一种半导体器件的散热结构及半导体器件

摘要

本发明实施例公开了一种半导体器件的散热结构及半导体器件，涉及半导体技术领域，其中，所述半导体器件的散热结构包括：靠近所述半导体器件一侧的散热结构的上表面以及远离所述半导体器件一侧的散热结构的下表面，上表面形成有第一散热窗口；至少一个散热通道，所述散热通道包括入口和出口，所述入口与所述第一散热窗口对应设置；所述入口包括第一断面和第二断面，其中，所述第一断面的开口面积大于所述第二断面的开口面积。采用上述技术方案，由于散热通道的入口与第一散热窗口对应，入口的第一断面面积大于第二断面面积，保证经入口流入的导热介质在第二断面处具有较大的流速，保证半导体器件热量快速散出，保证半导体器件正常的输出功率。

权利要求

1.一种半导体器件的散热结构，其特征在于，包括：

靠近所述半导体器件一侧的所述散热结构的上表面以及远离所述半导体器件一侧的所述散热结构的下表面，所述上表面形成有第一散热窗口；

至少一个散热通道，所述散热通道包括入口和出口，所述入口与所述第一散热窗口对应设置；所述入口包括第一断面和第二断面，其中，所述第一断面的开口面积大于所述第二断面的开口面积；

所述第一断面位于所述散热结构的下表面，所述第二断面靠近所述第一散热窗口。

2.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述出口位于所述散热结构的下表面。

3.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述开口的截面形状为八字形。

4.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述散热结构的上表面、下表面和所述散热通道的材料为不锈钢或者硅。

5.一种半导体器件，基于权利要求1-4任一项所述的半导体器件的散热结构，所述半导体器件与所述散热结构相连，其特征在于，包括：位于所述散热结构的上表面一侧的衬底，所述衬底上形成有第二散热窗口，所述第二散热窗口在所述衬底所在平面上的垂直投影与所述第一散热窗口在所述衬底所在平面上的垂直投影存在交叠区域；所述第二散热窗口和所述第一散热窗口形成散热腔；

位于所述散热腔内的热传导层；

位于所述衬底上的成核层；

位于所述成核层上远离所述衬底一侧的缓冲层；

位于所述缓冲层上远离所述衬底一侧的沟道层；

位于所述沟道层上远离所述衬底一侧的势垒层，所述沟道层与所述势垒层的界面处形成有二维电子气；

位于所述势垒层上远离所述沟道层一侧的源极、栅极和漏极，所述栅极与所述势垒层肖特基接触，形成肖特基结。

6.根据权利要求5所述的半导体器件，其特征在于，所述第二散热窗口的深度小于或者等于所述衬底的厚度。

7.根据权利要求5所述的半导体器件，其特征在于，所述成核层上形成有第三散热窗口，所述第三散热窗口在所述衬底所述平面上的垂直投影与所述第二散热窗口在所述衬底所在平面上的垂直投影存在交叠区域，所述第三散热窗口、第二散热窗口以及第一散热窗口形成散热腔。

8.根据权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，所述第三散热窗口靠近所述缓冲层一侧的表面截止于所述成核层中，或者位于所述成核层与所述缓冲层的界面处。

9.根据权利要求5所述的半导体器件，其特征在于，所述肖特基结在所述热传导层所在平面上的垂直投影与所述热传导层重叠。

10.根据权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，所述第二散热窗口在所述衬底所述平面上的垂直投影与所述第一散热窗口在所述衬底所在平面上的垂直投影完全重叠，所述第三散热窗口在所述衬底所在平面上的垂直投影与所述第二散热窗口在所述衬底所在平面上的垂直投影完全重叠。

