CN106504988A - 一种金刚石热沉衬底GaN HEMTs制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，包括在蓝宝石衬底上MOCVD生长GaN基HEMTs外延结构；再采用激光剥离技术对蓝宝石衬底进行剥离；再刻蚀、抛光GaN底表面外延层，同时抛光金刚石热沉片；再在GaN底表面和金刚石热沉片抛光淀积薄层键合粘合剂，进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构；再去除金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构中Si晶片的临时支撑材料，得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料两层结构；再ICP刻蚀GaN基HEMTs外延材料，进行器件隔离；最后制备器件电极。本发明采用高热导率的金刚石做热沉，散热效果优；低温键合方法有效避免了传统的高温键合对材料性能的损伤；蓝宝石衬底激光剥离有效避免了激光剥离对GaN基HEMTs外延材料性能的影响。
Description
【技术领域】
本发明属于GaN HEMTs散热技术领域，具体涉及一种金刚石热沉衬底GaN HEMsT制备方法。
【背景技术】
GaN HEMTs作为典型的功率半导体器件，具有耐高压、大电流、高功率、耐高温的优势，是一种非常有应用前景的电力电子器件。然而随着器件输出功率的不断提高，器件所产生的热量将急剧升高，如果这些热量没有及时散发出去，器件内部因发热产生的高温将严重影响器件的性能。因此，散热成为GaN HEMTs功率器件设计和制造过程中一个亟待解决课题。
传统的解决GaN HEMTs功率器件散热的方法是将器件制备在蓝宝石或SiC衬底上，利用蓝宝石、SiC衬底散热，然而蓝宝石、SiC有限热导率(蓝宝石热导率35W/m·K、SiC热导率490W/m·K)很难满足器件高频、大功率应用时的散热需求。金刚石具有极高的热导率，IIa型天然单晶金刚石的室温热导率高达2000W/m·K，采用金刚石作热沉可以有效地解决GaN HEMTs功率器件散热问题。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提出一种金刚石热沉衬底GaN HEMTs制备方法，其目的在于形成以金刚石衬底做热沉的GaN HEMTs器件，利用金刚石的高热导率来解决GaN HEMTs功率器件高频、大功率应用时的散热问题。
本发明采用以下技术方案：
一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，包括以下步骤：
S1：在蓝宝石衬底上MOCVD生长GaN基HEMTs外延结构；
S2：采用激光剥离技术对步骤S1所述蓝宝石衬底进行剥离；
S3：刻蚀、抛光GaN底表面外延层，同时抛光金刚石热沉片；
S4：将步骤S2制备的所述GaN底表面和步骤S3制备的所述金刚石热沉片表面进行抛光并淀积薄层，薄层上键合粘合剂，进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构；
S5：去除所述步骤S4得到的金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构中Si晶片的临时支撑材料，得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料两层结构；
S6：ICP刻蚀GaN基HEMTs外延材料，进行器件隔离；
S7：制备器件电极。
进一步的，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11：蓝宝石衬底清洗，丙酮、去离子水分别超声2～3分钟；
S12:将蓝宝石衬底在900～1000℃的H2气氛下进行烘烤；
S13：以三甲基镓和氨气分别作为Ga源和N源，N2和H2作为载气，530～580℃下采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上低温生长20nm的GaN成核层；
S14：继续升温至1050℃生长3.5μm的GaN缓冲层；
S15：再升温至1100℃，在氢气氛围下生长100nm的GaN-UID沟道层；
S16：保持温度不变，以三甲基铝和氨气分别作为Al源和N源在生长1nm的AlN插入层；
S17：最后以三甲基镓、三甲基铝和氨气分别作为Ga源、Al源和N源，N2和H2作为载气MOCVD交替生长25nm的AlGaN势垒层。
进一步的，所述外延材料具体为：蓝宝石衬底单面抛光，厚度500μm，GaN成核层厚度20nm，GaN缓冲层厚度3.5μm，本征GaN层厚度100nm，AlN层厚度1nm，AlGaN势垒层厚度20nm。
进一步的，步骤S2具体为：
