CN106299071A - 氮化镓芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氮化镓芯片及其制备方法，所述氮化镓芯片包括氮化物半导体层、散热衬底、保护层，所述氮化物半导体层位于所述散热衬底和所述保护层之间，所述氮化物半导体层与所述保护层之间设置有欧姆电极和肖特基电极。本发明提供的氮化镓芯片及其制备方法通过将高质量的氮化物半导体层转移到热导率较高的散热衬底上，使得氮化镓芯片内部的热量通过散热衬底快速散发出去，保证了氮化镓芯片性能的正常发挥，提高了氮化镓芯片的稳定性和可靠性，以此解决氮化镓芯片自热的问题。同时在转移的过程中，将缺陷与位错较高的部位去除掉，进一步提高了氮化镓芯片的性能，提高了氮化镓芯片的寿命和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种氮化镓芯片及其制备方法。
背景技术
宽禁带化合物半导体材料氮化镓和碳化硅由于具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高、导热性能好等特点，在高频、高温、大功率等领域显示出极大的潜力，尤其是氮化镓高电子迁移率器件更以其优越的性能和巨大的发展潜力而备受全世界众多研究者的关注。但是由于宽禁带化合物半导体器件的功率密度非常高，因此其热密度也很高，导致器件在工作过程产生的热量非常大，如果这些热量不能及时散发出去，就会造成器件内部温度升高，影响器件的稳定性和可靠性，同时限制了器件输出功率的进一步提升。
由于自热效应显著，热阻大，耗散功率大，氮化镓器件的优势得不到充分发挥。热阻抗参数与氮化镓厚度、衬底厚度、氮化镓热导率、衬底热导率等有关。耗散功率通过热阻转换成热能，引起局部升温，轻的自热影响器件的工作性能，严重的自热会导致器件寿命减小，烧毁，功能失效。氮化镓器件工作受到热阻的极大影响，大部分热阻来自于衬底材料与氮化镓器件外延层的连接处的热结合点，温度最急剧上升发生于该结合点以下1微米处，直接关系到整个器件的散热性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氮化镓芯片及其制备方法，以改善上述的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种氮化镓芯片，包括氮化物半导体层、散热衬底、保护层，所述氮化物半导体层位于所述散热衬底和所述保护层之间，所述氮化物半导体层与所述保护层之间设置有欧姆电极和肖特基电极。
优选地，所述氮化物半导体层是同质衬底或异质衬底上生长的位错和缺陷较少的高质量的氮化物半导体。
优选地，所述散热衬底生长或键合在所述氮化物半导体层上。
优选地，所述散热衬底的热导率至少为700瓦/(米·开尔文)。
优选地，所述散热衬底由石墨烯或者金刚石制成。
优选地，所述氮化镓芯片还包括氮化镓衬底，所述氮化镓衬底位于所述氮化物半导体层和所述散热衬底之间。
优选地，所述氮化镓芯片还包括热扩散层，所述热扩散层设置于所述保护层之间或者设置于所述保护层的表面。
优选地，所述热扩散层包括石墨烯层。
优选地，所述氮化镓芯片还包括背面电极，所述背面电极位于远离所述氮化物半导体层的散热衬底的一侧。
优选地，所述背面电极的材料为金属、石墨烯、或金属与石墨烯的组合。
本发明还提供了一种一种氮化镓芯片的制备方法，所述方法包括：
基于HVPE工艺制备氮化镓衬底；
在所述氮化镓衬底上生长氮化物半导体层；
在所述氮化物半导体层上生长保护层；
对所述氮化镓衬底进行处理，或者对所述氮化镓衬底和所述氮化物半导体层进行处理；
在处理后的所述氮化镓衬底或者氮化物半导体层上生长或者键合散热衬底。
优选地，所述对所述氮化镓衬底进行处理，或者对所述氮化镓衬底和所述氮化物半导体层进行处理的步骤包括：
对所述氮化镓衬底进行减薄；或
移除所述氮化镓衬底；或
移除所述氮化镓衬底和与氮化镓衬底连接的部分氮化物半导体层。
优选地，所述散热衬底的热导率至少为700瓦/(米·开尔文)。
优选地，所述方法还包括：在所述氮化物半导体层上制备欧姆电极和肖特基电极。
优选地，所述方法还包括：
在所述保护层的表面或保护层之间制备热扩散层。