11.根据权利要求5所述的半导体器件，其特征在于，所述热传导层的材料包括金刚石、石墨烯以及氮化硼中的至少一种。

说明书

一种半导体器件的散热结构及半导体器件

技术领域

[0001] 本发明实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体器件的散热结构及半导体器件。

背景技术

[0002] 随着GaN器件技术的成熟，GaN器件的高功率密度的优点更清晰地展现了出来，工业界逐渐开始量产GaN器件。然而，随着集成电路的集成度的增加，对于GaN器件的散热提出了更高的要求。据测量，GaN器件的热量分布主要集中在器件的肖特基结附近，其可源源不断地产生热量，而当热量不能被有效地耗散时，就会使肖特基结温度升高，从而降低器件的功率输出与射频性能。

[0003] 传统的热管理技术以远程冷却为代表，如减薄衬底，增加金属热沉等等。该技术的散热性能十分有限，限制了GaN器件可输出的功率，使其远低于当GaN器件被充分冷却时所能输出的功率，没有充分发挥GaN器件的潜能，降低了GaN器件的工作寿命。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明实施例提供一种半导体器件的散热结构及半导体器件，以解决现有技术中半导体器件冷却效果差、半导体器件的输出功率低的技术问题。

[0005] 第一方面，本发明实施例提供了一种半导体器件的散热结构，包括：

[0006] 靠近所述半导体器件一侧的所述散热结构的上表面以及远离所述半导体器件一侧的所述散热结构的下表面，所述上表面形成有第一散热窗口；

[0007] 至少一个散热通道，所述散热通道包括入口和出口，所述入口与所述第一散热窗口对应设置；所述入口包括第一断面和第二断面，其中，所述第一断面的开口面积大于所述第二断面的开口面积。

[0008] 可选的，所述第一断面位于所述散热结构的下表面，所述第二断面靠近所述第一散热窗口。

[0009] 可选的，所述出口位于所述散热结构的下表面。

[0010] 可选的，所述开口的截面形状为八字形。

[0011] 可选的，所述散热结构的上表面、下表面和所述散热通道的材料为不锈钢或者硅。

[0012] 第二方面，本发明实施例还提供了一种半导体器件，基于第一方面所述的半导体器件的散热结构，所述半导体器件与所述散热结构相连，所述半导体器件包括：

[0013] 位于所述散热结构的上表面一侧的衬底，所述衬底上形成有第二散热窗口，所述第二散热窗口在所述衬底所在平面上的垂直投影与所述第一散热窗口在所述衬底所在平面上的垂直投影存在交叠区域；所述第二散热窗口和所述第一散热窗口形成散热腔；

[0014] 位于所述散热腔内的热传导层；

[0015] 位于所述衬底上的成核层；

[0016] 位于所述成核层上远离所述衬底一侧的缓冲层；

[0017] 位于所述缓冲层上远离所述衬底一侧的沟道层；

[0018] 位于所述沟道层上远离所述衬底一侧的势垒层，所述沟道层与所述势垒层的界面处形成有二维电子气；

[0019] 位于所述势垒层上远离所述沟道层一侧的源极、栅极和漏极，所述栅极与所述势垒层肖特基接触，形成肖特基结。

[0020] 可选的，所述第二散热窗口的深度小于或者等于所述衬底的厚度。

[0021] 可选的，所述成核层上形成有第三散热窗口，所述第三散热窗口在所述衬底所述平面上的垂直投影与所述第二散热窗口在所述衬底所在平面上的垂直投影存在交叠区域，所述第三散热窗口、第二散热窗口以及第一散热窗口形成散热腔。

[0022] 可选的，所述第三散热窗口靠近所述缓冲层一侧的表面截止于所述成核层中，或者位于所述成核层与所述缓冲层的界面处。

[0023] 可选的，所述肖特基结在所述热传导层所在平面上的垂直投影与所述热传导层重叠。

[0024] 可选的，所述第二散热窗口在所述衬底所述平面上的垂直投影与所述第一散热窗口在所述衬底所在平面上的垂直投影完全重叠，所述第三散热窗口在所述衬底所在平面上的垂直投影与所述第二散热窗口在所述衬底所在平面上的垂直投影完全重叠。

