CN107393858A - 一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，通过在蓝宝石衬底上生长GaN HEMTs功率器件，然后采用Si晶片作为临时支撑材料生长在GaN HEMTs功率器件上，然后将蓝宝石衬底与GaN HEMTs功率器件分离，再通过热塑性粘合剂将Si晶片粘到GaN HEMTs功率器件上，最后将GaN HEMTs功率器件上的SI晶片剥离，从而得到金刚石热沉片GaN HEMTs功率器件，采用高热导率的金刚石做GaN HEMTs功率器件的热沉片，大大提高了GaN HEMTs功率器件高频、大功率应用时的散热能力，采用低温键合方法使GaN HEMTs功率器件高频、大功率应用时的散热问题和金刚石热沉片粘合，有效避免了传统的高温键合对器件性能的损伤。本方法转移工艺简单、容易实现、重复性好。
Description
技术领域
本发明涉及GaN HEMTs功率器件散热技术领域，具体涉及一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法。
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，由于大尺寸高质量金刚石单晶衬底的制备非常困难，同时由于GaN与金刚石存在很大的晶格失配和热失配，外延生长的温度通常在1000℃以上，在金刚石衬底上进行GaN异质外延的难度很大，金刚石材料难以形成高性能的异质结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，以克服心有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，具体包括以下步骤：
步骤1)，在蓝宝石衬底上生长GaN HEMTs功率器件；
步骤2)，在生长于蓝宝石衬底上的GaN HEMTs功率器件上端生长Si晶片，形成蓝宝石衬底/GaN HEMTs功率器件/Si晶片的三层结构；
步骤3)，将步骤2)得到的蓝宝石衬底/GaN HEMTs功率器件/Si晶片三层结构去除蓝宝石衬底，得到GaN HEMTs功率器件/Si晶片两层结构；
步骤4)，将GaN HEMTs功率器件/Si晶片两层结构GaN HEMTs功率器件表面与金刚石热沉片通过键合粘合剂键合、固化得到金刚石热沉片/GaN HEMTs功率器件/Si晶片三层结构；
步骤5)，去除步骤4)得到的金刚石热沉片/GaN HEMTs功率器件/Si晶片中的Si晶片，即得到金刚石热沉片GaN HEMTs功率器件。
进一步的，具体的，步骤2)中，通过热塑性粘合剂将Si晶片粘到GaN HEMTs功率器件上。
进一步的，Si晶片为Si(111)晶片。
进一步的，具体的，步骤3)中，采用氟化氪激光沿蓝宝石衬底/GaN HEMTs功率器件/Si晶片三层结构方向垂直于蓝宝石衬底表面扫描蓝宝石衬底/GaN HEMTs/Si晶片三层结构，使GaN HEMTs功率器件与蓝宝石衬底分离，得到GaN HEMTs/Si晶片两层结构。
进一步的，氟化氪激光辐射能量大于GaN HEMTs隙能量。
进一步的，氟化氪(KrF)准分子激光波长为248nm、脉冲宽度为38ns。
进一步的，步骤4)中，GaN HEMTs功率器件/Si晶片两层结构GaN HEMTs功率器件表面与金刚石热沉片进行键合前，分别对GaN HEMTs功率器件表面和金刚石热沉片表面进行抛光处理。
进一步的，抛光后金刚石表面均方根粗糙度为1-3nm，GaN HEMTs功率器件/Si晶片两层结构GaN HEMTs功率器件表面抛光到纳米级表面粗糙度。
进一步的，步骤4)中，其中键合、固化温度不超过150℃。
进一步的，步骤5)中，首先通过减薄机完成Si晶片背面减薄，然后研磨至Si晶片厚度不大于100nm，再采用干法刻蚀工艺刻蚀掉Si晶片。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，通过在蓝宝石衬底上生长GaN HEMTs功率器件，然后采用Si晶片作为临时支撑材料生长在GaN HEMTs功率器件上，然后将蓝宝石衬底与GaN HEMTs功率器件分离，再通过热塑性粘合剂将Si晶片粘到GaNHEMTs功率器件上，最后将GaN HEMTs功率器件上的SI晶片剥离，从而得到金刚石热沉片GaNHEMTs功率器件，采用高热导率的金刚石做GaN HEMTs功率器件的热沉片，大大提高了GaNHEMTs功率器件高频、大功率应用时的散热能力，采用低温键合方法使GaN HEMTs功率器件高频、大功率应用时的散热问题和金刚石热沉片粘合，有效避免了传统的高温键合对器件性能的损伤。本方法转移工艺简单、容易实现、重复性好。
进一步的，采用氟化氪激光沿蓝宝石衬底/GaN HEMTs功率器件/Si晶片三层结构方向垂直于蓝宝石衬底表面扫描蓝宝石衬底/GaN HEMTs/Si晶片三层结构，蓝宝石衬底对于的氟化氪准分子激光是透明的，而GaN HEMTs功率器件则会强烈吸收248nm激光的能量，垂直于蓝宝石衬底表面扫描蓝宝石衬底/GaN HEMTs/Si晶片三层结构过程中激光穿过蓝宝石衬底到达GaN HEMTs功率器件缓冲层，产生局部的爆炸冲击波，使得在该处的GaN HEMTs功率器件与蓝宝石衬底分离，得到GaN HEMTs/Si晶片两层结构，方法简单。
