CN107039245B - 提高氧化镓材料导热性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高氧化镓材料导热性的方法，包括：在氧化镓衬底上外延单晶氧化镓薄膜；利用刻蚀工艺结合二维材料转移的方式将单晶氧化镓薄膜转移至热导率大于200W/m·K且与半导体兼容的衬底材料上，得到形成于上述衬底之上的单晶氧化镓材料。通过将单晶氧化镓薄膜转移至诸如金刚石、AlN衬底、GaN衬底、SiC衬底或由Si衬底和沉积于Si衬底上的金刚石组成的复合衬底等热导率大于200W/m·K且与半导体兼容的衬底上，有效提高了氧化镓材料的导热性，且干法转移工艺步骤简单，容易形成较成熟的工艺，易于推广，有助于提高生产质量，对于其实用化具有较高的价值。

Description

提高氧化镓材料导热性的方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其是涉及一种提高氧化镓材料导热性的方法。
背景技术
随着信息技术及电子电力系统的不断发展，市场对宽禁带半导体的需求越来越大，第一代半导体材料Si，Ge，第二代半导体材料GaAs，InP，以及第三代半导体材料SiC，GaN的不断普及与发展，在新能源，智能电网，电动汽车，高速列车等生活领域以及雷达，航空航天等军事领域都起到了关键作用。
氧化镓材料具有高达4.8eV的禁带宽度，其击穿场强约为4H-SiC和GaN的三倍，并且制备成本较低，因而成为大功率器件领域的一支潜力股，然而由于氧化镓材料具有较低的载流子迁移率，以及相对其他半导体材料而言非常低的导热性，限制了其在大功率器件的应用。
而大功率器件对于导热性的要求较高，现有的技术手段提高导热性的方式包括如下几种：在设备或者器件中额外增加导热导电衬垫、在功率器件和散热器之间粘接热传导胶带以及在器件上涂覆相变导热绝缘材料等，上述方式仅仅作为器件散热的一个辅助手段，并没有涉及从大功率器件的本身来改善导热性。对于氧化镓材料来说，如何优化设计氧化镓材料的制备、处理工艺，在保证其良好的抗击穿性能的同时还进一步提高其导热性，并且工艺简单、成本较低，成为将氧化镓材料应用于大功率器件亟需解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种提高氧化镓材料导热性的方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种提高氧化镓材料导热性的方法，包括：在氧化镓衬底上外延单晶氧化镓薄膜；利用刻蚀工艺结合二维材料转移的方式将单晶氧化镓薄膜转移至热导率大于200W/m·K且与半导体兼容的衬底材料上，得到形成于上述衬底之上的单晶氧化镓材料。
在本发明的一实施例中，二维材料转移的方式包括：干法转移和湿法转移。
在本发明的一实施例中，热导率大于200W/m·K且与半导体兼容的衬底材料选用金刚石衬底、AlN衬底、GaN衬底、SiC衬底或由Si衬底和沉积于Si衬底上的金刚石组成的复合衬底。
在本发明的一实施例中，转移后的衬底材料选用金刚石衬底；二维材料的转移采用干法转移；利用刻蚀工艺结合二维材料转移的方式将单晶氧化镓薄膜转移至热导率大于200W/m·K且与半导体兼容的衬底材料上包括：通过滚压的方式将形成于氧化镓衬底上的单晶氧化镓薄膜表面与胶带粘合；通过刻蚀工艺将氧化镓衬底刻蚀掉，只保留单晶氧化镓薄膜；将粘有单晶氧化镓薄膜的胶带和金刚石衬底贴合；以及利用热剥离的方式将胶带与单晶氧化镓薄膜分离，得到形成于金刚石衬底上的单晶氧化镓材料。
在本发明的一实施例中，刻蚀工艺选用感应耦合等离子ICP刻蚀工艺；胶带选用以下胶带中的一种：PET胶带、可转移的压敏胶带或3M可转移胶带。
在本发明的一实施例中，感应耦合等离子ICP刻蚀工艺的参数设定如下：起辉和刻蚀功率分别为400W和30W，刻蚀气体选用BCl3，气压为20sccm，刻蚀速度为100nm/min，粗糙度为1nm。
在本发明的一实施例中，在氧化镓衬底上外延单晶氧化镓薄膜选用分子束外延MBE或者化学气相沉积CVD，其中化学气相沉积CVD包括金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD。
在本发明的一实施例中，所述氧化镓衬底选用单晶氧化镓材料，其粗糙度不超过0.2nm；外延得到的单晶氧化镓薄膜的厚度介于8-12nm之间。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明提供的提高氧化镓材料导热性的方法，至少具有以下有益效果其中之一：
