非直接结合铜隔离的横向宽带隙半导体器件的制作方法

专利名称：非直接结合铜隔离的横向宽带隙半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及半导体器件，更具体地说涉及非直接结合铜基底或者类似物 隔离的横向宽带隙半导体器件。
背景技术：
控制半导体器件所产生的热量是一个封装功率电子器件的设计挑战。参照图1，当 今的半导体器件100通常具有硅芯片110和单独的硅芯片111 ；硅芯片110是由竖直构造 的开关1110(例如，具有在该器件顶层上的栅1112和源1114以及位于顶层下面的层上的 漏1116的开关)而构成，硅芯片111是由覆盖在散热器120上的二极管1120而构成。为 了将硅芯片110和111与散热器120相隔离，半导体器件100包括将硅芯片110和111与 散热器120分开的直接结合铜(DBC)结构130(或者另一种类似的结构)。在界面112处硅 芯片110和111通过焊接、烧结、热脂(thermal grease)或者其他类似技术而附接到DBC 130。同样地，在界面113处DBC 130通过焊接、烧结、热脂或者其他类似技术而附接到散热 器 120。DBC结构130包括第一铜层1310、第二铜层1320、和陶瓷隔离层1330。第一铜层 1310覆盖在散热器120上，而第二铜位于硅芯片110的下面。陶瓷绝缘层1330可以由氧化 铝、氮化铝、或氮化硅构成，并且将第一铜层1310与第二铜层1320分开。虽然半导体器件 100可正常运行，但是包含使硅芯片110和111与散热器120电隔离的DBC结构130，会不 必要地增加在运行期间半导体器件100的结温(junction temperature)，这会影响半导体 器件100的性能和/或使用寿命。此外，在界面112和113处包含附着层，会增加半导体器 件100中的热阻量。因此，期望提供不需要DBC结构但仍然保持外延层与散热器之间的电隔离的半导 体器件。此外，根据以下对本发明的详细描述和所附权利要求，并结合附图和本发明的此背 景技术部分，本发明的其他期望的特征和特性将会变得显而易见。

发明内容
各种实施例提供了非直接结合铜隔离的横向宽带隙半导体器件和功率模块 (power module)。一种器件，包括散热器、直接覆盖在散热器上的缓冲层、和覆盖在缓冲层 上的外延层。在一个实施例中，外延层是由III族元素氮化物而构成，使得外延层与散热器电 隔1 °另一种器件，包括散热器、直接覆盖在散热器上的基底、直接覆盖在基底上的缓 冲层、和覆盖在缓冲层上的外延层。在一个实施例中，外延层是由III族元素氮化物而构成， 使得外延层与散热器电隔离。本发明还涉及以下技术方案。方案1. 一种器件，包括 散热器；缓冲层，其直接覆盖在所述散热器上；以及
外延层，其由III族元素氮化物构成并且覆盖在所述缓冲层上。方案2.如方案1所述的器件，其中，所述缓冲层与所述散热器电隔离。方案3.如方案1所述的器件，其中，所述外延层包括横向构造的二极管。方案4.如方案1所述的器件，其中，所述外延层包括横向构造的开关。方案5.如方案1所述的器件，其中，所述外延层包括 横向构造的二极管；以及
横向构造的开关，其联接到所述横向构造的二极管。方案6.如方案5所述的器件，还包括连接所述横向构造的开关与所述横向构造 的二极管的电极、至少一个引线接合(wire bond)、或者集成电路金属化(metallization)。方案7.如方案5所述的器件，其中，所述横向构造的二极管和所述横向构造的开 关与所述散热器电隔离。方案8. 如方案4所述的器件，其中，所述横向构造的开关包括栅端子、源端子、 和漏端子。方案9.如方案8所述的器件，其中 所述外延层包括顶侧；并且
所述栅端子、所述源端子、和所述漏端子均位于所述顶侧上。方案10.如方案1所述的器件，其中，所述器件构成了功率模块的至少一部分。方案11. 一种器件，包括 散热器；
基底，其直接覆盖在所述散热器上；
缓冲层，其直接覆盖在所述基底上；以及
外延层，其由III族元素氮化物构成并且覆盖在所述缓冲层上。方案12.如方案11所述的器件，其中，所述缓冲层与所述散热器电隔离。方案13.如方案11所述的器件，其中，所述外延层包括横向构造的二极管。方案14.如方案11所述的器件，其中，所述外延层包括横向构造的开关。方案15.如方案1所述的器件，其中，所述外延层包括 横向构造的二极管；以及