附图说明
图1为蓝宝石衬底GaN HEMTs功率器件剖面图。
图2为蓝宝石衬底GaN HEMTs功率器件向Si临时支撑材料转移示意图。
图3为脉冲激光扫描蓝宝石衬底示意图。
图4为蓝宝石衬底剥离示意图。
图5为GaN HEMTs功率器件与金刚石热沉片键合示意图。
图6为去除Si临时支撑材料示意图。
图7为金刚石热沉衬GaN HEMTs功率器件剖面图。
图中，1-蓝宝石衬底，2-不掺杂GaN层，3-AlGaN势垒层，4-二维电子气，5-源极，6-漏极，7-栅极，8-钝化层，9-Si晶片，10-粘合剂苯并环丁烯，11-金刚石热沉片。
具体实施方式
下对本发明做进一步详细描述：
一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，具体包括以下步骤：
步骤1)，在蓝宝石衬底上生长GaN HEMTs功率器件；
步骤2)，在生长于蓝宝石衬底上的GaN HEMTs功率器件上端生长Si晶片，形成蓝宝石衬底/GaN HEMTs功率器件/Si晶片的三层结构；
步骤3)，将步骤2)得到的蓝宝石衬底/GaN HEMTs功率器件/Si晶片三层结构去除蓝宝石衬底，得到GaN HEMTs功率器件/Si晶片两层结构；
步骤4)，将GaN HEMTs功率器件/Si晶片两层结构GaN HEMTs功率器件表面与金刚石热沉片通过键合粘合剂键合、固化得到金刚石热沉片/GaN HEMTs功率器件/Si晶片三层结构；
步骤5)，去除步骤4)得到的金刚石热沉片/GaN HEMTs功率器件/Si晶片中的Si晶片，即得到金刚石热沉片GaN HEMTs功率器件。
具体的，步骤2)中，通过热塑性粘合剂将Si晶片粘到GaN HEMTs功率器件上；Si晶片为Si(111)晶片。
具体的，步骤3)中，采用氟化氪(KrF)准分子激光沿蓝宝石衬底/GaN HEMTs功率器件/Si晶片三层结构方向垂直于蓝宝石衬底表面扫描蓝宝石衬底/GaN HEMTs/Si晶片三层结构，蓝宝石衬底对于的氟化氪(KrF)准分子激光(5eV辐射能量)是透明的，而GaN HEMTs功率器件(约3.3eV的带隙能量)则会强烈吸收248nm激光的能量，垂直于蓝宝石衬底表面扫描蓝宝石衬底/GaN HEMTs/Si晶片三层结构过程中激光穿过蓝宝石衬底到达GaN HEMTs功率器件缓冲层，产生局部的爆炸冲击波，使得在该处的GaN HEMTs功率器件与蓝宝石衬底分离，得到GaN HEMTs/Si晶片两层结构；具体的，氟化氪(KrF)准分子激光辐射能量大于GaNHEMTs隙能量(3.3eV)，氟化氪(KrF)准分子激光波长为248nm、脉冲宽度为38ns；
具体的，步骤4)中，GaN HEMTs功率器件/Si晶片两层结构GaN HEMTs功率器件表面与金刚石热沉片进行键合前，分别对GaN HEMTs功率器件表面和金刚石热沉片表面进行抛光处理，抛光后金刚石表面均方根粗糙度为1-3nm；
步骤4)中，其中键合、固化温度不超过150℃；
步骤5)中，首先通过减薄机完成Si晶片背面减薄，然后研磨至Si晶片厚度不大于100nm，再采用干法刻蚀工艺刻蚀掉Si晶片。
实施例：
如图1所示，蓝宝石衬底GaN HEMTs功率器件，器件结构为普通结构，蓝宝石衬底1厚度500μm，不掺杂GaN层2厚度3um，AlGaN势垒层3厚度20nm，源极5、漏极6为欧姆接触电极采用Ti/Al/Ti/Au(20/100/40/55nm)多层金属结构，栅极7为肖特基接触电极采用Ni/Au/(30/250nm)两层金属结构，栅极7和源极5间距2.5μm，栅极7和漏极6间距2.5μm，栅极7长3μm，栅极7宽Wg＝100μm；
在蓝宝石衬底上制作GaN HEMTs功率器件，包括以下步骤：
(1)、先将蓝宝石衬底1清洗，采用三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声各5分钟，然后在氮气吹干，用于去除蓝宝石衬底表面的污染物；
(2)分别通过欧姆接触和磁控溅射Ti/Al/Ti/Au多层金属结构和Ni/Au/两层金属结构。
如图2至图4所示，GaN HEMTs功率器件蓝宝石衬底剥离示意图，器件临时支撑材料为Si(111)晶片9，扫描激光采用波长为248nm、脉冲宽度为38ns的KrF脉冲激光：
(1)、取一块Si(111)的晶片9作为的临时支撑材料，用粘合剂10将所述蓝宝石衬底GaN HEMTs功率器件的钝化层8临时倒转到Si晶片9支撑材料上，形成蓝宝石衬托/GaNHEMTs功率器件/Si晶片的三层结构；
