(shè)置為槽口大槽底小的凹槽形狀，凹槽金屬鍍層(42)上設(shè)有凹凸結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01L21/336GK104241372SQ201410379970
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年8月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月4日
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