通过利用刻蚀工艺结合二维材料转移的方式将单晶氧化镓薄膜转移至热导率大于200W/m·K且与半导体兼容的衬底材料上，得到形成于上述衬底之上的单晶氧化镓材料，有效提高了氧化镓材料的导热性，且工艺步骤简单，容易形成较成熟的工艺，易于推广，有助于提高生产质量，对于其实用化具有较高的价值。
附图说明
图1为根据本发明实施例提高氧化镓材料导热性的方法流程图。
图2为根据本发明实施例来实施图1所示流程各步骤后对应的材料立体结构示意图。
图3为根据本发明实施例干法转移的热剥离胶带的工作示意图。
【符号说明】
100-氧化镓衬底； 200-单晶氧化镓薄膜；
300-金刚石衬底； 400-胶带。
具体实施方式
本发明提供了一种提高氧化镓材料导热性的方法，利用刻蚀工艺结合二维材料转移的方式将单晶氧化镓薄膜转移至热导率大于200W/m·K且与半导体兼容的衬底材料上，得到形成于上述衬底之上的单晶氧化镓材料，有效提高了氧化镓材料的导热性。本发明旨在满足提高氧化镓导热性的同时也方便于其用于半导体器件生产领域，保证将氧化镓材料运用到半导体器件中，所以在提高导热性的基础上还要保证氧化镓材料的可用性，从而推动其应用推广。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。
本发明的一个示意性实施例提供了一种氧化镓材料导热性的方法。图1为根据本发明实施例提高氧化镓材料导热性的方法流程图。图2为根据本发明实施例来实施图1所示流程各步骤后对应的材料立体结构示意图。
参照图1和图2，一种提高氧化镓材料导热性的方法，包括：
步骤S102：在氧化镓衬底上外延单晶氧化镓薄膜；
上述氧化镓衬底选用单晶氧化镓材料β-Ga2O3，上述外延的方式主要选用分子束外延MBE或者化学气相沉积CVD，优选化学气相沉积CVD，本实施例在β-Ga2O3的(100)晶面上利用金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD外延生长单晶β-Ga2O3薄膜，如图2(a)所示，该单晶氧化镓薄膜的厚度介于8-12nm之间，本实施例中外延的单晶氧化镓薄膜的厚度为10nm；
获得的单晶氧化镓薄膜具有低的晶格失配且可以获得可观的表面粗糙度；同时本次操作需要单晶氧化镓衬底的表面平整，粗糙度不超过0.2nm，且整个衬底外延区域具有较低的缺陷密度；
需要说明的是，在外延生长单晶氧化镓材料时，衬底不局限于氧化镓衬底，还可以选用蓝宝石或GaN等作为衬底，出于成本以及制备过程中晶格匹配的考虑，本实施例优选单晶氧化镓衬底；
步骤S104：利用刻蚀工艺结合干法转移的方式将单晶氧化镓薄膜转移至金刚石衬底上，得到形成于金刚石衬底上的氧化镓材料；
本实施例选用热剥离胶带的方式作为干法转移的方式，基于上述，转移的具体实施过程包括如下子步骤：
子步骤S104a：通过滚压的方式将形成于氧化镓衬底上的单晶氧化镓薄膜表面与胶带粘合，如图2(b)所示；
图3为根据本发明实施例干法转移的热剥离胶带的工作示意图，参照图3所示，在常温下，两个相对的辊轮之间同时放入胶带和形成于氧化镓衬底上的单晶氧化镓薄膜，该薄膜的上表面与胶带正对，通过辊轮进行滚压，二者紧密粘合；
胶带在常温下保持较高的粘性，高温下粘性减弱，目前市场上符合要求的胶带有PET胶带、可转移的压敏胶带或3M可转移胶带等；
子步骤S104b：通过刻蚀工艺将氧化镓衬底刻蚀掉，只保留单晶氧化镓薄膜，如图2(c)所示；
本实施例利用感应耦合等离子ICP刻蚀工艺，起辉和刻蚀功率分别为400W、30W，刻蚀气体选用BCl3，气压为20sccm，刻蚀速度大约为100nm/min，粗糙度为1nm左右；
上述工艺参数能够将β-Ga2O3衬底全部刻蚀掉，只保留单晶氧化镓薄膜，对应其它的设备或者带有不同厚度衬底材料的单晶氧化镓薄膜，可以根据实际情况进行ICP刻蚀工艺的调整，不局限于本实施例的工艺参数。
在β-Ga2O3的衬底背面采用感应耦合等离子ICP刻蚀工艺将衬底刻蚀掉，由于氧化镓薄膜需要大面积完整且平整，才可以用于器件制作，因此在刻蚀时对正面薄膜进行比较完善的保护，使其不受污染且具有较低的缺陷密度；
子步骤S104c：将粘有单晶氧化镓薄膜的胶带和金刚石衬底贴合，如图2(d)所示；
子步骤S104d：利用热剥离的方式将胶带与单晶氧化镓薄膜分离，得到形成于金刚石衬底上的单晶氧化镓材料，如图2(e)所示；