横向构造的开关，其联接到所述横向构造的二极管。方案16.如方案15所述的器件，还包括连接所述横向构造的开关与所述横向构 造的二极管的电极、至少一个引线接合、或者集成电路金属化。方案17.如方案15所述的器件，其中，所述横向构造的二极管和所述横向构造的 开关与所述散热器电隔离。方案18.如方案14所述的器件，其中，所述横向构造的开关包括栅端子、源端子、 和漏端子。方案19.如方案18所述的器件，其中 所述外延层包括顶侧，并且
所述栅端子、所述源端子、和所述漏端子均位于所述顶侧上。方案20.如方案11所述的器件，其中，所述器件构成了功率模块的至少一部分。


在下文中将结合下列附图对本发明进行描述，其中类似的数字表示类似的元件。图1是说明包含将硅芯片与散热器分开的直接结合铜(DBC)型结构的现有技术半 导体器件的图解。图2是说明隔离的非DBC型半导体器件的一个实施例的图解。图3是说明隔离的非DBC型半导体器件的另一个实施例的图解。
具体实施例方式以下对本发明的详细描述在性质上仅仅是示例性，而不是意图限制本发明或者本 发明的应用和用途。此外，本发明没有意图受到在前述本发明的背景技术或以下对本发明 的详细描述中所介绍的任何理论的约束。图2是隔离的非DBC型半导体器件200的一个实施例的图解。至少在该图示说明 的实施例中，半导体器件200包括直接覆盖在缓冲层240上的外延层210，缓冲层240直接 联接到散热器220。在一个示例性实施例中，半导体器件200构成功率模块，该功率模块具 有散热器200以及附接到该散热器的半导体元件。在所示的实施例中，外延层210构成半导体芯片，并且包括水平构造的开关2110 以及通过一个或多个电极215 (或者一个或多个引线接合)而水平联接到开关2110的二极 管2120。在某些实施例中，可以采用金属化来代替引线接合。在一个实施例中，外延层210 是由III族元素氮化物所构成的半导体芯片。也就是说，外延层210可以是氮化镓(GaN)芯 片、氮化硼(BN)芯片、氮化铝(AlN)芯片、氮化铟αηΝ)芯片、或氮化铊(TIN)芯片。在另 一个实施例中，外延层210是由硅、碳化硅等半导体材料所构成的半导体芯片。开关2110包括栅2112、源2114、和漏2116。如图2中所示，栅2112、源2114、和 漏2116相对于彼此水平设置于外延层210的顶表面上。缓冲层240可以由本技术领域中已知的或者未来开发的任何绝缘材料而构成。在 界面211处，缓冲层240通过例如焊接、烧结、热脂、或者其他类似的技术而直接联接到散热 器 220 ο散热器220可以是能够吸收和/或耗散来自外延层210的热量的、本技术领域中 已知的或者未来开发的任何材料、器件或物体。散热器220的实例包括但不限于铝、铜、陶 瓷、铝碳化硅、热管、均热板(vapor chamber)等材料、器件或物体。在各种实施例中，半导体器件200构成了功率模块的至少一部分。这样的功率模 块的实例包括但不限于开关2110与二极管2120反向并联的半导体开关、开关2110与二 极管2120并联的半导体开关、半桥构造中的逆变器桥臂、三相逆变器中的逆变器桥臂、转 换器、和/或类似的功率模块。半导体器件200中的III族元素氮化物外延层210与散热器220电隔离。也就是说， 因为外延层210是通过缓冲层240而与散热器220电隔离，所以半导体器件200不需要直 接结合铜(DBC)型结构，这使得半导体器件200能够在比当今的半导体器件(例如，半导体 器件100)更低的结温下运行。具体地，因为半导体器件200不需要DBC型结构，所以在运 行期间半导体器件200的结温大约比半导体器件100的结温低^°C。可替代地，半导体器件200可以在与当今的半导体器件相同的结温下但却以更高的功率密度而运行。图3是隔离的非DBC型半导体器件300的另一个实施例的图解。至少在该图示说 明的实施例中，半导体器件300包括直接覆盖在缓冲层340上的外延层310、和直接位于缓 冲层340下面并且直接联接到散热器320的基底350。外延层310构成半导体芯片，并且包括水平构造的开关3110以及通过一个或多个 电极315(或者一个或多个引线接合)而水平联接到开关3110的二极管3120。在一个实 施例中，外延层310是由III族元素氮化物所构成的半导体芯片。也就是说，外延层310可以 是氮化镓(GaN)芯片、氮化硼(BN)芯片、氮化铝(AlN)芯片、氮化铟QnN)芯片、或氮化铊 (TIN)芯片。开关3110包括栅3112、源3114、和漏3116。如图3中所示，栅3112、源3114、和 漏3116相对于彼此水平设置于外延层310的顶表面上。