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  • 引用文献
  • 法律状态
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    • 专利摘要:
    本实用新型公开一种半导体的外延片及半导体器件，涉及半导体技术领域。所述半导体的外延片，包括：衬底；外延层，设于所述衬底上，所述外延层包括朝着远离所述衬底的方向依次叠设的第一功能层和第二功能层；以及，散热层，所述散热层设于所述衬底和所述外延层之间，或者，所述散热层设于所述第一功能层和所述第二功能层之间，所述散热层的材质包括β‑碳化硅。本实用新型提出的半导体的外延片，能快速使半导体的外延片内部温度趋于均匀一致，使得在不改变半导体的外延片性能的基础上，散热效果会明显增强，最终使半导体器件的寿命提高，工作环境更稳定。
    公开号:CN214336705U
    申请号:CN202120121863.XU
    申请日:2021-01-15
    公开日:2021-10-01
    发明作者:林大野；蔡钦铭；王治中
    申请人:Guangzhou Aisiwei Technology Co ltd；
    IPC主号:H01L23-367
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体的外延片及半导体器件。
    [n0002] 随着科技的发展，半导体技术已融入人们日常生活的方方面面。用半导体材料制成的具有一定功能的器件，统称半导体器件。半导体器件的发展受到广泛关注，尤其是第三代半导体器件。第三代半导体器件的应用涉及很多领域，例如光伏照明领域、电子电力器件、激光和探测器、微波器件、功率器件、电动汽车、5G射频领域，手机快速充电等。
    [n0003] 半导体器件在工作过程中会产生热损耗，如果放任热损耗存在器件中，会导致器件因高温而损坏。为使器件正常高效工作，散热模块非常重要。目前的散热方式为外部封装散热，将半导体器件安装在散热器中间，利用外加的散热器将热量散到周围，必要时加上散热风扇或者水冷，以增加散热效率。半导体器件发生故障时，主要问题来自于温度因素，元件受热过度会极速损坏，使用氧化铝来散热已不能配合功率的增加，铜来散热会存在发热太集中引起电子流聚热的缺点，半导体器件功率的提高已经接近现有封装散热技术的极限。外部的封装散热结构，导热效率差，会导致器件的功率密度无法实现突破，功率器件的热量无法第一时间排出，隐性的故障率一直无法消除，缩短器件使用寿命。
    [n0004] 本实用新型的主要目的是提出一种半导体的外延片及半导体器件，旨在提供一种散热效率高的半导体的外延片。
    [n0005] 为实现上述目的，本实用新型提出一种半导体的外延片，包括：
    [n0006] 衬底；
    [n0007] 外延层，设于所述衬底上，所述外延层包括朝着远离所述衬底的方向依次叠设的第一功能层和第二功能层；以及，
    [n0008] 散热层，所述散热层设于所述衬底和所述外延层之间，或者，所述散热层设于所述第一功能层和所述第二功能层之间，所述散热层的材质包括β-碳化硅。
    [n0009] 可选地，所述散热层设于所述衬底和所述外延层之间，所述半导体的外延片还包括设于所述散热层和所述外延层之间的缓冲层；或者，
    [n0010] 所述散热层设于所述第一功能层和所述第二功能层之间，所述半导体的外延片还包括设于所述衬底和所述第一功能层之间的缓冲层。
    [n0011] 可选地，所述衬底的材质为碳化硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石或硅片；和/或，
    [n0012] 所述散热层的厚度为1×10-8～6×10-8m。
    [n0013] 可选地，所述半导体的外延片包括异质结双极晶体管的外延片，所述散热层设于所述第一功能层和所述第二功能层之间。
    [n0014] 可选地，所述异质结双极晶体管的外延片中，所述外延层包括朝着远离所述衬底的方向依次叠设的集电区、基区和发射区，所述集电区构成所述第一功能层，所述基区构成所述第二功能层。
    [n0015] 可选地，所述半导体的外延片包括氮化镓发光二极管的外延片，所述散热层设于所述衬底和所述外延层之间。
    [n0016] 可选地，所述氮化镓发光二极管的外延片中，所述外延层包括朝着远离所述衬底的方向依次叠设的N型氮化镓层、MQW多量子阱层和P型氮化镓层，所述N型氮化镓层构成所述第一功能层，所述P型氮化镓层构成所述第二功能层。
    [n0017] 本实用新型进一步提出一种半导体器件，包括如上所述的半导体的外延片。
    [n0018] 可选地，所述半导体器件还包括靠近所述半导体的外延片的衬底设置的散热模块。
    [n0019] 可选地，所述半导体器件为异质结双极晶体管、绝缘栅双极型晶体管、发光二极管、镭射二极管、集成电路芯片、个人计算机或高温高压电子元件。