优选地，所述方法还包括：
在所述散热衬底的表面制备背面电极。
本发明提供的氮化镓芯片及其制备方法通过将高质量的氮化物半导体层转移到热导率较高的散热衬底上，使得氮化镓芯片内部的热量通过散热衬底快速散发出去，保证了氮化镓芯片性能的正常发挥，提高了氮化镓芯片的稳定性和可靠性，以此解决氮化镓芯片自热的问题。同时在转移的过程中，将缺陷与位错较高的部位去除掉，进一步提高了氮化镓芯片的性能，提高了氮化镓芯片的寿命和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例提供的第一种氮化镓芯片的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的第二种氮化镓芯片的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的第三种氮化镓芯片的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的第四种氮化镓芯片的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的一种氮化镓芯片制备方法的流程图。
主要元件符号说明：氮化物半导体层110、散热衬底120、保护层130、源极131、栅极132、漏极133、氮化镓衬底140、热扩散层150、背面电极160。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，是本发明实施例提供的一种氮化镓(GaN)芯片100的结构示意图。本实施例提供的氮化镓芯片100包括氮化物半导体层110、散热衬底120和保护层130。所述氮化物半导体层110位于所述散热衬底120和所述保护层130之间。所述氮化物半导体层110和所述保护层130之间设置有欧姆电极和肖特基电极。其中，本实施例中的氮化镓芯片为场效应晶体管，欧姆电极作为源极131和漏极133，肖特基电极作为栅极132。
由于在氮化镓芯片工作的过程中，特别是在高频、大功率和高温条件下，直接在异质衬底上生长氮化物半导体层，会引起衬底中或衬底与氮化物半导体层界面中的缺陷和位错，传播到氮化物半导体层，和/或在氮化物半导体层中产生新缺陷，另外由于异质衬底与氮化物半导体层界面处(热结合点)热阻问题的存在，严重制约和影响了氮化镓芯片的性能。本发明实施例提供的氮化镓芯片100通过将同质或异质衬底上生长的缺陷和位错很少的高质量的氮化物半导体层110转移到高热导率的散热衬底120上来解决上述问题，优选的，所述散热衬底生长或键合在所述高质量的氮化物半导体层上。该散热衬底120的热导率至少为700瓦/(米·开尔文)，该散热衬底120可以为金刚石、碳纳米管、高定向石墨等等。优选的，散热衬底120为石墨烯或者金刚石，能大大降低氮化镓芯片有源区的热导出效能。优选散热衬底120为包含石墨烯的衬底，能有效地减少衬底与氮化镓外延层(氮化物半导体层)的热阻。
石墨烯是一种由碳原子组成的平面薄膜，厚度可以只有一个碳原子厚度。石墨烯的平面导热性很好，室温下石墨烯的二维xy平面方向导热系数高达5300瓦/米.开尔文(W/m K)。单片石墨烯的二维xy平面方向热导率超过4000W/m K，石墨烯热导率超越了碳纳米管(导热系数800-2000W/m K)、金刚石(导热系数700-2000W/m K)和高定向石墨，并远远高于导热性能最好的金属铜(导热系数397W/m K)，但石墨烯在垂直于二维xy平面的z方向的导热系数仅为15W/m·K。此外，石墨烯导电性也很好，是目前世界上电阻率最小的材料，电子可在石墨烯二维xy平面上自由迁移。
高质量的氮化物半导体层110的热量通过散热衬底120快速散发出去，保证了氮化镓芯片性能的正常发挥，提高了氮化镓芯片的稳定性和可靠性。
在氮化物半导体层100的表面设置保护层130，是为了保护氮化物半导体层110的表面不被氧化或者防止在后续工艺中氮化物半导体层110的分解，另外，也是为了避免芯片受到使用环境的干扰，如温度变化、湿度变化等，常用的保护层为氮化硅(SiN)，或薄层氮化镓(GaN)和氮化硅(SiN)的组合。
