CN105322007A - 基于金刚石衬底的氮化物结构、制备方法及半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于金刚石衬底的氮化物结构、制备方法及半导体器件，所述氮化物结构包括金刚石衬底；位于所述金刚石衬底上的至少一层IV族原子层；位于所述至少一层IV族原子层上的氮化物外延层。本发明解决了在金刚石衬底上生长氮化物外延层失配大，氮化物外延层和金刚石衬底界面处热阻大，工艺复杂的问题。

Description

基于金刚石衬底的氮化物结构、制备方法及半导体器件
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种基于金刚石衬底的氮化物结构、制备方法及半导体器件。
背景技术
GaN高电子迁移率晶体管(HighElectronMobilityTransistor，HEMT)作为功率放大器，可应用于雷达系统、移动通信系统与航空航天等高频高功率器件领域，且在电力电子器件领域也具有极大的潜力，具有非常广阔的应用前景。但是，目前GaN微波通信系统的性能与可靠性受到自热效应引起的高工作温度的限制。因此，高效的热管理对于降低器件发热与工作区温度是非常重要的。在GaNHEMT系统中采用大体积的金属热沉可以提供具有高热导率的背底，降低系统的温度。热传导在高热导率的材料与热源非常接近时最有效，但是因栅极的尺寸较小，仅有微米级，热沉与器件栅极区域的距离大大超过了栅极的尺寸，热源到热传导部件之间不能完成有效的热传递。采用这种方式不能降低HEMT栅极热源附近的温度。在类似栅极这些小几何形状周边的热传导的最好方式是将热量通过更大面积或体积传导出去，只有在高热导率的衬底之上直接沉积半导体外延层，并制作器件，才能形成良好的热传导，因此，采用和氮化镓结合紧密的高热导衬底，能获得极佳的耐热和散热性能，有望实质性改善目前高功率射频系统的散热限制。
金刚石热阻小，其热导率是SiC的3倍。可作为GaN外延层的衬底，大幅提高器件散热能力。金刚石衬底上生长GaN的困难之处在于二者晶体结构不同，金刚石为立方结构，而GaN为六方结构，晶格失配造成二者界面处存在较多的材料缺陷，影响器件的性能。此外，金刚石与与GaN之间的热膨胀系数存在差异。这种不同的热膨胀系数会引起金刚石衬底的翘曲，增加在金刚石衬底上制作器件的工艺难度。因此直接在金刚石衬底上制备GaN外延层是非常困难的。
目前在金刚石衬底上生长氮化镓多采用圆片键合的方法，该方法先将GaN外延生长在其他衬底上，然后通过键合的方法将GaN外延层转移到金刚石衬底上。但该方法中，金刚石与GaN外延层之间存在着键合层，会导致金刚石与GaN半导体层处的热阻增大，降低器件性能。
还有一种在金刚石上制备AlGaN/GaN外延层的方法，采用金属有机物化学气相沉积(Metal-organicChemicalVaporDeposition，MOCVD)方法将AlGaN/GaNHEMT结构的外延层沉积在Si衬底之上，在AlGaN/GaN之上形成氮化硅支撑衬底，将AlGaN/GaN外延层倒放在支撑衬底之上。将Si衬底剥离之后在AlGaN/GaN外延层上采用MOCVD沉积金刚石薄膜，最终去除支撑衬底，形成在金刚石衬底之上的AlGaN/GaN外延层。但此种方法中，由于金刚石薄膜较薄，会导致外延片翘曲过大，需要抛光等手段降低金刚石衬底的翘曲，工艺复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于金刚石衬底的氮化物结构、制备方法及半导体器件，以解决在金刚石衬底上生长氮化物外延层失配大，氮化物外延层和金刚石衬底界面处热阻大，工艺复杂的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种氮化物结构，包括：
金刚石衬底；
位于所述金刚石衬底上的至少一层IV族原子层；
位于所述至少一层IV族原子层上的氮化物外延层。
进一步的，所述IV族原子为Si原子；所述氮化物外延层的材料为AlN，AlGaN或GaN。
进一步的，所述氮化物外延层和少一层IV族原子层之间还包括依次层叠的V族原子层和III族原子层。
进一步的，所述V族原子层为N原子层，所述III族原子层为Al原子层。
进一步的，所述氮化物外延层包括成核层，所述成核层位于至少一层IV族原子层之上。
进一步的，所述成核层的材料为AlN，GaN或AlGaN。
进一步的，所述氮化物外延层包括从下至上依次叠层的成核层、缓冲层、沟道层和势垒层。
第二方面，本发明实施例提供了一种半导体器件，包括第一方面中所述的氮化物结构，位于氮化物外延层上的源极、漏极以及位于所述源极和所述漏极之间的栅极。