    [n0020] 本实用新型的技术方案中，设计一种半导体的外延片，包括衬底、外延层和散热层，通过将散热层设置在外延片内部，即设于衬底和外延层之间，或者设于外延层的第一功能层和第二功能层之间，散热层的材质包括β-碳化硅，散热层成为半导体的外延片的一部分后，由于其具有很低的热膨胀系数(1.3×10-6K-1，20℃)，与半导体结合后，界面受热产生的应力极低，不会对器件正常工作造成影响；此外，β-碳化硅的热传导率大，为20w/(cm·k)，热传导快，热扩散率高，为7.2～11.6cm2/s，能快速使半导体的外延片内部温度趋于均匀一致，使得在不改变半导体的外延片性能的基础上，散热效果会明显增强，最终使半导体器件的寿命提高，工作环境更稳定。
    [n0021] 为了更清楚地说明本实用新型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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
    [n0022] 图1为本实用新型提供的半导体的外延片的一实施例的示意图；
    [n0023] 图2为图1所示的半导体的外延片的详细结构示意图；
    [n0024] 图3为本实用新型提供的半导体的外延片的另一实施例的示意图；
    [n0025] 图4为图3所示的半导体的外延片的详细结构示意图。
    [n0026] 附图标号说明：
    [n0027] 100 半导体的外延片 2c 发射区 1 衬底 2e N型氮化镓层 2 外延层 2f MQW多量子阱层 21 第一功能层 2g P型氮化镓层 22 第二功能层 3 散热层 2a 集电区 4 缓冲层 2b 基区 5 电极
    [n0028] 本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
    [n0029] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
    [n0030] 需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、外、内……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
    [n0031] 另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
    [n0032] 半导体器件在工作过程中会产生热损耗，如果放任热损耗存在器件中，会导致器件因高温而损坏。为使器件正常高效工作，散热模块非常重要。目前的散热方式为外部封装散热，将半导体器件安装在散热器中间，利用外加的散热器将热量散到周围，必要时加上散热风扇或者水冷，以增加散热效率。半导体器件发生故障时，主要问题来自于温度因素，元件受热过度会极速损坏，使用氧化铝来散热已不能配合功率的增加，铜来散热会存在发热太集中引起电子流聚热的缺点，半导体器件功率的提高已经接近现有封装散热技术的极限。外部的封装散热结构，导热效率差，会导致器件的功率密度无法实现突破，功率器件的热量无法第一时间排出，隐性的故障率一直无法消除，缩短器件使用寿命。
    [n0033] 鉴于此，本实用新型提出一种半导体的外延片及半导体器件，旨在提供一种散热效率高的半导体的外延片。本实用新型附图中，图1为本实用新型提供的半导体的外延片的一实施例的示意图；图2为图1所示的半导体的外延片的详细结构示意图；图3为本实用新型提供的半导体的外延片的另一实施例的示意图；图4为图3所示的半导体的外延片的详细结构示意图。
    [n0034] 请参阅图1和图3，本实用新型实施例提出的半导体的外延片100，包括衬底1、外延层2和散热层3，其中，外延层2设于衬底1上，外延层2包括朝着远离衬底1的方向依次叠设的第一功能层21和第二功能层22；散热层3设于衬底1和外延层2之间，或者，散热层3设于第一功能层21和第二功能层22之间，散热层3的材质包括β-碳化硅。
    [n0035] 本实用新型的技术方案中，设计一种半导体的外延片100，包括衬底1、外延层2和散热层3，通过将散热层3设置在外延片内部，即设于衬底1和外延层2之间，或者设于外延层2的第一功能层21和第二功能层22之间，散热层3的材质包括β-碳化硅，散热层3成为半导体的外延片100的一部分后，由于其具有很低的热膨胀系数(1.3×10-6K-1，20℃)，与半导体结合后，界面受热产生的应力极低，不会对器件正常工作造成影响；此外，β-碳化硅的热传导率大，为20w/(cm·k)，热传导快，热扩散率高，为7.2～11.6cm2/s，能快速使半导体的外延片100内部温度趋于均匀一致，使得在不改变半导体的外延片100性能的基础上，散热效果会明显增强，最终使半导体器件的寿命提高，工作环境更稳定。
    [n0036] 对于散热层3、第一功能层21及第二功能层22的制备方式，本实用新型不做限制，优选地，散热层3采用化学气相沉积法沉积。化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition简称CVD)是利用气态或蒸汽态的物质在气相或气固界面上发生反应生成固态沉积物的过程，采用化学气相沉积法，利于调节沉积的参数，可以有效地控制覆层的化学成分、形貌、晶体结构和晶粒度等，设备简单、操作维修方便。