[0025] 可选的，所述热传导层的材料包括金刚石、石墨烯以及氮化硼中的至少一种。

[0026] 本发明实施例提供的半导体器件的散热结构及半导体器件，通过在靠近半导体一侧的上表面上形成第一散热窗口，散热通道的入口与第一散热窗口对应设置，同时入口的第一断面的面积大于入口的第二断面的面积，保证经入口流入的导热介质在第二断面处具有较大的流出速度，保证导热介质与半导体器件充分接触，半导体器件产生的热量可以快速散出，保证半导体器件正常的输出功率，提高半导体器件的使用寿命。

附图说明

[0027] 为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

[0028] 图1是本发明实施例提供的一种半导体器件的散热结构的结构示意图；

[0029] 图2是本发明实施例提供的又一种半导体器件的散热结构的结构示意图；

[0030] 图3是本发明实施例提供的另一种半导体器件的散热结构的结构示意图；

[0031] 图4是本发明实施例提供的一种半导体器件的结构示意图；

[0032] 图5是本发明实施例提供的又一种半导体器件的结构示意图。

具体实施方式

[0033] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

[0034] 图1是本发明实施例提供的一种半导体器件的散热结构的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的半导体器件的散热结构可以包括：

[0035] 靠近半导体器件10一侧的散热结构20的上表面201和远离半导体器件10一侧的散热结构20的下表面202，上表面201上形成有第一散热窗口203；

[0036] 至少一个散热通道，散热通道包括入口204和出口205，入口204与第一散热窗口203对应设置；入口204包括第一断面2041和第二断面2042，其中，第一断面2041的开口面积大于第二断面2042的开口面积。

[0037] 示例性的，如图1所示，散热结构20形成在半导体器件10的下方，散热结构20的上表面201靠近半导体器件10，散热结构20的下表面202远离半导体器件10。可选的，半导体器件10可以为包含微波集成电路的半导体器件，具体还可以为包含氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)元件的射频微波集成电路。散热结构20还可以包括围绕上表面201和下表面202的侧面，通过侧面连接上表面201和下表面202。可选的，散热结构20的上表面201形成有第一散热窗口203，位于散热结构20内的导热介质(图中未示出)通过第一散热窗口203与半导体器件10接触，吸收半导体器件10产生的热量。可选的，所述导热介质可以为水或者其他导热液体或者导热气体。可选的，第一散热窗口203与半导体器件10对应设置，通过第一散热窗口203露出半导体器件10。

[0038] 可选的，如图1所示，散热结构20还可以包括至少一个散热通道，散热通道包括入口204和出口205，散热通道可以为导热介质的循环流通通道，导热介质从入口204流入散热结构20中，在第一散热窗口203对应的位置处与半导体器件10接触，吸收半导体器件10产生的热量，然后从出口205流出散热结构20。可选的，入口204可以包括两个断面，第一断面2041和第二断面2042，导热介质从第一断面2041流入入口204内，然后从第二断面2042流入散热结构20内，第一断面2041的开口面积可以大于第二断面2042的开口面积，如此，从第二断面2042流出的导热介质的流出速度可以大于从第一断面2041流入的导热介质的流入速度，由于入口204与第一散热窗口203对应设置，如此，导热介质将第二断面2042流出后，可以快速与半导体器件10发生热交换，快速吸收半导体器件10产生的热量，保证半导体器件
10可以正常散热，保证半导体器件10的正常输出功率以及提高半导体器件10的使用寿命。

[0039] 可选的，如图1所示，入口204的第一断面2041可以位于散热结构20的下表面202上，第二断面2042靠近第一散热窗口203，如此，从第二断面2042流出的导热介质可以直接吸收半导体器件10产生的热量。可选的，如图1所示，出口205可以位于散热结构20的下表面202上，导热介质从入口204的第一断面2041流入入口204内，在靠近第一散热窗口203的位置处从第二断面2042处流出，经与半导体器件10发生热量交换后再从位于下表面202上的出口流出散热结构20，保证导热介质的快速循环流通。