第三方面，本发明实施例提供了一种氮化物结构的制备方法，包括：
提供金刚石衬底；
在所述金刚石衬底上形成至少一层IV族原子层；
在所述至少一层IV族原子层上形成氮化物外延层。
进一步的，还包括：
在所述至少一层IV族原子层上形成一层V族原子层；
在所述V族原子层之上形成III族原子层。
进一步的，在所述至少一层IV族原子层上形成氮化物外延层，包括：
在所述至少一层IV族原子层之上形成成核层。
进一步的，在所述至少一层IV族原子层上形成氮化物外延层，包括：
在所述至少一层IV族原子层之上形成成核层；
在所述成核层之上形成缓冲层；
在所述缓冲层之上形成沟道层；
在所述沟道层之上形成势垒层。
进一步的，所述至少一层IV族原子层，所述V族原子层，所述III族原子层通过等离子体增强化学气相沉积、溅射或原子层沉积法形成。
进一步的，所述氮化物外延层通过金属有机化学气相沉积的方法形成。
本发明的有益效果是：本发明提供一种基于金刚石衬底的氮化物结构、制备方法及半导体器件，在金刚石衬底上形成IV族原子层，IV族原子层与金刚石发生键合作用，且键合牢固，再直接在IV族原子层上形成氮化物外延层，降低了金刚石衬底与氮化物外延层之间的晶格失配，可得到晶体质量好的氮化物外延层。另外，IV族原子层的厚度较小，氮化物外延层与金刚石衬底紧密贴近，降低了氮化物外延层与金刚石衬底之间的热阻。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：
图1是本发明实施例一提供的氮化物结构的剖面示意图；
图2是本发明实施例二提供的氮化物结构的剖面示意图；
图3是本发明实施例三提供的氮化物结构的剖面示意图；
图4是本发明实施例四提供的氮化物结构的剖面示意图；
图5是本发明实施例五提供的半导体器件的剖面示意图；
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的氮化物结构的剖面示意图。如图1所示，该结构包括金刚石衬底101；位于金刚石衬底101上的至少一层IV族原子层102；位于至少一层IV族原子层102上的氮化物外延层103。
上述金刚石衬底101较厚，不同于在氮化物上采用MOCVD方法制备的金刚石，不易发生翘曲，不会导致外延片翘曲过大，因而不需对金刚石衬底101采用抛光等手段来解决翘曲问题，工艺简单，且金刚石的热阻小，导热性能好。该金刚石衬底101的具体厚度可根据氮化物结构的设计需求进行调整。
另外，IV族原子可以为Si原子；氮化物外延层的材料可以为AlN，AlGaN或GaN。因为Si与C为同族元素，化学结构类似，所以至少一层IV族原子层102中的Si原子可以与金刚石衬底101中的C原子形成紧密的化学键合作用，可在金刚石表面形成牢固的Si原子层。通过在金刚石衬底101上形成至少一层IV族原子层102，可使金刚石衬底101逐渐过渡至氮化物外延层103，解决了直接在金刚石衬底101上形成氮化硅外延层103引起的晶格失配的问题，且金刚石衬底101和氮化硅外延层103的表面比较平整，二者界面处不存在材料缺陷，提高了氮化物结构的性能；至少一层IV族原子层102很薄，氮化物外延层103与金刚石衬底101可以紧密贴近，降低了氮化物外延层103与金刚石衬底101之间的热阻，因此，可在较高的环境温度采用简单和成本更低的热管理系统。至少一层IV族原子层102的具体层数可根据工艺水平和设计需求进行调整。
本实施例中，该氮化物结构的制备方法如下：
步骤S11、提供金刚石衬底101。
步骤S12、在金刚石衬底101上形成至少一层IV族原子层102。
其中IV族原子可以是硅原子。本实施例的至少一层IV族原子层102可以通过等离子体增强化学气相沉积、溅射或原子层沉积法形成。例如，采用等离子体增强化学气相沉积方法时，可以在等离子增强化学气相沉积系统中通入SiH4，使金刚石衬底101表面键合硅原子层。另外，本实施例也可以采用溅射的方法在金刚石衬底101上沉积硅原子层。根据工艺水平和设计需求，可以在金刚石衬底101上形成单层或多层硅原子层。
步骤S13、在至少一层IV族原子层102上形成氮化物外延层103。
本实施例中的氮化物外延层103可以通过MOCVD来制备。
本发明实施例一提供的基于金刚石衬底的氮化物结构和制备方法，在金刚石衬底上形成IV族原子层，IV族原子层与金刚石发生键合作用，且键合牢固，再直接在IV族原子层上形成氮化物外延层，降低了金刚石衬底与氮化物外延层之间的晶格失配，可得到晶体质量好的氮化物外延层。另外，IV族原子层的厚度较小，氮化物外延层与金刚石衬底紧密贴近，降低了氮化物外延层与金刚石衬底之间的热阻。
实施例二
