CN111916415A

CN111916415A - 一种基于激光加工的SiC热沉及其制备方法

Info

Publication number: CN111916415A
Application number: CN202010554399.3A
Authority: CN
Inventors: 左致远; 康汝燕; 张子琦
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2020-11-10

Abstract

本发明公开了一种基于激光加工的SiC热沉及其制备方法，该SiC热沉由底部至顶部依次包括SiC层、SiO₂‑SiO₂键合层，以及半导体晶体层，所述SiO₂‑SiO₂键合层由第一SiO₂层和第二SiO₂层键合得到，所述第二SiO₂层位于第一SiO₂层上方，所述第一SiO₂层和SiC层上通过激光加工方法得到凹槽。本发明所公开的SiC热沉内部的凹槽形成空气通道，可以有效提升芯片工作时的散热能力，并且其制备方法简单，成本低。

Description

一种基于激光加工的SiC热沉及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件制造技术领域，特别涉及一种基于激光加工的SiC热沉及其制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)因禁带宽度大(～3.23ev)、击穿电场高(2.5-3.5MV cm^-1，Si 0.6MVcm^-1)、热导率大(4.9W cm^-1K^-1)等特性，使SiC器件可以工作在高电压、高开关频率、高功率密度的场合。因其热导率优异，在半导体激光器等功率器件制作领域，是热沉制作的关键材料，以SiC为代表的第三代半导体材料将是提升新一代信息技术核心竞争力的重要支撑。

半导体器件的核心技术之一是散热技术，因为通常半导体芯片的尺寸很小，工作时热流密度极高，如果不能及时散热，会使结点温度升高，将极大地影响其阈值功率、输出功率、波长和平均寿命等参数，甚至彻底损坏器件。热沉是半导体器件热量传递时的容器，属于散热技术的关键核心部件，热沉的散热能力决定了半导体器件的性能和寿命。随着对大功率半导体器件的应用需求，有效的散热装置对器件设计至关重要。

中国专利200910018772提供了一种利用PS球作模板制作半导体器件粗化表面的方法。包括以下步骤：(1)按常规外延生长外延片；(2)在外延生长的P型接触层上铺设一层由PS球紧密排布组成的单层膜；(3)以硅酸四乙酯、金属的氯化物或硝酸盐为前躯体，将前躯体、乙醇和水混合后填充在单层膜的PS球与P型接触层之间的间隙中，室温静置并加热分解为相应的氧化物；(4)将外延片置于二氯甲烷中，用二氯甲烷溶解去除掉PS球，在PS球与P型接触层之间的间隙中形成的氧化物按碗状周期排列结构保留在P型接触层上；

(5)用形成的氧化物作掩膜，干法刻蚀P型接触层，形成粗化表面；(6)腐蚀掉残留的氧化物。该发明可得到刻蚀周期和深度可控的粗化器件表面。此方法利用PS微球作为模板通过ICP刻蚀对p-GaN表面进行粗化的设计异常繁琐，此过程引入一系列的腐蚀及化学过程，并且使用了PS微球这一价格昂贵的辅助耗材，使得芯片制作成本大幅提高，不适宜与芯片生产工艺相结合。并且此方法亦没有避免ICP刻蚀工艺对于器件的电学性能的破坏和成本的提高。不涉及本发明所使用的采用激光加工的方法进行图案化处理。

中国专利200910018771公开了一种利用ITO颗粒掩膜粗化红光发光二极管的方法。利用ITO颗粒掩膜粗化红光发光二极管的方法，包括以下步骤：(1)按常规利用金属有机化学气相沉积的方法在衬底上依次外延生长N型接触层、多量子阱有源区和P型接触层，衬底为GaAs材料；(2)在外延生长的P型接触层上用电子束溅射一层厚260nm的ITO薄膜；(3)将覆盖有ITO的外延片浸入浓盐酸中1分钟，腐蚀掉部分ITO，残留的为颗粒状的ITO；(4)用残留的ITO颗粒作掩膜，干法刻蚀P型接触层，形成粗化表面；(5)用浓盐酸腐蚀掉残留的ITO。此方法需要两次蒸镀ITO电流扩展层，成本较正常LED工艺明显提高。此外，亦没有避免ICP刻蚀工艺对于LED器件的电学性能的破坏。并且此方法需要使用浓盐酸，由于浓盐酸具有强腐蚀性及强挥发性，可能会对其他精密设备及操作人员造成一定损害。不涉及本发明所使用的采用激光加工的方法进行图案化处理。