    [n0037] 进一步地，化学气相沉积法的沉积温度为100～500℃，上述沉积温度下，得到的散热层3形貌、晶体结构和晶粒度均以稳定，厚度均匀。
    [n0038] 所述化学气相沉积法通入的气体为SiH4和C3H8的混合气，化学气相沉积时，发生的主要的化学反应是：
    [n0039] 3SiH4+C3H8→3SiC+10H2
    [n0040] 基于上述两个实施例，半导体的外延片100通过以下方法制备：
    [n0041] 在衬底1上沉积散热层3，并在所述散热层3上沉积外延层2，得到所述半导体的外延片100。上述步骤基于本实用新型的一个实施例，制备出如图1和2所示的半导体的外延片100。
    [n0042] 在衬底1上沉积第一功能层21，在所述第一功能层21上沉积散热层3，在所述散热层3上沉积第二功能层22，得到所述半导体的外延片100。上述步骤基于本实用新型的另一个实施例，制备出如图3和4所示的半导体的外延片100。
    [n0043] 当半导体的外延片100还包括缓冲层时，半导体的外延片100通过以下方法制备：
    [n0044] S10、在衬底1上沉积形成散热层3；
    [n0045] S20、在所述散热层3上沉积形成缓冲层4；
    [n0046] S30、在所述缓冲层4上沉积形成外延层2，得到所述半导体的外延片100。
    [n0047] 同理，在另一实施例中，当需要缓冲层4时，半导体的外延片100通过以下方法制备：
    [n0048] S100、在衬底1上沉积形成缓冲层4；
    [n0049] S200、在所述缓冲层4上沉积形成第一功能层21；
    [n0050] S300、在所述第一功能层21上沉积形成散热层3；
    [n0051] S400、在所述散热层3上沉积形成第二功能层22，得到所述半导体的外延片100。
    [n0052] 可以理解的是，外延层2是半导体器件的主要功能部分，也是产热的主要来源，在不影响半导体器件工作的前提下，散热层3设置在靠近主要的产热部件的位置(例如PN结)，而不同的半导体器件的外延层2的产热位置不同，可以根据需要将散热层3设置在衬底1和外延层2之间或者外延层2内部，使得散热更加及时，灵活性强。
    [n0053] 当衬底1和外延层2的材质不同时，优选地，在本实用新型的一实施例中，请参阅图1，散热层3设于衬底1和外延层2之间，半导体的外延片100还包括设于散热层3和外延层2之间的缓冲层4，缓冲层4的作用调节晶格失配，减小位错以增加外延层2的质量，确保制备出的半导体器件性能优越。
    [n0054] 而在本实用新型的另一实施例中，请参阅图3，散热层3设于第一功能层21和第二功能层22之间，半导体的外延片100还包括设于衬底1和第一功能层21之间的缓冲层4，同理，加入缓冲层4的作用调节晶格失配，减小位错以增加外延层2的质量，确保制备出的半导体器件性能优越。
    [n0055] 本实用新型对衬底1的材质不做限制，包括但不限于Si、Ge、InP、GaAs、GaN、SiC、ZnSe等第一代、第二代、第三代半导体衬底1，优选地，衬底1的材质为碳化硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石或硅片。
    [n0056] 对于散热层3的厚度，本实用新型也不做限制，优选地，散热层3的厚度为1×10-8～6×10-8m。上述厚度范围内，半导体的外延片100的性能优良，散热效果好。
    [n0057] 在本实用新型的一实施例中，请参阅图3，半导体的外延片100包括氮化镓发光二极管的外延片，散热层3设于衬底1和外延层2之间。
    [n0058] 在本实施例中，氮化镓发光二极管的外延片中，外延层2包括朝着远离衬底1的方向依次叠设的N型氮化镓层2e、MQW多量子阱层2f和P型氮化镓层2g，N型氮化镓层2e构成第一功能层21，P型氮化镓层2g构成第二功能层22。P型氮化镓层2g和N型氮化镓层2e各引出一电极5，在氮化镓发光二极管的外延片中，主要产热的区域是MQW多量子阱层2f和P型氮化镓层2g之间，但是由于N型氮化镓层2e和MQW多量子阱层2f之间不能加入散热层3，如果加入会破坏整个器件工作性能，所以该半导体的外延片100中，散热层3位于外延层2和衬底1之间。
    [n0059] 而在本实用新型的另一实施例中，半导体的外延片100包括异质结双极晶体管(HBT)的外延片，散热层3设于第一功能层21和第二功能层22之间。
    [n0060] 具体地，请参阅图4，异质结双极晶体管的外延片中，外延层2包括朝着远离衬底1的方向依次叠设的集电区2a、基区2b和发射区2c，集电区2a构成第一功能层21，基区2b构成第二功能层22，集电区2a、基区2b和发射区2c各引出一电极5。HBT主要是发射区2c和基区2b的PN结内载流子运作，发射区2c和基区2b是主要工作区，在这个工作区里，载流子复合会产生热能，半导体的外延片100工作所发出的热，主要就是发射区2c和基区2b载流子复合时候的热(也就是工作时产生的热能)，需要把这些热能传导到半导体的外延片100之外，散热层3离得越近，散热效果会越好，因此，将散热层3设在集电区2a和基区2b之间，离发射区2c和基区2b的PN结最近，散热效果最好。
