[发明专利]一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置与制备方法

说明书

本发明涉及一种应用于氮化镓晶体管的片内微流散热驱动装置与制备方法，自上而下依次包括氮化镓晶体管微流结构层、集成键合层、微流体引流层及驱动集成模块。氮化镓晶体管微流结构层为晶体管的衬底，含片内微流道散热区及流道出入口区；集成键合层为金属或有机物键合，厚度为500 nm以内；微流体驱动层为Si及SiC材料，内部含内嵌式微流传输通道，实现对片内微流体的引流；微流体驱动集成模块采用金属等易加工材料，内部含微流传输通道、凸式互连接口和凸式流体进出口，实现与微流泵浦互连。该片内微流驱动装置可满足微流泵对氮化镓晶体管微流散热能力的控制，充分实现片内微流散热结构氮化镓晶体管的高效散热能力，可用于超大功率微波功率氮化镓器件。

技术领域

本发明是一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置与制备方法，属于功率器件芯片级微流热管理开发技术领域。

背景技术

以氮化镓为代表的第三代固态功率器件已展现出其优异的大功率应用特性，在实际应用中的氮化镓功率器件多为SiC衬底和Si衬底，其功率器件的单位功率密度远未达到其理想值，导致氮化镓器件的研发和应用受到极大限制。这主要是因为氮化镓功率器件在输出大功率的同时会产生大量热积累，因氮化镓器件Si或SiC衬底的传热能力限制，导致器件内部产生热积累，直接引起器件结温的急剧升高，导致氮化镓器件性能和可靠性的严重下降。因此，进行氮化镓半导体器件的芯片级热管理技术开发成为了解决其进一步应用的主要技术瓶颈之一。目前针对氮化镓器件芯片级热管理的技术开发主要集中在高导热材料的片内集成和片内嵌入微流冷却的技术开发上。片内集成高导热材料热管理途径是被动式的散热技术，可有效提升氮化镓器件的功率密度，但仍然满足理想功率密度下的热耗散。而片内微流冷却技术是主动式的热管理，液体散主动式热能力通常是固体被动式散热能力的10倍以上，可有效解决氮化镓器件的热积累效应，提升其功率密度和性能。因而，应用于氮化镓器件的片内微流散热技术已成为解决其大功率特殊需求应用的热点研究方向。片内微流散热的能力不仅取决于片内微流道的结构设计，更取决于微流体的流动形式。然而，微流体的流动形式由微流体的驱动技术决定，因为氮化镓器件尺度的限制，其片内微流的驱动极为困难，已成为当今大功率器件芯片级微流热管理开发领域中亟待解决的重点难题之一。

发明内容

本发明提出的是一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置设计与制备方法，其目的是实现微流泵浦对氮化镓晶体管微流散热能力的控制，充分发挥片内微流散热结构氮化镓晶体管的高效散热能力，解决氮化镓器件因热积累导致的器件性能衰退问题。

本发明的技术解决方案：一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置，其结构自上而下依次包括氮化镓晶体管微流结构层A、集成键合层B、微流体引流层C及驱动集成模块D；其中，所述氮化镓晶体管微流结构层A设有片内微流道散热区A-2及流道出入口区A-3，所述集成键合层B厚度＜500 nm，所述微流体引流层C内部含内嵌阶梯式微流传输通道，实现对片内微流体的引流，所述驱动集成模块D包括微流传输通道D-1、凸式互连接口D-2和凸式流体进出口D-3，实现与微流泵浦互连，同时表面可实现与氮化镓晶体管电路E互连。

所述氮化镓晶体管微流结构层A设于晶体管的衬底背面、热源区正下方，距离热源区A-1 20um-50um，流道出入口区A-3中出入口尺寸一致，宽度≥500um，其他尺寸和微流道散热区一致。

所述氮化镓晶体管微流结构层A材料为Si、蓝宝石或SiC中的一种。

所述集成键合层B的工艺采用金属键合或有机物键合；若采用金属键合，在氮化镓晶体管微流结构区A的背面和微流体引流层C的正面分别蒸发氮化镓晶体管微流结构区键合金属B-1和微流体引流层键合金属B-2，厚度都小于250 nm，随后利用键合工艺实现氮化镓晶体管微流结构区和微流体引流层的集成；若采用有机物键合，在微流体引流层C正面旋涂一层有机物B-3，厚度小于500 nm，随后利用键合工艺实现氮化镓晶体管微流结构区和微流体引流层的集成。