作为另外一种实施方式，请参照图2，是本发明实施例提供的氮化镓芯片200的结构示意图。该氮化镓芯片200与氮化镓芯片100的结构大致相同，区别点在于：所述氮化镓芯片200还包括氮化镓衬底140，所述氮化镓衬底140位于所述氮化物半导体层110和所述散热衬底120之间。该氮化镓衬底140是在制备氮化镓芯片200的时候，用来生成氮化物半导体层110的衬底。采用氮化镓衬底140生长制备的氮化镓芯片的性能良好，在氮化镓衬底140的表面制备散热衬底120之前，需要对氮化镓衬底140进行减薄或者移除的工艺，当对氮化镓衬底140使用减薄工艺时，得到的是本实施例中的氮化镓芯片200，当对氮化镓衬底140采用的是移除工艺时，得到的即为上一实施例所述的氮化镓芯片100。当然，需要说明的是，在移除的同时，也可同时去除与氮化镓衬底140连接的部分氮化物半导体层110，从而得到所述的氮化镓芯片100。
请参照图3，是本发明实施例提供的氮化镓芯片300的结构示意图。本实施例提供的氮化镓芯片300与氮化镓芯片200大致相同，区别点在于：在保护层130的表面还设置有热扩散层150，即热扩散层150位于保护层130远离氮化物半导体层110的一侧。应该说明的是，该热扩散层150还可以设置在保护层130之间。请参照图4，是本发明实施例提供的氮化镓芯片400的结构示意图，该氮化镓芯片400中，热扩散层150设置在保护层130之间。
热扩散层150的设置，能更快更均匀地将氮化镓芯片300正面有源区的热量导出，降低氮化镓芯片300热点的温度。优选地，该热扩散层150至少包括有石墨烯层。由于石墨烯热传导的异向性，由石墨烯制成的石墨烯层的厚度不能太厚。较佳地，石墨烯层采用1-10层原子层石墨烯。较佳地，热扩散层150的石墨烯层的厚度介于17微米～100微米之间，其二维xy平面导热系数介于1750～700W/m K之间。进一步地，优选地，热扩散层150的石墨烯层的厚度介于17微米～25微米之间，其平面导热系数介于1750～1600W/m K之间。石墨烯层可以采用转移法制成，即先制备出石墨烯或氧化石墨烯，再采用一定方法转移至需要形成石墨烯的地方。也可以采用CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)生长的方法制备石墨烯，此方法与现有氮化镓芯片的制备设备、工艺及气源实现了无缝兼容，提高了产业可行性。
此外，本实施例提供的氮化镓芯片300中，散热衬底120远离所述氮化物半导体层110的一侧还设置有背面电极160，即散热衬底120位于所述背面电极160和所述氮化物半导体层110之间。背面电极160可以为Au(金)、Ti(钛)/Au(金)等金属，也可以为石墨烯，还可以为金属和石墨烯的组合。背面电极160中含有石墨烯时，能更好地解决由于氮化镓芯片300热源导致的散热不均匀的问题，同时也可以把氮化镓芯片300热点的热量及时有效地散开，更有效地提高了氮化镓芯片300的热导出效能。
本发明实施例提供的氮化镓芯片包括氮化物半导体层110、散热衬底120和保护层130。与传统的氮化镓芯片相比，本发明实施例提供的氮化镓芯片通过将氮化物半导体层110转移到具有高热导率的散热衬底120上，有效地将氮化物半导体层110的温度散发出去，保护层130保护氮化物半导体层110的表面不被氧化和分解。此外，在一些实施例中，保护层130的表面或者保护层130之间可以设置热扩散层150，以帮助氮化镓芯片更快更均匀地散热，降低氮化镓芯片热点的温度。散热衬底120相对氮化物半导体层110的表面还可以设置背面电极160，进一步帮助氮化镓芯片散热均匀，把氮化镓芯片的热点的热量有效地散开。
请参照图5，是本发明实施例提供的一种氮化镓芯片制备方法的流程图。本实施例提供的氮化镓芯片制备方法包括以下步骤：
步骤S401，基于HVPE工艺制备氮化镓衬底。
目前高质量GaN衬底的获得多是基于MOCVD(Metal-organic ChemicalVapor Deposition，有机金属化学气相沉积法)工艺，制作GaN芯片需要的GaN衬底厚度一般需要在200微米以上，依靠MOCVD工艺需要几个月的时间，不仅耗时长而且成本也高，为了减少制备时间和节约成本，现有技术中多采用HVPE来生长GaN，一般采用的是异质生长，这种工艺生长出的GaN衬底的质量较低，缺陷和位错比较多，但是比较符合产业化或批量生产的要求。