图2是本发明实施例二提供的氮化物结构的剖面示意图。本实施例以上述实施例为基础进行优化，与实施例一的不同之处在于：氮化物外延层103和至少一层IV族原子层102之间还包括依次层叠的V族原子层104和III族原子层105。如图2所示，该结构包括金刚石衬底101；位于金刚石衬底101上的至少一层IV族原子层102；位于至少一层IV族原子层102上的V族原子层104；位于V族原子层104之上的III族原子层105，位于III族原子层105之上的氮化物层103。
同样地，上述IV族原子可以为硅原子。其中V族原子层104的原子可以为N，III族原子层105的原子可以为Al。V族原子层104与III族原子层105可以更加顺利地将金刚石衬底101从至少一层IV族原子层102过渡到氮化物外延层103，使氮化物外延层103与金刚石衬底101之间的结合更紧密。
相应的，本实施氮化物结构的制备方法如下：
步骤S21、提供金刚石衬底101。
步骤S22、在金刚石衬底101上形成至少一层IV族原子层102。
其中IV族原子可以是硅原子。
步骤S23、在至少一层IV族原子层102上形成一层V族原子层104。
其中V族原子可以是N原子。
步骤S24、在V族原子层104之上形成III族原子层105。
其中III族原子可以是Al原子
步骤S25、在III族原子层105之上形成氮化物外延层103。
本实施例中的至少一层IV族原子层102，V族原子层104和III族原子层105可通过等离子体增强化学气相沉积、溅射或原子层沉积法形成，氮化物外延层103可以通过MOCVD法形成。
本发明实施例二提供的基于金刚石衬底的氮化物结构和制备方法，在氮化物外延层和少一层IV族原子层之间形成依次层叠的V族原子层和III族原子层，可以更加顺利地将金刚石衬底从至少一层IV族原子层过渡到氮化物外延层，使氮化物外延层与金刚石衬底之间的结合更紧密。
实施例三
图3是本发明实施例三提供的氮化物结构的剖面示意图。本实施例以实施例一为基础进行优化，与实施例一的不同之处在于：氮化物外延层103包括成核层106，该成核层106位于至少一层IV族原子层102之上。如图3所示，该结构包括金刚石衬底101；位于金刚石衬底101上的至少一层IV族原子层102；位于至少一层IV族原子层102上的成核层106。本实施例中的IV族原子可以是Si，成核层106的材料可以是AlN，GaN或AlGaN。成核层106可以将至少一层IV族原子层102过渡至氮化物外延层103，提升氮化物外延层103的晶体质量。
本实施例氮化物结构的制备方法如下：
步骤S31、提供金刚石衬底101。
步骤S32、在金刚石衬底101上形成至少一层IV族原子层102。
步骤S33、在至少一层IV族原子层102之上形成成核层106。
本实施例中的至少一层IV族原子层102可通过等离子体增强化学气相沉积、溅射或原子层沉积法形成，成核层106可以通过MOCVD法形成。
本发明实施例三提供的基于金刚石衬底的氮化物结构和制备方法，在至少一层IV族原子层上的氮化物外延层中形成成核层，可以将至少一层IV族原子层过渡至氮化物外延层，提升氮化物外延层的晶体质量。
实施例四
图4是本发明实施例四提供的氮化物结构的剖面示意图。本实施例以实施例一为基础进行优化，与实施例一的不同之处在于：氮化物外延层103包括从下至上依次叠层的成核层106、缓冲层107、沟道层108和势垒层109。具体的，成核层106可以包括堆叠的V族原子层和III族原子层。进一步的，成核层106的材料还可以包括AlN，GaN或AlGaN中一种或多种的组合；缓冲层107的材料可以为AlGaN；沟道层108的材料可以为GaN；势垒层109的材料可以为AlGaN。
其中，成核层106影响位于其上的异质结材料的晶体质量、表面形貌以及电学性质等参数，起匹配衬底材料和异质结结构中半导体材料层的作用。
缓冲层107能够保护金刚石衬底101不被一些金属离子侵入，又能够粘合需要生长于其上的其他半导体材料层的作用。
沟道层108和势垒层109形成异质结结构，异质结界面处形成有2DEG(Two-DimensionalElectronGas，二维电子气)沟道，其中，沟道层108提供了2DEG运动的沟道，势垒层109起势垒作用。
本实施例氮化物结构的制备方法如下：
步骤S41、提供金刚石衬底101。
步骤S42、在金刚石衬底101上形成至少一层IV族原子层102。
步骤S43、在至少一层IV族原子层102之上形成成核层106。
步骤S44、在成核层106之上形成缓冲层107。
步骤S45、在缓冲层107之上形成沟道层108。
步骤S46、在沟道层108之上形成势垒层109。
本实施例中的至少一层IV族原子层102可通过等离子体增强化学气相沉积、溅射或原子层沉积法形成；成核层106，缓冲层107，沟道层108和势垒层109可以通过MOCVD法形成。