[0040] 可选的，如图1所示，散热结构20可以包括多个出口205，图1以散热结构20包括两个出口205为例进行说明。一个入口204和两个出口205构成两个散热通道，可选的，入口204可以位于散热结构20的下表面202的中间位置，两个出口205可以分别位于下表面202的两个边缘位置，通过从入口204流入导热介质，从两个出口205分别流出导热介质，形成两个导热通道，保证半导体器件10可以充分进行散热。

[0041] 可选的，图2是本发明实施例提供的又一种半导体器件的散热结构的结构示意图，图2所示的散热结构与图1所示的散热结构的区别在于包括至少两个入口204和一个出口205，图2仅以包括两个入口为例进行说明。如图2所示，两个入口204可以分别位于散热结构
20的下表面202的边缘位置，出口205可以位于下表面202的中间位置，通过分别从两个入口
204流入导热介质，从出口205流出导热介质，形成两个导热通道，保证半导体器件10可以充分进行散热。需要说明的是，本发明实施例对入口204和出口205的个数和位置不进行限定，只需形成至少一个散热通道即可，同时保证入口204与第一散热窗口203对应设置，入口204的第一断面2041的开口面积大于第二断面2042的开口面积，保证导热介质可以以较大流速流经半导体器件10，保证半导体器件10快速散热。

[0042] 可选的，散热通道的入口204可以与导热介质供给装置连接(图中未示出)，导热供给装置向入口204内输出导热介质。散热通道的出口205可以与导热介质回收装置连接(图中未示出)，导热介质通过出口205向导热介质回收装置输出已经和半导体器件10发生热量交换的导热介质。

[0043] 可选的，如图1或者图2所示，入口204的截面形状可以为八字形，第一断面2041对应所述八字形开口的下端，第二断面2042对应所述八字形开口的上端，保证第一断面2041的开口面积大于第二断面2042的开口面积。

[0044] 可选的，图3是本发明实施例提供的另一种半导体器件的散热结构的结构示意图，如图3所示，入口204的截面形状还可以如图3所示，图3所述的入口204的形状并非从第一断面2041向第二断面2042逐渐变窄，而是存在至少一个变化台阶，保证第一断面2041的开口面积大于第二断面2042的开口面积。

[0045] 可选的，散热结构20的上表面202、下表面202和散热通道的材料为不锈钢或者硅。

[0046] 综上，本发明实施例提供的半导体器件的散热结构，通过在靠近半导体一侧的上表面上形成第一散热窗口，散热通道的入口与第一散热窗口对应设置，同时入口的第一断面的面积大于入口的第二断面的面积，保证经入口流入的导热介质在第二断面处具有较大的流出速度，保证导热介质与半导体器件充分接触，导热介质可以与半导体器件充分进行热量交换，半导体器件产生的热量可以快速散出，保证半导体器件正常的输出功率，提高半导体器件的使用寿命。

[0047] 可选的，图4是本发明实施例提供的一种半导体器件的结构示意图，本发明实施例提供的半导体器件可以基于上述实施例所述的半导体器件的散热结构，具体的，本发明实施例提供的半导体器件可以包括：

[0048] 位于散热结构20的上表面201一侧的衬底101，衬底101上形成有第二散热窗口102，第二散热窗口102在衬底101所在平面上的垂直投影与第一散热窗口203在衬底101所在平面上的垂直投影存在交叠区域；第二散热窗口102和第一散热窗口203形成散热腔103；