HVPE生长的GaN衬底的缺陷和位错要高于之后在其上生长的氮化物半导体层，与GaN衬底接触的氮化物半导体的缺陷和位错要高于远离GaN衬底的氮化物半导体层，在GaN芯片工作时，特别是在高频、大功率和高温下时，会导致位错传播到氮化物半导体层和/或在氮化物半导体层中产生新缺陷，从而影响了芯片的性能。
为了迎合产业化或者批量生产的要求，在本实施例提供方法中，通过HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延)工艺生长氮化镓衬底。可以理解，在其他实施例中，也可通过其他工艺制作氮化镓衬底。
步骤S402，在所述氮化镓衬底上生长氮化物半导体层。
在氮化镓同质衬底上生长制备的氮化镓芯片的性能，要优于在碳化硅、蓝宝石等异质衬底上制备的氮化镓芯片，能够充分发挥能充分发挥氮化镓芯片高频大功率密度的性能。
步骤S403，在所述氮化物半导体层上生长保护层。
保护层的材质通常为氮化硅，或者薄层氮化镓与氮化硅的组合。在氮化物半导体层上生长保护层，是为了保护氮化物半导体的表面不被氧化或者防止在后续工艺中氮化物半导体层的分解。
步骤S404，在所述氮化物半导体层上制备欧姆电极和肖特基电极。
当制作的氮化镓芯片为场效应晶体管时，一般情况下，欧姆电极作为氮化镓芯片的源极和漏极，肖特基电极作为氮化镓芯片的栅极。当制作的氮化镓芯片为二极管时，一般情况下，欧姆电极为阴极，肖特基电极为阳极。当制作的氮化镓芯片为结型晶体管时，一般情况下，欧姆电极作为氮化镓芯片的集电极和发射极，肖特基电极作为氮化镓芯片的基极。
制备电极的方式可以为沉积、溅射等，本实施例对此不做限定。
步骤S405，对所述氮化镓衬底进行处理，或者对所述氮化镓衬底和所述氮化物半导体层进行处理。
对氮化镓衬底进行处理具体为：对氮化镓衬底进行减薄。氮化镓衬底过厚，会增加热阻，影响氮化镓器件的散热性能，减薄之后的氮化镓衬底，热阻更低，便于热量的散发。此外，除了对氮化镓衬底进行减薄之外，还可以将氮化镓衬底移除。由于在氮化镓衬底表面生长的氮化物半导体层的缺陷和位错要低于HVPE生长的氮化镓衬底，将氮化镓衬底去除后，氮化物半导体层不会受氮化镓衬底缺陷和位错的影响，提高了氮化镓芯片性能的稳定性。
对所述氮化镓衬底和所述氮化物半导体层进行处理具体为：去除氮化镓衬底，同时去除与氮化镓衬底连接的部分氮化物半导体层。由于氮化物半导体层与氮化镓衬底连接的部分会受到氮化物衬底的影响，氮化镓衬底中的位错会传播到氮化物半导体层中，和/或在氮化物半导体层中产生新的缺陷。故而，未与氮化镓衬底接触的氮化物半导体层的缺陷和位错要低于与氮化镓衬底接触的氮化物半导体层的缺陷和位错。将氮化镓衬底和与氮化镓衬底连接的部分氮化物半导体层去除掉，从而提高氮化镓芯片的性能稳定性。
需要说明的是，上述的步骤S404，既可以在步骤S405之前进行，也可在步骤S405之后进行；并且，该步骤S404也可在步骤403之前或之后进行。于本实施例中，该步骤S404在步骤403之后进行利于减小电流崩塌效应、减小漏电流，提高器件性能。
步骤S406，在处理后的所述氮化镓衬底或者氮化物半导体层上生长或者键合散热衬底。
由于GaN的热导率较低，仅有230瓦/(米·开尔文)，会使GaN芯片的工作温度急剧升高，限制了GaN芯片性能，严重影响了器件的寿命和可靠性。选择更高热导率的衬底作为其散热衬底成为解决GaN芯片自热问题和降低热阻的很好的方法。在本实施例中，该散热衬底的热导率至少为700瓦/(米·开尔文)，该散热衬底可以为金刚石、碳纳米管、高定向石墨等等。优选的，散热衬底为石墨烯或者金刚石，能大大降低氮化镓芯片有源区的热导出效能。优选散热衬底为包含石墨烯的衬底，能有效地减少衬底与氮化镓外延层的热阻。氮化物半导体层的热量通过散热衬底快速散发出去，以保证氮化镓芯片的稳定性和可靠性。
步骤S407，在所述保护层的表面或者保护层之间制备热扩散层。
热扩散层的作用是帮助氮化镓芯片正面有源区的热量更快更均匀的导出，降低热点的温度。热扩散层至少包括石墨烯层，石墨烯层可以采用转移法制成，即先制备出石墨烯或氧化石墨烯，再采用一定方法转移至需要形成石墨烯的地方。也可以采用CVD生长的方法制备石墨烯。