中国专利201010182003.3发明了一种基于SiC热沉的单模大功率垂直腔面发射激光器。包括N电极，SiC衬底，N型DBR、有源区、氧化限制层，P型DBR、SiC(电极+窗口+热沉)、Si0，掩模，焊料。本发明特色在于采用倒装顶发射结构。出光窗口制作在P型DBR上，采用顶部出光方式，热沉也置于P面一端。SiC晶片经特殊技术改性处理后同时具备高热导率、高电导率以及近红外波段光的高透过率。以SiC晶片替代传统结构中P电极、出光窗口和热沉，将三者的功能合三为一。SiC晶片作为电极，以平面电极或非均匀网格电极形式代替传统VCSEL的环形P电极；SiC晶片作为热沉材料，热膨胀系数与GaAs类材料相近，与外延片中的P面直接倒装连接；SiC晶片同时成为出光窗口。不涉及本发明所使用的采用激光加工的方法进行图案化处理。

中国专利201710112965.3提供了一种用于高功率半导体激光器的热沉，包括：金刚石基底；制备于所述金刚石基底表面的金属层；在所述金属层表面制备有用于焊接激光器芯片的焊接层。此发明使用高热导率的金刚石材料为基底制作热沉，提高了半导体激光器芯片工作时的散热效率，降低芯片的工作温度，解决了高功率激光器芯片的散热不佳的技术问题。不涉及本发明所设计利用SiC材料作为热沉。

中国专利201010182003.3本发明涉及一种基于SiC热沉的单模大功率垂直腔面发射激光器。包括N电极，SiC衬底，N型DBR、有源区、氧化限制层，P型DBR、SiC(电极+窗口+热沉)、Si0，掩模，焊料。本发明特色在于采用倒装顶发射结构。出光窗口制作在P型DBR上，采用顶部出光方式，热沉也置于P面一端。SiC晶片经特殊技术改性处理后同时具备高热导率、高电导率以及近红外波段光的高透过率。以Sic晶片替代传统结构中P电极、出光窗口和热沉，将三者的功能合三为一。SiC晶片作为电极，以平面电极或非均匀网格电极形式代替传统VCSEL的环形P电极；Sic晶片作为热沉材料，热膨胀系数与GaAs类材料相近，与外延片中的P面直接倒装连接；SiC晶片同时成为出光窗口。不涉及本发明所使用的采用激光加工的方法对SiC进行图案化处理。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于激光加工的SiC热沉及其制备方法，以达到提升SiC热沉散热性能的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于激光加工的SiC热沉，由底部至顶部依次包括SiC层、SiO₂-SiO₂键合层，以及半导体晶体层，所述SiO₂-SiO₂键合层由第一SiO₂层和第二SiO₂层键合得到，所述第二SiO₂层位于第一SiO₂层上方，所述第一SiO₂层和SiC层上通过激光加工方法得到凹槽。

上述方案中，所述第一SiO₂层通过PECVD、溅射或电子束蒸发技术在SiC层上沉积得到。

上述方案中，所述第二SiO₂层通过MOCVD技术生长在半导体晶体层上。

上述方案中，所述半导体晶体层的材料选自GaAs、InAs、GaN、InP、AlP、GaP、InGaAsP、AlGaInP、AlGaAs。

上述方案中，所述激光加工方法中选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率为0-1MHz。

上述方案中，所述第一SiO₂层和第二SiO₂层键合的方法选自粘合剂键合、阳极键合或等离子活化键合。

进一步的技术方案中，所述粘合剂键合的粘合剂包括环氧树脂、干膜、双苯环丁烯、聚酰亚胺和UV固化化合物。

一种基于激光加工的SiC热沉的制备方法，包括如下步骤：

(1)在SiC层上通过PECVD、溅射或电子束蒸发技术沉积第一SiO₂层；

(2)在第一SiO₂层和SiC层上通过激光加工方法得到凹槽；

(3)在半导体晶体层上通过MOCVD技术生长第二SiO₂层；

(4)将第一SiO₂层和第二SiO₂层进行键合，得到SiC热沉。

通过上述技术方案，本发明提供的一种基于激光加工的SiC热沉及其制备方法具有如下有益效果：

1.本发明采用SiC作为半导体器件热沉，有效改善了半导体芯片的散热能力。

2.本发明通过SiO₂-SiO₂键和层将ⅢⅤ族半导体晶体与SiC层结合在一起，解决了半导体材料与SiC直接结合的晶格失配问题。

2.本发明通过激光加工方法在SiC热沉中形成空气通道，增加了散热面积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种基于激光加工的SiC热沉的正面纵向剖视图；