S21：取Si晶片作为临时支撑材料，用热塑性粘合剂将所述Si临时支撑材料粘到所述GaN基HEMTs外延材料上，形成蓝宝石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构；
S22：用波长248～480nm，脉冲宽度38ns KrF脉冲激光从蓝宝石一面扫描整个样品，激光脉冲的能量密度由焦距40cm的石英透镜调节；
S23：加热所述蓝宝石/GaN基HEMTs外延材料Si三层结构，去除蓝宝石衬底，得到GaN基HEMTs外延材料/Si两层结构。
进一步的，所述步骤S23中，加热所述蓝宝石衬底到Ga的熔点29℃以上。
进一步的，所述步骤S4中低温键合具体为：分别对GaN底表面和金刚石热沉片表面进行抛光并淀积一薄层，薄层上设置有键合粘合剂苯并环丁烯BCB，然后将所述GaN底表面和金刚石热沉片紧密接触进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构，键合、固化温度不超过150℃。
进一步的，所述步骤S6具体为：
先对所述金刚石热沉/GaN基HEMTs外延材料清洗，再进行欧姆接触，然后离子注入隔离，形成肖特基栅，最后生长Si3N4隔离层。
进一步的，所述外延清洗采用三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声各3～5分钟，氮气吹干；然后采用磁控溅射Ti/Al/TiAu，N2保护下在850～900℃、50s进行退火；再注He+20KeV，1×1015cm-2和50KeV，1×1014cm-2；然后光刻3μm栅，磁控溅射Ni/Au，剥离形成肖特基栅，最后生长隔离层。
进一步的，所述步骤S7制备器件电极具体为：先磁控溅射Ti/Al/TiAu制备源、漏欧姆电极，再He+离子注入隔离，磁控溅射Ni/Au，剥离形成肖特基栅电极；接着PECVD生长Si3N4场板绝缘介质层；然后用ICP刻蚀进行第一次刻孔；然后磁控溅射金属Ni/Au，剥离形成源金属场板；然后在PECVD上生长Si3N4钝化层；然后用ICP刻蚀进行第二次刻蚀接触孔；然后磁控溅射Ni/Au，加厚电极；最后划片封装。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法采用高热导率的金刚石做热沉，散热效果优于传统的衬底；键合方法采用低温工作方式，有效避免了传统的高温键合对材料性能的损伤；蓝宝石衬底激光剥离过程中，先把GaN基HEMTs外延材料倒转到Si临时支撑材料上，有效避免了激光剥离对GaN基HEMTs外延材料性能的影响。；
进一步的，蓝宝石衬底在1000℃的H2气氛下进行烘烤，能够除去表面吸附杂质，AlN插入层用来减少AlGaN势垒层三元合金散射，提高二维电子气的迁移率。
综上所述，本发明所述制备方法工艺简单、容易实现，重复性好。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
图1为实施例1蓝宝石衬底GaN基HEMTs外延材料剖面图；
图2为实施例2蓝宝石衬底GaN基HEMTs外延材料向Si临时支撑材料转移示意图；
图3为实施例2脉冲激光扫描蓝宝石衬底示意图；
图4为实施例2蓝宝石衬底剥离示意图；
图5为实施例3GaN基HEMTs外延材料与金刚石热沉衬底键合示意图；
图6为实施例3去除Si临时支撑材料示意图；
图7为实施例4ICP刻蚀示意图；
图8为实施例4制备器件电极、场板、钝化层示意图。
其中：1.蓝宝石衬底；2.GaN成核层；3.GaN缓冲层；4.本征GaN层；5.二维电子层；6.AlN层；7.AlGaN势垒层；8.Si临时支撑材料；9.粘合剂苯并环丁烯(BCB)；10.金刚石热沉衬底；11.源欧姆电极；12.漏欧姆电极；13.肖特基栅电极；14.场板绝缘介质层；15.金属场板；16.钝化层。
【具体实施方式】
一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在蓝宝石衬底1上MOCVD生长GaN基HEMTs外延材料；
请参阅图1所示，所述蓝宝石衬底GaN基HEMTs外延材料，蓝宝石衬底(0001)单面抛光，厚度500μm，GaN成核层2厚度20nm,GaN缓冲层3厚度3.5μm，本征GaN层4厚度100nm，本征GaN层4上设置有二维电子层5，AlN层6厚度1nm，AlGaN势垒层7厚度20nm，蓝宝石衬底1上外延生长GaN基HEMTs外延材料包括以下步骤：
(1)蓝宝石衬底清洗，丙酮、去离子水超声各2～3分钟；
(2)将蓝宝石衬底在900～1000℃的H2气氛下进行烘烤，除去表面吸附杂质；
(3)以三甲基镓TMGa和氨气NH3分别作为Ga源和N源，N2和H2作为载气，530～580℃下采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上低温生20nmGaN成核层；