由于胶带在高温下粘性减弱，故通过加热可以实现其与单晶氧化镓薄膜的分离，得到的单晶氧化镓薄膜与现有衬底之间通过键合的方式进行结合；
上述金刚石衬底也可以换成AlN衬底、GaN衬底SiC衬底以及由Si衬底和沉积于Si衬底上的金刚石组成的复合衬底等热导率大于200W/m·K且与半导体兼容的衬底材料，其中，金刚石的热导率为1000W/m·K，AlN的热导率为275W/m·K，GaN的热导率为210W/m·K，SiC的热导率为270W/m·K，而普通氧化镓的材料的热导率仅为23W/m·K；
本实施例优选金刚石，主要基于金刚石衬底一方面有助于提高氧化镓材料的导热性，另一方面还有助于增强氧化镓材料的耐压性；
利用热剥离胶带的方法转移过程中控制接触缝隙尽量小，且转移材料粘附性好，转移后表面平整，无污染痕迹，可以用于半导体器件加工。
综上所述，本发明提供了一种提高氧化镓材料导热性的方法，通过利用刻蚀工艺结合二维材料转移的方式将单晶氧化镓薄膜转移至热导率大于200W/m·K且与半导体兼容的衬底材料上，得到形成于上述衬底之上的单晶氧化镓材料，有效提高了氧化镓材料的导热性，且工艺步骤简单，容易形成较成熟的工艺，易于推广，有助于提高生产质量，对于其实用化具有较高的价值。
值得注意的是，本实施例仅作为二维材料转移方法中干法转移的一种参考实施方案，根据现有的技术还可以采用其他二维材料转移方法，比如干法刻蚀或者湿法转移，其中湿法转移可以借鉴现有的石墨烯的转移方法，包括PMMA转移法、PDMS转移法等，优选干法转移主要是考虑工艺简单、实施方便。
当然，根据实际需要，本发明提供的提高氧化镓材料导热性的方法还包含其他的常用步骤，由于同发明的创新之处无关，此处不再赘述。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高氧化镓材料导热性的方法，包括：
在氧化镓衬底上外延单晶氧化镓薄膜；
利用刻蚀工艺结合二维材料转移的方式将单晶氧化镓薄膜转移至热导率大于200W/m·K且与半导体兼容的衬底材料上，得到形成于所述衬底之上的单晶氧化镓材料；
其中，利用刻蚀工艺结合二维材料转移的方式将单晶氧化镓薄膜转移至热导率大于200W/m·K且与半导体兼容的衬底材料上包括：
通过滚压的方式将形成于氧化镓衬底上的单晶氧化镓薄膜表面与胶带粘合；
通过刻蚀工艺将氧化镓衬底刻蚀掉，只保留单晶氧化镓薄膜；
将粘有单晶氧化镓薄膜的胶带和所述衬底贴合；以及
利用热剥离的方式将胶带与单晶氧化镓薄膜分离，得到形成于所述衬底上的单晶氧化镓材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述二维材料转移的方式包括：干法转移和湿法转移。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热导率大于200W/m·K且与半导体兼容的衬底材料选用金刚石衬底、AlN衬底、GaN衬底、SiC衬底或由Si衬底和沉积于Si衬底上的金刚石组成的复合衬底。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，
所述衬底材料选用金刚石衬底；
所述二维材料的转移采用干法转移。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，
所述刻蚀工艺选用感应耦合等离子ICP刻蚀工艺；
所述胶带选用以下胶带中的一种：PET胶带、可转移的压敏胶带或3M可转移胶带。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述感应耦合等离子ICP刻蚀工艺的参数设定如下：
起辉和刻蚀功率分别为400W和30W，刻蚀气体选用BCl3，气压为20sccm，刻蚀速度为100nm/min，粗糙度为1nm。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在氧化镓衬底上外延单晶氧化镓薄膜选用分子束外延MBE或者化学气相沉积CVD，所述化学气相沉积CVD包括金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，
所述氧化镓衬底选用单晶氧化镓材料，其粗糙度不超过0.2nm；
所述外延得到的单晶氧化镓薄膜的厚度介于8-12nm之间。
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