图2为图1的A-A截面示意图。

图中，1、SiC层；2、凹槽；3、第一SiO₂层；4、第二SiO₂层；5、半导体晶体层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种基于激光加工的SiC热沉，如图1和图2所示，由底部至顶部依次包括SiC层1、SiO₂-SiO₂键合层，以及半导体晶体层5，SiO₂-SiO₂键合层由第一SiO₂层3和第二SiO₂层4键合得到，第二SiO₂层4位于第一SiO₂层3上方，第一SiO₂层3和SiC层1上通过激光加工方法得到凹槽2。

半导体晶体层5的材料选自GaAs、InAs、GaN、InP、AlP、GaP、InGaAsP、AlGaInP、AlGaAs。

SiC热沉横截面为圆形，直径为5-100mm。

SiC层1厚度为0.1-1mm。

激光加工方法中选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率为0-1MHz。

一种基于激光加工的SiC热沉的制备方法，包括如下步骤：

(1)在SiC层1上通过PECVD、溅射或电子束蒸发技术沉积第一SiO₂层；

(2)在第一SiO₂层3和SiC层1上通过激光加工方法得到凹槽2；

(3)在半导体晶体层5上通过MOCVD技术生长第二SiO₂层4；

(4)将第一SiO₂层3和第二SiO₂层4进行键合，得到SiC热沉，粘合剂键合的粘合剂包括环氧树脂、干膜、双苯环丁烯、聚酰亚胺和UV固化化合物。

实施例1：

一种基于激光加工方法的带有图形的SiC热沉结构，包含从下到上依次堆叠的SiC层1、SiO₂-SiO₂键合层以及半导体晶体层5；SiO₂-SiO₂键合层是由沉积在SiC层1上面的第一SiO₂层3与生长在ⅢⅤ族半导体晶体层5上面的第二SiO₂层4键合而成；带有图形结构的凹槽2形成空气通道，可以有效提升芯片工作时的散热能力。

本实施例中，SiC层1直径为5mm；厚度为0.1mm；通过PECVD技术沉积在SiC层1上面的第一SiO₂层3厚度为900nm；选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率900KHz；通过电子束蒸发技术生长在半导体晶体层5上的第二SiO₂层4厚度为100nm；第一SiO₂层与第二SiO₂层的键合技术采用聚酰亚胺粘合剂键合；半导体晶体层5材料选用GaAs；厚度为950nm。

实施例2：

本实施例中，SiC层1直径为25mm；厚度为0.5mm；通过溅射技术沉积在SiC层1上面的第一SiO₂层3厚度为1800nm；选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率100KHz；通过电子束蒸发技术生长在半导体晶体层5上的第二SiO₂层4厚度为10nm；第一SiO₂层与第二SiO₂层的键和技术采用等离子活化键合；半导体晶体层5材料选用InAs；厚度为60nm。

实施例3：

本实施例中，SiC层1直径为45mm；厚度为1mm；通过PECVD技术沉积在SiC层1上面的第一SiO₂层3厚度为2400nm；选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率800KHz；通过溅射技术生长在半导体晶体层5上的第二SiO₂层4厚度为1um；第一SiO₂层与第二SiO₂层的键和技术采用阳极键合；半导体晶体层5材料选用GaN；厚度为800nm。

实施例4：

本实施例中，SiC层1直径为60mm；厚度为0.7mm；通过电子束蒸发技术沉积在SiC层1上面的第一SiO₂层3厚度为300nm；选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率0.7MHz；通过PECVD技术生长在半导体晶体层5上面的第二SiO₂层4厚度为2um；第一SiO₂层与第二SiO₂层的键和技术采用UV固化化合物粘合剂键合；半导体晶体层5材料选用InP；厚度为750nm。

实施例5：

本实施例中，SiC层1直径为50mm；厚度为0.8mm；通过PECVD技术沉积在SiC层1上面的第一SiO₂层3厚度为1300nm；选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率80KHz；通过PECVD技术生长在半导体晶体层5上的第二SiO₂层4厚度为3um；第一SiO₂层与第二SiO₂层的键和技术采用聚酰亚胺粘合剂键合；半导体晶体层5材料选用GaN；厚度为600nm。