    [n0061] 可以理解的是，在HBT中，选用Si-GaAs衬底1，在衬底1上通过CVD(化学气相沉积法)的方式长一层散热层3，因为HBT所需要的外延层2主要是AlGaAs和GaAs，该外延层2与衬底1存在晶格失配，需要加入缓冲层4调整。在缓冲层4上生长所需的外延层2，制备成所需的外延片。
    [n0062] 本实用新型进一步提出一种半导体器件，包括如上的半导体的外延片100。上述半导体的外延片100经过半导体加工工艺(包括但不限于光刻、沉积、刻蚀等)，制备成半导体器件。加入散热层3的半导体器件与现有的半导体器件相比，其散热效果明显增加，在作为功率放大器工作时，能承受的电压更大，因为没有热量的积累，器件工作稳定性得以保证，寿命大大增加。
    [n0063] 进一步地，半导体器件还包括靠近半导体的外延片100的衬底1设置的散热模块。具体地，散热模块可以是现有的外部封装散热、散热风扇、水冷装置等，本实用新型对此不做限制，此外，散热模可以和衬底1接触，也可以不接触，半导体的外延片100内部散热层3加快热传导，外部散热模块辅助散热，内外同时散热工作，使得热量传导非常快，能确保器半导体件工作区域不会积累热量，能正常高效工作。
    [n0064] 本实用新型对于半导体器件的类型也不做限制，优选地，半导体器件为异质结双极晶体管、绝缘栅双极型晶体管、发光二极管、镭射二极管、集成电路芯片、个人计算机或高温高压电子元件。
    [n0065] 以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。
    权利要求:
    Claims (10)
    [0001] 1.一种半导体的外延片，其特征在于，包括：
    衬底；
    外延层，设于所述衬底上，所述外延层包括朝着远离所述衬底的方向依次叠设的第一功能层和第二功能层；以及，
    散热层，所述散热层设于所述衬底和所述外延层之间，或者，所述散热层设于所述第一功能层和所述第二功能层之间，所述散热层的材质包括β-碳化硅。
    [0002] 2.如权利要求1所述的半导体的外延片，其特征在于，所述散热层设于所述衬底和所述外延层之间，所述半导体的外延片还包括设于所述散热层和所述外延层之间的缓冲层；或者，
    所述散热层设于所述第一功能层和所述第二功能层之间，所述半导体的外延片还包括设于所述衬底和所述第一功能层之间的缓冲层。
    [0003] 3.如权利要求1所述的半导体的外延片，其特征在于，所述衬底的材质为碳化硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石或硅片；和/或，
    所述散热层的厚度为1×10-8～6×10-8m。
    [0004] 4.如权利要求1所述的半导体的外延片，其特征在于，所述半导体的外延片包括异质结双极晶体管的外延片，所述散热层设于所述第一功能层和所述第二功能层之间。
    [0005] 5.如权利要求4所述的半导体的外延片，其特征在于，所述异质结双极晶体管的外延片中，所述外延层包括朝着远离所述衬底的方向依次叠设的集电区、基区和发射区，所述集电区构成所述第一功能层，所述基区构成所述第二功能层。
    [0006] 6.如权利要求1所述的半导体的外延片，其特征在于，所述半导体的外延片包括氮化镓发光二极管的外延片，所述散热层设于所述衬底和所述外延层之间。
    [0007] 7.如权利要求6所述的半导体的外延片，其特征在于，所述氮化镓发光二极管的外延片中，所述外延层包括朝着远离所述衬底的方向依次叠设的N型氮化镓层、MQW多量子阱层和P型氮化镓层，所述N型氮化镓层构成所述第一功能层，所述P型氮化镓层构成所述第二功能层。
    [0008] 8.一种半导体器件，其特征在于，包括如权利要求1至7任意一项所述的半导体的外延片。
    [0009] 9.如权利要求8所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件还包括靠近所述半导体的外延片的衬底设置的散热模块。
    [0010] 10.如权利要求8所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件为异质结双极晶体管、绝缘栅双极型晶体管、发光二极管、镭射二极管、集成电路芯片、个人计算机或高温高压电子元件。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    CN202120121863.XU|CN214336705U|2021-01-15|2021-01-15|半导体的外延片及半导体器件|CN202120121863.XU| CN214336705U|2021-01-15|2021-01-15|半导体的外延片及半导体器件|
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