[0049] 位于散热腔103内的热传导层104；

[0050] 位于衬底101上的成核层105；

[0051] 位于成核层105上远离衬底101一侧的缓冲层106；

[0052] 位于缓冲层106上远离衬底101一侧的沟道层107；

[0053] 位于沟道层107上远离衬底101一侧的势垒层108，沟道层107与势垒层108的界面处形成有二维电子气；

[0054] 位于势垒层108上远离沟道层107一侧的源极109、栅极110和漏极111，栅极110与势垒层108肖特基接触，形成肖特基结112。

[0055] 示例性的，如图4所示，半导体器件10可以包括位于散热结构20的上表面201一侧的衬底101，衬底101的材料可以为硅、碳化硅或者蓝宝石，还可以是其他材料。衬底101上形成有第二散热窗口102，第二散热窗口102与第一散热窗口203对应设置，具体为第二散热窗口102在衬底101所在平面上的垂直投影与第一散热窗口203在衬底101所在平面上的垂直投影存在交叠区域，可选的，可以是第二散热窗口102在衬底101所在平面上的垂直投影与第一散热窗口203在衬底101所在平面上的垂直投影完全重叠，如图4所示。可选的，继续参考图4，第二散热窗口102的深度可以小于或者等于衬底101的厚度，即第二散热窗口102靠近成核层105一侧的表面可以截止于衬底101中，或者位于衬底101与成核层105的界面处。可选的，衬底101的厚度可以为100μm-1000μm，第二散热窗口102的深度小于或者等于衬底
101的厚度即可。需要说明的是，图4仅以第二散热窗口102的深度等于衬底101的厚度为例进行说明。可选的，第一散热窗口203和第二散热窗口102共同形成散热腔103，散热结构20中的导热介质在散热腔103内与半导体器件10发生热量交换，吸收半导体器件10工作过程中产生的热量。可选的，当第二散热窗口102在衬底101所在平面上的垂直投影与第一散热窗口203在衬底101所在平面上的垂直投影完全重叠时，散热腔103具有较大的面积，保证导热介质可以与半导体结构10充分进行热量交换，保证半导体器件10的热量可以及时散出。

[0056] 可选的，热传导层104位于散热腔103内。如图4所示，在成核层105上靠近衬底101的一侧形成有热传导层104，热传导层104位于散热腔103内，用于传导半导体器件10产生的热量，散热结构20内的导热介质在散热腔103内通过与热传导层104发生热量交换，吸收半导体器件10产生的热量。可选的，热传导层104的表面积可以尽可能的大，保证发生热量交换的面积较大，例如，热传导层104在衬底101所在平面上的垂直投影可以与散热腔103在衬底101所在平面上的垂直投影完全重合，保证热传导层104可以完全形成在散热腔103中，保证半导体器件10产生的热量可以快速散出。可选的，热传导层104的材料可以为金刚石、石墨烯以及氮化硼中的至少一种。

[0057] 可选的，如图4所示，半导体器件10还可以包括位于衬底101上的成核层105，成核层105的材料可以为氮化物，具体可以为GaN或AlN或其他氮化物。

[0058] 可选的，如图4所述，半导体器件10还可以包括位于成核层105上的缓冲层106，缓冲层106的材料可以为氮化物，具体可以为GaN或AlN或其他氮化物，成核层105和缓冲层106可以用于匹配衬底101的材料和外延沟道层107。

[0059] 可选的，如图4所述，半导体器件10还可以包括位于缓冲层106上的沟道层107，沟道层107的材料可以为GaN或者其他半导体材料，例如InAlN，这里可以为GaN。

[0060] 可选的，如图4所示，半导体器件10还可以包括位于沟道层107上远离衬底101一侧的势垒层108，沟道层107与势垒层108的界面处形成有二维电子气，势垒层108的材料可以为AlGaN或其他半导体材料，例如InAlN，这里可以为AlGaN。可选的，沟道层107和势垒层108组成半导体异质结结构，在沟道层107和势垒层108的界面处形成高浓度二维电子气，并且在沟道层107的异质结界面处产生导电沟道。

