[发明专利]一种器件匹配的高效散热半导体衬底及其制备方法

说明书

本发明提供了一种器件匹配的高效散热半导体衬底及其制备方法，属于半导体技术领域。本发明提供的半导体衬底的背面设置有周期分布排列的凹槽，凹槽内填充有纳米导热材料，且凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸，即仅在凹槽区域有纳米导热材料，相邻凹槽之间预留有未覆盖纳米导热材料的区域，这样使得半导体衬底背面高导热部分与器件芯片尺寸相匹配，解理时沿着预留出的凹槽之间未覆盖纳米导热材料的衬底的中线解理即可，解决了现有半导体衬底背面制备导热薄膜时存在器件芯片解理难度较大易碎裂的问题；此外，在衬底背面设置凹槽，相当于减薄了衬底的厚度，降低了热阻，同时在凹槽中填充纳米导热材料，增大了衬底散热能力。

技术领域

本发明涉及新型衬底材料技术领域，尤其涉及一种器件匹配的高效散热半导体衬底及其制备方法。

背景技术

光电子器件是利用电-光子转换效应制成的各种功能器件。光电子器件是光电子技术的关键和核心部件，是现代光电技术与微电子技术的前沿研究领域，也是信息技术的重要组成部分。半导体激光器是光电子器件中最重要的器件之一，自诞生以来发展迅速，因其具有光电转换效率高、覆盖波长范围广、使用寿命长、体积小、重量轻、可直接调制等优势，已广泛应用于材料加工、军事、工业、医疗、通信等领域。

半导体激光器是重要的光电子器件之一，具有器件芯片尺寸小，功率高，但其工作时产生的废热会引起极大的热流密度。例如，对于尺寸为0.2mm×5mm×0.1mm的单管半导体激光器，当单管功率为10W时，其热流密度达到1000W·cm^-2，与太阳表面的热流密度相当。半导体激光器的热特性问题一直是本领域研究的一个重点课题。由于有各种不可避免的损耗存在，使得半导体激光器的工作效率只能达到50％左右，即在其工作时仍然有不少的电能会转换为热能。如果产生的热量不能及时从有源区传递出去，会对半导体激光器正常工作造成严重影响。

半导体激光器正常工作时发出的热量大多是首先从有源区传递到衬底，再由衬底经过焊料传递到热沉上，而在传递过程中由于衬底厚度较厚、热阻较高等原因，导致器件芯片的散热能力变差。因此，为了增强衬底散热能力，会在衬底背面(即与热沉接触的一面)镀散热性能好的材料，比如在激光器衬底整个背面镀金刚石薄膜，通过金刚石薄膜，将器件芯片产生的热量迅速扩展到热沉表面，再通过热沉将热量散出。这种方式虽然能够提高器件芯片的散热性能，但如果在衬底整个背面上制备散热材料，这些材料可能硬度较大，也有可能不是晶体，没有解理面，或者这些材料是晶体但与衬底晶体结构不同，导致器件芯片的解理难度增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种器件匹配的高效散热半导体衬底及其制备方法，本发明提供的半导体衬底的高导热部分与器件芯片尺寸相匹配，便于解理，且散热效果好。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种器件匹配的高效散热半导体衬底，包括衬底基体，所述衬底基体的背面设置有周期分布排列的凹槽，所述凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸；所述凹槽内填充有纳米导热材料，且填充的纳米导热材料与衬底基体的背面齐平。

优选地，所述凹槽的深度为40～60μm，相邻凹槽的边缘之间的距离为5～15μm。

优选地，所述衬底基体的材质包括InP、GaAs、GaSb、InAs和Si中的一种。

优选地，所述纳米导热材料为石墨烯纳米片或银纳米线，所述石墨烯纳米片的片径尺寸为10～30nm，所述银纳米线的长度为10～30nm。

本发明提供了上述技术方案所述器件匹配的高效散热半导体衬底的制备方法，包括以下步骤：

将衬底片的背面进行光刻处理，在所述衬底片的背面形成周期分布排列的凹槽图形，得到光刻衬底片；

将所述光刻衬底片进行刻蚀处理，在所述光刻衬底片的背面形成周期分布排列的凹槽，且所述凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸，得到刻蚀衬底；