缓冲层340可以由本技术领域中已知的或者未来开发的任何绝缘材料而构成。在 界面316处，缓冲层340通过例如焊接、烧结、热脂、或者其他类似技术而直接联接到基底 350。基底350可以由本技术领域中已知的或者未来开发的任何基底材料而构成。基底 350的实例包括但不限于硅、蓝宝石、碳硅等基底材料。基底350构造成为半导体器件300 提供机械支撑，但是基底350应尽量地薄，以降低基底350的热阻。散热器320可以是能够吸收和/或耗散来自外延层310的热量的、本技术领域中 已知的或者未来开发的任何材料、器件或物体。散热器320的实例包括但不限于铝、铜、陶 瓷、铝碳化硅、热管、均热板等材料、器件或物体。在各种实施例中，半导体器件300构成了功率模块的至少一部分。这样的功率模 块的实例包括但不限于开关3110与二极管3120反向并联的半导体开关、开关3110与二 极管3120并联的半导体开关、半桥构造中的逆变器桥臂、三相逆变器中的逆变器桥臂、转 换器、和/或类似的功率模块。半导体器件300中的III族元素氮化物外延层310与散热器320电隔离。也就是说， 因为外延层310通过缓冲层340而与散热器320电隔离，所以半导体器件200不需要直接 结合铜(DBC)型结构，这使得半导体器件300能够在比当今的半导体器件(例如，半导体器 件100)更低的结温下运行。具体地，因为半导体器件300不需要DBC型结构，所以在运行 期间半导体器件300的结温大约比半导体器件100的结温低20°C。可替代地，半导体器件 300可以在与当今的半导体器件相同的结温下但却以更高的功率密度而运行。尽管在本文中已参照异质结构场效应晶体管(HFET)对各种实施例进行了论述， 但是本发明并不局限于HFET器件。也就是说，半导体器件200和300可以实施为在顶表面 上具有水平构造的栅、源、和漏的任何器件。虽然已在以上对本发明的详细描述中介绍了至少一个示例性实施例，但是应当理 解的是，存在着大量的变型。还应当理解的是，示例性实施例仅仅是例子，而不是意图以任 何方式来限制本发明的范围、应用或构造。相反，上述的详细描述将为本领域技术人员提供 用以实施本发明示例性实施例的方便的路线图，应当理解的是，在不脱离所附权利要求及 其法律等效物中所陈述的本发明范围的情况下，可以在示例性实施例中所描述元件的功能 和布置上作各种变化。
权利要求
1.一种器件，包括 散热器；缓冲层，其直接覆盖在所述散热器上；以及外延层，其由III族元素氮化物构成并且覆盖在所述缓冲层上。
2.如权利要求1所述的器件，其中，所述缓冲层与所述散热器电隔离。
3.如权利要求1所述的器件，其中，所述外延层包括横向构造的二极管。
4.如权利要求1所述的器件，其中，所述外延层包括横向构造的开关。
5.如权利要求1所述的器件，其中，所述外延层包括 横向构造的二极管；以及横向构造的开关，其联接到所述横向构造的二极管。
6.如权利要求5所述的器件，还包括连接所述横向构造的开关与所述横向构造的二 极管的电极、至少一个引线接合、或者集成电路金属化。
7.如权利要求5所述的器件，其中，所述横向构造的二极管和所述横向构造的开关与 所述散热器电隔离。
8.如权利要求4所述的器件，其中，所述横向构造的开关包括栅端子、源端子、和漏端子。
9.如权利要求8所述的器件，其中 所述外延层包括顶侧；并且所述栅端子、所述源端子、和所述漏端子均位于所述顶侧上。
10.一种器件，包括 散热器；基底，其直接覆盖在所述散热器上；缓冲层，其直接覆盖在所述基底上；以及外延层，其由III族元素氮化物构成并且覆盖在所述缓冲层上。
全文摘要
本发明提供非直接结合铜隔离的横向宽带隙半导体器件。一种半导体器件，包括散热器、直接覆盖在散热器上的缓冲层、和由Ⅲ族元素氮化物所构成并且覆盖在缓冲层上的外延层。另一种半导体器件，包括散热器、直接覆盖在散热器上的基底、直接覆盖在基底上的缓冲层、和由Ⅲ族元素氮化物所构成并且覆盖在缓冲层上的外延层。外延层由Ⅲ族元素氮化物构成会使得各种外延层能够与它们各自的散热器电隔离。
文档编号H01L25/18GK102142409SQ201110031230
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者休斯 B., R. 伍迪 G., 布特罗斯 K., G. 沃德 T. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司