(4)接着升温至1050℃生长3.5μmGaN缓冲层；
(5)升温至1100℃，在氢气氛围下生长100nm厚GaN-UID沟道层；
(6)保持温度不变，以三甲基铝TMAl和氨气NH3分别作为Al源和N源在生长1nm厚AlN插入层，AlN插入层主要用来减少AlGaN势垒层三元合金散射，提高二维电子气的迁移率。
(7)最后以三甲基镓TMGa，三甲基铝TMAl和氨气NH3分别作为Ga源、Al源和N源，N2和H2作为载气MOCVD交替生长25nm厚AlGaN势垒层。
S2：采用激光剥离技术对步骤S1所述蓝宝石衬底进行剥离；
请参阅图2、图3和图4所示，器件临时支撑材料为(111)晶向Si的晶片，扫描激光采用波长为248～480nm,脉冲宽度为38ns KrF脉冲激光。包括以下步骤：
(1)取一块Si(111)的晶片作为Si临时支撑材料8，用粘合剂将所述蓝宝石衬底GaN基HEMTs外延材料临时倒转到Si临时支撑材料8上，形成蓝宝石/蓝GaN基HEMTs外延材料/Si的三层结构；
(2)用一束波长248～480nm,脉冲宽度38ns KrF脉冲激光从蓝宝石一面扫描整个样品；激光脉冲的能量密度可以由一个焦距40cm的石英透镜来调节。
(3)加热所述蓝宝石/GaN基HEMTs外延材料Si三层结构(加热衬底到Ga的熔点29℃以上)去除蓝宝石衬底，得到GaN基HEMTs外延材料/Si两层结构；
S3：刻蚀、抛光GaN底表面外延层，同时抛光金刚石热沉片；
S4：将步骤S2制备的所述GaN底表面和步骤S3制备的所述金刚石热沉片表面进行抛光并淀积薄层，薄层上键合粘合剂，进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构；
S5：去除所述金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构中Si晶片的临时支撑材料，得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料两层结构；
请参阅图5、图6和图7所示，金刚石为多晶金刚石，厚度0.3mm，粘合剂为苯并环丁烯(BCB)，键合时间25～30min，键合和固化温度低于150℃。采用粘合剂低温键合技术来完成GaN基HEMTs外延材料与金刚石热沉衬底10低温键合，包括以下步骤：
(1)刻蚀、抛光所述暴露的GaN底表面外延层，抛光到纳米级表面粗糙度，为晶片键合做准备，同时抛光金刚石热沉片；
(2)在所述暴露的GaN底表面和金刚石热沉片抛光淀积一薄层键合粘合剂苯并环丁烯(BCB)，所述两部分紧密接触进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构，键合、固化温度不超过150℃。
(3)请参阅图7所示，去除所述金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构中Si晶片临时支撑材料,得到金刚石热沉衬底/GaN基HEMTs外延结构。
S6：ICP刻蚀GaN基HEMTs外延材料，进行器件隔离；
S7：制备器件电极。
请参阅图8所示，肖特基栅电极采用Ni/Au复合两层金属结构，源、漏欧姆电极采用Ti/Al/Ti/Au多层技术结构，场板绝缘介质采用氮化硅。完成金刚石热沉衬底GaN基HEMTs的隔离、电极与场板的制备，包括以下步骤：
(1)所述金刚石热沉/GaN基HEMTs外延材料清洗，三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声各3～5分钟，氮气吹干。
(2)制备源欧姆电极11和漏欧姆电极12：磁控溅射Ti/Al/TiAu，N2保护下850～900℃、50s退火；
(3)离子注入隔离：注He+20KeV，1×1015cm-2和50KeV，1×1014cm-2；
(4)形成肖特基栅电极：光刻3μm栅，磁控溅射Ni/Au，剥离形成肖特基栅电极13；
(5)PECVD生长Si3N4场板绝缘介质层14；
(6)ICP第一次刻孔；
(7)磁控溅射金属Ni/Au，剥离形成金属源场板15；
(8)PECVD生长Si3N4钝化层16；
(9)ICP第二次刻蚀接触孔；
(10)磁控溅射Ni/Au，加厚电极；
(11)划片封装。
Claims (9)
1.一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在蓝宝石衬底上MOCVD生长GaN基HEMTs外延结构；
S2：采用激光剥离技术对步骤S1所述蓝宝石衬底进行剥离；
S3：刻蚀、抛光GaN底表面外延层，同时抛光金刚石热沉片；
S4：将步骤S2制备的所述GaN底表面和步骤S3制备的所述金刚石热沉片表面进行抛光并淀积薄层，薄层上键合粘合剂，进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构；