实施例6：

本实施例中，SiC层1直径为100mm；厚度为0.9mm；通过PECVD技术沉积在SiC层1上面的第一SiO₂层3厚度为2500nm；选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率600KHz；通过电子束蒸发技术生长在半导体晶体层5上的第二SiO₂层4厚度为2500nm；第一SiO₂层与第二SiO₂层的键和技术采用环氧树脂粘合剂键合；半导体晶体层5材料选用InP；厚度为250nm。

实施例7：

本实施例中，SiC层1直径为85mm；厚度为0.5mm；通过电子束蒸发技术沉积在SiC层1上面的第一SiO₂层3厚度为3um；选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率400KHz；通过电子束蒸发技术生长在半导体晶体层5上的第二SiO₂层4厚度为1500nm；第一SiO₂层与第二SiO₂层的键和技术采用等离子活化键合；半导体晶体层5材料选用AlP；厚度为500nm。

实施例8：

本实施例中，SiC层1直径为95mm；厚度为0.6mm；通过PECVD技术沉积在SiC层1上面的第一SiO₂层3厚度为2um；选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率300KHz；通过溅射技术生长在半导体晶体层5上的第二SiO₂层4厚度为500nm；第一SiO₂层与第二SiO₂层的键和技术采用阳极键合；半导体晶体层5材料选用GaP；厚度为50nm。

实施例9：

本实施例中，SiC层1直径为70mm；厚度为0.3mm；通过电子束蒸发技术沉积在SiC层1上面的第一SiO₂层3厚度为1um；选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率500KHz；通过PECVD技术生长在半导体晶体层5上面的第二SiO₂层4厚度为1200nm；第一SiO₂层与第二SiO₂层的键和技术采用环氧树脂粘合剂键合；半导体晶体层5材料选用AlGaInP；厚度为100nm。

实施例10：

本实施例中，SiC层1直径为20mm；厚度为0.4mm；通过PECVD技术沉积在SiC层1上面的第一SiO₂层3厚度为1500nm；选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率1MHz；通过溅射技术生长在半导体晶体层5上的SiO₂层4厚度为2200nm；第一SiO₂层与第二SiO₂层的键和技术采用双苯环丁烯粘合剂键合；半导体晶体层5材料选用AlGaAs；厚度为10nm。

实施例11：

本实施例中，SiC层1直径为55mm；厚度为0.2mm；通过PECVD技术沉积在SiC层1上面的第一SiO₂层3厚度为500nm；选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率200KHz；通过电子束蒸发技术生长在半导体晶体层5上的第二SiO₂层4厚度为600nm；第一SiO₂层与第二SiO₂层的键和技术采用干膜粘合剂键合；半导体晶体层5材料选用InGaAsP；厚度为1um。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于激光加工的SiC热沉，其特征在于，由底部至顶部依次包括SiC层、SiO₂-SiO₂键合层，以及半导体晶体层，所述SiO₂-SiO₂键合层由第一SiO₂层和第二SiO₂层键合得到，所述第二SiO₂层位于第一SiO₂层上方，所述第一SiO₂层和SiC层上通过激光加工方法得到凹槽。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光加工的SiC热沉，其特征在于，所述第一SiO₂层通过PECVD、溅射或电子束蒸发技术在SiC层上沉积得到。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光加工的SiC热沉，其特征在于，所述第二SiO₂层通过MOCVD技术生长在半导体晶体层上。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光加工的SiC热沉，其特征在于，所述半导体晶体层的材料选自GaAs、InAs、GaN、InP、AlP、GaP、InGaAsP、AlGaInP、AlGaAs。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光加工的SiC热沉，其特征在于，所述激光加工方法中选用355nm激光器，功率为2.5W，重复频率为0-1MHz。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光加工的SiC热沉，其特征在于，所述第一SiO₂层和第二SiO₂层键合的方法选自粘合剂键合、阳极键合或等离子活化键合。

7.根据权利要求6所述的一种基于激光加工的SiC热沉，其特征在于，所述粘合剂键合的粘合剂包括环氧树脂、干膜、双苯环丁烯、聚酰亚胺和UV固化化合物。

8.一种基于激光加工的SiC热沉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(2)在第一SiO₂层和SiC层上通过激光加工方法得到凹槽；

(3)在半导体晶体层上通过MOCVD技术生长第二SiO₂层；

(4)将第一SiO₂层和第二SiO₂层进行键合，得到SiC热沉。