[0061] 可选的，如图4所示，半导体器件10还可以包括位于势垒层108上远离沟道层107一侧的源极109、栅极110和漏极111，源极109和漏极111位于势垒层108的两端，栅极110位于源极109和漏极111之间。可选的，源极109、漏极111的材质可以为Ni、Ti、Al、Au等金属中的一种或多种的组合，源极109、漏极111与势垒层108欧姆接触；栅极110的材质可以为Ni、Pt、Pb、Au等金属中的一种或多种的组合，栅极110与势垒层108肖特基接触，形成肖特基结112。可选的，半导体器件10的热量主要集中在肖特基结112附件，肖特基结112产生的热量可以通过热传导层104传导至散热腔103位置处，通过在散热腔103位置处与导热介质发生热量交换，吸收肖特基结112产生的热量，保证半导体器件10可以进行散热，保证半导体器件10的正常工作。可选的，肖特基结112可以与热传导层104对应设置，具体可以为肖特基结112在热传导层104所在平面上的垂直投影与热传导层104重叠，保证肖特基结112产生的热量可以直接经热传导层104传导出去，保证半导体器件10不会因为温度过高引起输出功率下降，保证半导体器件10的正常工作。

[0062] 综上，本发明实施例提供的半导体器件，基于本发明上述实施例所述的半导体器件的散热结构，通过在半导体器件的衬底上形成第二散热窗口，第二散热窗口与散热结构中的第一散热窗口对应设置，共同形成散热腔，经过散热结构的散热通道流入的导热介质在散热腔内与热传导层发生热量交换，将半导体器件产生的热量传导至导热介质中，保证导热介质与半导体器件充分接触，导热介质可以与半导体器件充分进行热量交换，半导体器件产生的热量可以快速散出，保证半导体器件正常的输出功率。

[0063] 可选的，图5是本发明实施例提供的又一种半导体器件的结构示意图，图5所示的半导体器件在上述实施例所述的半导体器件的基础上进行改进，具体为图5所述的半导体器件在成核层上形成有第三窗口，请参考图5：

[0064] 成核层105上形成有第三散热窗口113，第三散热窗口113与第二散热窗口102对应设置，具体可以为第三散热窗口113在衬底101所在平面上的垂直投影与第二散热窗口102在衬底101所在平面上的垂直投影存在交叠区域。可选的，第三散热窗口113靠近缓冲层106一侧的表面截止于成核层105中，或者位于成核层105与缓冲层106的界面处，保证第三散热窗口113的深度小于或者等于成核层105的厚度，图5仅以第三散热窗口113的深度等于成核层105的厚度为例进行示例性说明。具体的，现有的半导体器件的制备过程中，会先在衬底101上沉积一层低温成核层105，紧接着低温生长的成核层105，成核层105中晶体缺陷较多，通常还含有立方和六方等混合晶系，因此其导热率较差，不能将肖特基结112处发出的热量完全传导至导热层104，因此在成核层105上形成第三散热窗口113，第三散热窗口113与第二散热窗口102和第一散热窗口203共同形成散热腔103，热传导层104位于散热腔103内，直接与势垒层108接触，保证肖特基结111产生的热量可以传导至热传导层104，进而与导热介质发生热量交换，保证肖特基结112产生的热量可以及时导出半导体器件10。

[0065] 可选的，可以是第三散热窗口113在衬底101所在平面上的垂直投影与第二散热窗口102在衬底101所在平面上的垂直投影完全重叠，如图5所示。第三散热窗口113、第二散热窗口102以及第一散热窗口203共同形成散热腔103，散热结构20中的导热介质在散热腔103内与半导体器件10发生热量交换，吸收半导体器件10工作过程中产生的热量。可选的，当第三散热窗口113在衬底101所在平面上的垂直投影与第二散热窗口102在衬底101所在平面上的垂直投影完全重叠时，散热腔203具有较大的面积，保证导热介质可以与半导体结构10充分进行热量交换，保证半导体器件10的热量可以及时散出。

[0066] 综上，本发明实施例提供的半导体器件，通过在成核层上形成第三散热窗口，在衬底上形成第二散热窗口，第三散热窗口、第二散热窗口与散热结构中的第一散热窗口对应设置，共同形成散热腔，导热介质在散热腔内与热传导层发生热量交换，将半导体器件产生的热量传导至导热介质中，保证导热介质与半导体器件充分接触，导热介质可以与半导体器件充分进行热量交换，半导体器件产生的热量可以快速散出，保证半导体器件正常的输出功率。

[0067] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。