(2)、用一束波长248nm、脉冲宽度38ns KrF脉冲激光沿蓝宝石衬底/GaN HEMTs功率器件/Si晶片三层结构方向垂直于蓝宝石衬底表面扫描蓝宝石衬托/GaN HEMTs功率器件/Si晶片三层结构；得到GaN HEMTs功率器件/Si两层结构，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；
如图5至图7所示，GaN HEMTs功率器件与金刚石热沉片粘合剂键合图，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 HEMTs功率器件与金刚石热沉片低温键合，包括以下步骤：
(1)、刻蚀、抛光所述暴露的GaN HEMTs功率器件/Si晶片两层结构GaN HEMTs功率器件底表面，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)、在抛光后的GaN HEMTs功率器件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)，将GaN HEMTs功率器件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 HEMTs/Si三层结构，键合、固化温度不超过150℃。
(3)、去除所述金刚石/GaN HEMTs/Si三层结构中Si晶片临时支撑材料,得到金刚石热沉片GaN HEMTs。
Claims (10)
1.一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，在蓝宝石衬底上生长GaN HEMTs功率器件；
步骤2)，在生长于蓝宝石衬底上的GaN HEMTs功率器件上端生长Si晶片，形成蓝宝石衬底/GaN HEMTs功率器件/Si晶片的三层结构；
步骤3)，将步骤2)得到的蓝宝石衬底/GaN HEMTs功率器件/Si晶片三层结构去除蓝宝石衬底，得到GaN HEMTs功率器件/Si晶片两层结构；
步骤4)，将GaN HEMTs功率器件/Si晶片两层结构GaN HEMTs功率器件表面与金刚石热沉片通过键合粘合剂键合、固化得到金刚石热沉片/GaNHEMTs功率器件/Si晶片三层结构；
步骤5)，去除步骤4)得到的金刚石热沉片/GaN HEMTs功率器件/Si晶片中的Si晶片，即得到金刚石热沉片GaN HEMTs功率器件。
2.根据权利要求1所述的一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，其特征在于，具体的，步骤2)中，通过热塑性粘合剂将Si晶片粘到GaNHEMTs功率器件上。
3.根据权利要求1或2所述的一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，其特征在于，Si晶片为Si(111)晶片。
4.根据权利要求1所述的一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，其特征在于，具体的，步骤3)中，采用氟化氪激光沿蓝宝石衬底/GaN HEMTs功率器件/Si晶片三层结构方向垂直于蓝宝石衬底表面扫描蓝宝石衬底/GaNHEMTs/Si晶片三层结构，使GaN HEMTs功率器件与蓝宝石衬底分离，得到GaNHEMTs/Si晶片两层结构。
5.据权利要求4所述的一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，其特征在于，氟化氪激光辐射能量大于GaN HEMTs隙能量。
6.根据权利要求5所述的一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，其特征在于，氟化氪激光波长为248nm、脉冲宽度为38ns。
7.根据权利要求1所述的一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，其特征在于，步骤4)中，GaN HEMTs功率器件/Si晶片两层结构GaN HEMTs功率器件表面与金刚石热沉片进行键合前，分别对GaN HEMTs功率器件表面和金刚石热沉片表面进行抛光处理。
8.根据权利要求7所述的一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，其特征在于，抛光后金刚石表面均方根粗糙度为1-3nm，GaN HEMTs功率器件/Si晶片两层结构GaNHEMTs功率器件表面抛光到纳米级表面粗糙度。
9.根据权利要求1所述的一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，其特征在于，步骤4)中，其中键合、固化温度不超过150℃。
10.根据权利要求1所述的一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法，其特征在于，步骤5)中，首先通过减薄机完成Si晶片背面减薄，然后研磨至Si晶片厚度不大于100nm，再采用干法刻蚀工艺刻蚀掉Si晶片。
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