本发明实施例四提供的基于金刚石衬底的氮化物结构和制备方法，在氮化物外延层中依次形成成核层、缓冲层、沟道层和势垒层，可以将至少一层IV族原子层过渡至氮化物外延层，进一步提升氮化物外延层的晶体质量。
实施例五
图5是本发明实施例五提供的半导体器件的剖面示意图。如图5所示，该半导体器件包括本发明实施例中的氮化物结构，位于氮化物外延层103上的源极110、漏极111以及位于源极110和漏极111之间的栅极112。
具体的，位于势垒层109上的源极110和漏极111分别与势垒层109形成欧姆接触，栅极112位于源极110和漏极111之间且位于势垒层109之上，与势垒层109形成肖特基接触，栅极112也可以是T形栅，当栅极112上施加适当的偏压时，电流通过沟道层108和势垒层109界面之间的2DEG沟道在源极110和漏极111之间流动。
本实施例的制作方法如下：
步骤S51、提供金刚石衬底101。
步骤S52、在金刚石衬底101上形成至少一层IV族原子层102。
步骤S53、在至少一层IV族原子层102之上形成成核层106。
步骤S54、在成核层106之上形成缓冲层107。
步骤S55、在缓冲层107之上形成沟道层108。
步骤S56、在沟道层108之上形成势垒层109。
步骤S57、在势垒层109之上形成源极110，漏极111以及位于源极110和漏极111之间的栅极112。
本发明实施例五所提供的半导体器件，包括本发明实施例所提供的基于金刚石衬底的氮化物结构，具备相应的功能和有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应理解，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。

Claims (14)

1.一种基于金刚石衬底的氮化物结构，其特征在于，包括：
金刚石衬底；
位于所述金刚石衬底上的至少一层IV族原子层；
位于所述至少一层IV族原子层上的氮化物外延层。
2.根据权利要求1所述的氮化物结构，其特征在于，所述IV族原子为Si原子；所述氮化物外延层的材料为AlN，AlGaN或GaN。
3.根据权利要求1所述的氮化物结构，其特征在于，所述氮化物外延层和至少一层IV族原子层之间还包括依次层叠的V族原子层和III族原子层。
4.根据权利要求3所述的氮化物结构，其特征在于，所述V族原子层为N原子层，所述III族原子层为Al原子层。
5.根据权利要求1所述的氮化物结构，其特征在于，所述氮化物外延层包括成核层，所述成核层位于至少一层IV族原子层之上。
6.根据据权利要求5所述的氮化物结构，其特征在于，所述成核层的材料为AlN，GaN或AlGaN。
7.根据权利要求3所述的氮化物结构，其特征在于，所述氮化物外延层包括从下至上依次叠层的成核层、缓冲层、沟道层和势垒层。
8.一种半导体器件，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的氮化物结构，位于氮化物外延层上的源极、漏极以及位于所述源极和所述漏极之间的栅极。
9.一种氮化物结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供金刚石衬底；
在所述金刚石衬底上形成至少一层IV族原子层；
在所述至少一层IV族原子层上形成氮化物外延层。
10.根据据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述至少一层IV族原子层上形成一层V族原子层；
在所述V族原子层之上形成III族原子层。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述至少一层IV族原子层上形成氮化物外延层，包括：
在所述至少一层IV族原子层之上形成成核层。
12.根据据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，在所述至少一层IV族原子层上形成氮化物外延层，包括：
在所述至少一层IV族原子层之上形成成核层；
在所述成核层之上形成缓冲层；
在所述缓冲层之上形成沟道层；
在所述沟道层之上形成势垒层。
13.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述至少一层IV族原子层，所述V族原子层，所述III族原子层通过等离子体增强化学气相沉积、溅射或原子层沉积法形成。
14.根据权利要求9-13任一项所述的制备方法，所述氮化物外延层通过金属有机化学气相沉积的方法形成。
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