步骤S408，在所述散热衬底的表面制备背面电极。
背面电极一般采用Au(金)、Ti(钛)/Au(金)等金属，也可以为石墨烯，还可以为金属和石墨烯的组合。背面电极中含有石墨烯时，能更好地解决由于氮化镓芯片热源导致的散热不均匀的问题，同时也可以把氮化镓芯片热点的热量及时有效地散开，更有效地提高了氮化镓芯片的热导出效能。
需要说明的是，上述方法的步骤中，本发明实施例对步骤执行的先后顺序并不做限定，例如步骤S407和步骤S408的执行，可以是S407在前，步骤S408在后，也可以是步骤S408在前，步骤S407在后，其先后顺序视实际情况而定。
综上所述，本发明实施例提供的氮化镓芯片及其制备方法，通过将氮化物半导体层转移到热导率较高的散热衬底上，以此解决氮化镓芯片自热的问题，同时在转移的过程中，将缺陷与位错较高的部位去除掉，进一步提高了氮化镓芯片的性能，提高了氮化镓芯片的使用寿命和可靠性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
Claims (16)
1.一种氮化镓芯片，其特征在于，包括氮化物半导体层、散热衬底、保护层，所述氮化物半导体层位于所述散热衬底和所述保护层之间，所述氮化物半导体层与所述保护层之间设置有欧姆电极和肖特基电极。
2.根据权利要求1所述的氮化镓芯片，其特征在于，所述氮化物半导体层是同质衬底或异质衬底上生长的位错和缺陷较少的高质量的氮化物半导体。
3.根据权利要求1所述的氮化镓芯片，其特征在于，所述散热衬底生长或键合在所述氮化物半导体层上。
4.根据权利要求1所述的氮化镓芯片，其特征在于，所述散热衬底的热导率至少为700瓦/(米·开尔文)。
5.根据权利要求4所述的氮化镓芯片，其特征在于，所述散热衬底由石墨烯或者金刚石制成。
6.根据权利要求1所述的氮化镓芯片，其特征在于，还包括氮化镓衬底，所述氮化镓衬底位于所述氮化物半导体层和所述散热衬底之间。
7.根据权利要求1所述的氮化镓芯片，其特征在于，还包括热扩散层，所述热扩散层设置于所述保护层之间或者设置于所述保护层的表面。
8.根据权利要求7所述的氮化镓芯片，其特征在于，所述热扩散层包括石墨烯层。
9.根据权利要求1所述的氮化镓芯片，其特征在于，还包括背面电极，所述背面电极位于远离所述氮化物半导体层的散热衬底的一侧。
10.根据权利要求9所述的氮化镓芯片，其特征在于，所述背面电极的材料为金属、石墨烯、或金属与石墨烯的组合。
11.一种氮化镓芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
基于HVPE工艺制备氮化镓衬底；
在所述氮化镓衬底上生长氮化物半导体层；
在所述氮化物半导体层上生长保护层；
对所述氮化镓衬底进行处理，或者对所述氮化镓衬底和所述氮化物半导体层进行处理；
在处理后的所述氮化镓衬底或者氮化物半导体层上生长或者键合散热衬底。
12.根据权利要求11所述的氮化镓芯片的制备方法，其特征在于，所述对所述氮化镓衬底进行处理，或者对所述氮化镓衬底和所述氮化物半导体层进行处理的步骤包括：
对所述氮化镓衬底进行减薄；或
移除所述氮化镓衬底；或
移除所述氮化镓衬底和与氮化镓衬底连接的部分氮化物半导体层。
13.根据权利要求11所述的氮化镓芯片的制备方法，其特征在于，所述散热衬底的热导率至少为700瓦/(米·开尔文)。
14.根据权利要求11所述的氮化镓芯片的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述氮化物半导体层上制备欧姆电极和肖特基电极。
15.根据权利要求11所述的氮化镓芯片的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述保护层的表面或保护层之间制备热扩散层。
16.根据权利要求11所述的氮化镓芯片的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述散热衬底的表面制备背面电极。
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