S5：去除所述步骤S4得到的金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构中的Si晶片的临时支撑材料，得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料两层结构；
S6：ICP刻蚀GaN基HEMTs外延材料，进行器件隔离；
S7：制备器件电极。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11：蓝宝石衬底清洗，丙酮、去离子水分别超声2～3分钟；
S12:将蓝宝石衬底在900～1000℃的H2气氛下进行烘烤；
S13：以三甲基镓和氨气分别作为Ga源和N源，N2和H2作为载气，530～580℃下采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上低温生长20nm的GaN成核层；
S14：继续升温至1050℃生长3.5μm的GaN缓冲层；
S15：再升温至1100℃，在氢气氛围下生长100nm的GaN-UID沟道层；
S16：保持温度不变，以三甲基铝和氨气分别作为Al源和N源在生长1nm的AlN插入层；
S17：最后以三甲基镓、三甲基铝和氨气分别作为Ga源、Al源和N源，N2和H2作为载气MOCVD交替生长25nm的AlGaN势垒层。
3.根据权利要求2所述的一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，所述外延材料具体为：蓝宝石衬底单面抛光，厚度500μm，GaN成核层厚度20nm，GaN缓冲层厚度3.5μm，本征GaN层厚度100nm，AlN层厚度1nm，AlGaN势垒层厚度20nm。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：
S21：取Si晶片作为临时支撑材料，用热塑性粘合剂将所述Si临时支撑材料粘到所述GaN基HEMTs外延材料上，形成蓝宝石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构；
S22：用波长248～480nm，脉冲宽度38ns KrF脉冲激光从蓝宝石一面扫描整个样品，激光脉冲的能量密度由焦距40cm的石英透镜调节；
S23：加热所述蓝宝石/GaN基HEMTs外延材料Si三层结构，去除蓝宝石衬底，得到GaN基HEMTs外延材料/Si两层结构。
5.根据权利要求4所述的一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于：所述步骤S23中，加热所述蓝宝石衬底到Ga的熔点29℃以上。
6.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，所述步骤S4中低温键合具体为：分别对GaN底表面和金刚石热沉片表面进行抛光并淀积一薄层，薄层上设置有键合粘合剂苯并环丁烯BCB，然后将所述GaN底表面和金刚石热沉片紧密接触进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构，键合、固化温度不超过150℃。
7.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：
先对所述金刚石热沉/GaN基HEMTs外延材料清洗，再进行欧姆接触，然后离子注入隔离，形成肖特基栅，最后生长Si3N4隔离层。
8.根据权利要求7所述的一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，所述外延清洗采用三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声各3～5分钟，氮气吹干；然后采用磁控溅射Ti/Al/TiAu，N2保护下在850～900℃、50s进行退火；再注He+20KeV，1×1015cm-2和50KeV，1×1014cm-2；然后光刻3μm栅，磁控溅射Ni/Au，剥离形成肖特基栅，最后生长隔离层。
9.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，所述步骤S7制备器件电极具体为：先磁控溅射Ti/Al/TiAu制备源、漏欧姆电极，再He+离子注入隔离，磁控溅射Ni/Au，剥离形成肖特基栅电极；接着PECVD生长Si3N4场板绝缘介质层；然后用ICP刻蚀进行第一次刻孔；然后磁控溅射金属Ni/Au，剥离形成源金属场板；然后在PECVD上生长Si3N4钝化层；然后用ICP刻蚀进行第二次刻蚀接触孔；然后磁控溅射Ni/Au，加厚电极；最后划片封装。
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