CN107481982A - AlN基板高效散热HEMT器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种AlN基板高效散热HEMT器件，自下而上包括：AlN陶瓷基板、AlN成核层、AlN高阻层、GaN或InxGa1‑xN沟道层、AlyIn1‑yN空间电荷层、以及AlzGa1‑zN势垒层；其中，所述AlN陶瓷基板与所述AlN成核层之间键合连接，所述AlN陶瓷基板用于对所述HEMT器件进行散热。本公开还提供了一种AlN基板高效散热HEMT器件的制备方法。本公开HEMT器件及其制备方法，散热能力大幅提高，成本相对较低，工艺简单，有效提高了击穿电压，减少了寄生电容，提高了HEMT器件的性能。
Description
技术领域
本公开属于半导体技术领域，具体涉及一种AlN基板高效散热HEMT器件及其制备方法。
背景技术
目前，蓝宝石衬底是生长HEMT的常用衬底，但蓝宝石衬底与外延层(氮化镓和氮化铝等)之间的晶格常数和热膨胀系数的匹配较差，此外蓝宝石衬底的热导率很低，从而限制了其在大功率电子器件领域的应用。
蓝宝石衬底和GaN外延层的激光剥离技术在LED领域已经非常成熟。考虑到AlN的高热导率以及高禁带宽度，在蓝宝石/AlN基板上制备HEMT然后转移到高热导率的衬底(比如AlN陶瓷基板)是一种可以改善散热的有效方法。AlN禁带宽度为6.2eV，蓝宝石禁带宽度为9.9eV。如果用ArF激光束(能量介于AlN和蓝宝石之间)，从蓝宝石背面一侧扫描整个样品，那么这束激光将不被蓝宝石所吸引，但它却会被界面处的AlN所吸收，从而实现AlN薄膜和蓝宝石衬底的分离。
当前使用散热性能很好的铜基板或镍基板实现LED领域的衬底转移已非常成熟，但由于这两种基板均为导体，因此不适用于HEMT器件对衬底高阻性能的需求。而散热性能和绝缘性能均很好的AlN陶瓷基板则可以替代这两种基板，但AlN陶瓷基板的表面粗糙度相对较大，键合难度高。
市面上502胶水的主要成分为氰基丙烯酸乙酯。氰基丙烯酸乙酯树脂使用温度为-54℃到82℃之间，固化后，其树脂软化的温度在超过150℃以上。
DVS-BCB(二乙烯硅氧烷双苯环丁烯)是一种热固性有机材料，相比于其他种类的聚合物键合材料(环氧树脂、PMMA、PDMS等)，具有高键合强度和热稳定性并且适用于大规模器件集成，当前多用于Si衬底和三五族材料的键合。在BCB胶异质键合中，BCB胶固化前是液态，键合中受界面粗糙度和洁净度的影响较小，并且省略了表面活化处理，可以在图形化的晶片表面直接进行键合。同直接键合相比，BCB胶异质键合在工艺难度和要求方面明显更加简单，具有相对低的键合温度，不需要高精度及高真空度的键合设备，且更容易制备平整，无空洞的键合界面。在应用方面，BCB胶异质键合技术与Si材料的CMOS工艺完全兼容，兼具成本与效率优势，但对于陶瓷基板与三五族材料的键合还尚未有过报道。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本公开提供了一种AlN基板高效散热HEMT器件及其制备方法。本公开HEMT器件及其制备方法，散热能力大幅提高，成本相对较低，工艺简单，有效提高了击穿电压,减少了寄生电容，提高了HEMT器件的性能。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种AlN基板高效散热HEMT器件，自下而上包括：AlN陶瓷基板、AlN成核层、AlN高阻层、GaN或InxGa1-xN沟道层、AlyIn1-yN空间电荷层、以及AlzGa1-zN势垒层；其中，所述AlN陶瓷基板与所述AlN成核层之间键合连接，所述AlN陶瓷基板用于对所述HEMT器件进行散热。
在本公开的一些实施例中，所述AlN陶瓷基板与所述AlN成核层之间采用DVS-BCB作为键合剂。
根据本公开的另一个方面，还提供了一种制备所述HEMT器件的方法，包括：生长HEMT器件外延层结构；将HEMT器件外延层的蓝宝石衬底剥离，并在外延层上键合AlN陶瓷基板，完成衬底转移。
在本公开的一些实施例中，采用激光剥离技术，用ArF激光照射蓝宝石衬底背面一侧，激光焦点作用于蓝宝石衬底与HEMT外延层的AlN成核层界面处，使蓝宝石衬底和HEMT外延层分离。
在本公开的一些实施例中，所述方法还包括：在HEMT器件外延层的蓝宝石衬底剥离之前，使一载片通过氰基丙烯酸乙酯键合剂与HEMT器件外延层键合；在HEMT器件外延层与AlN陶瓷基板键合之后，加热使所述载片和外延层之间的氰基丙烯酸乙酯脱落。
在本公开的一些实施例中，所述AlN高阻层厚度为1～5微米。
在本公开的一些实施例中，所述沟道层为未掺杂的GaN沟道层或为未掺杂的InxGa1-xN沟道层，厚度为20～100nm；所述未掺杂的InxGa1-xN沟道层中In组分x在0.05～0.2之间。
在本公开的一些实施例中，所述AlyIn1-yN空间电荷层的厚度为1～5nm，其在生长晶面内与所述GaN沟道层的晶格匹配的组分y为0.82；或其在生长晶面内与所述InxGa1-xN沟道层的晶格匹配的组分y在0.94～0.76之间。
在本公开的一些实施例中，所述AlzGa1-zN势垒层为n型掺杂，组分z在0.25～0.3之间，厚度20～60nm。
在本公开的一些实施例中，AlN成核层、AlN高阻层、GaN或InxGa1-xN沟道层、AlyIn1- yN空间电荷层、AlzGa1-zN势垒层以及GaN帽层的外延生长取向为(0001)极性c面取向，或为(11-22)面和(10-1-3)半极性面取向，极性c面氮化物层生长采用(0001)c面蓝宝石为生长衬底，半极性面氮化物层生长采用(1-100)m面蓝宝石为生长衬底。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开AlN基板高效散热HEMT器件及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)散热能力大幅提高：与传统HEMT器件相比，用AlN层替代了传统的高阻掺杂GaN层，同时用AlN陶瓷基板替代了传统的蓝宝石衬底或者硅衬底。AlN的导热能力远高于GaN、蓝宝石和硅，因此散热能力大幅提高。
(2)击穿电压提高：AlN的禁带宽度远高于GaN，用AlN替代GaN高阻层，可以有效提高击穿电压,减少寄生电容。
(3)采用AlInN层代替传统的AlGaN或AlN空间电荷层，可以通过调节Al或In组分与GaN或InGaN沟道层实现完美的面内晶格匹配，提高HEMT器件的性能。
(4)成本相对较低：与散热能力相近的SiC衬底相比，AlN陶瓷基板的成本不及其十分之一。
(5)衬底转移工艺简单：传统的衬底转移多采用电镀Cu，腐蚀等多步工艺。本公开通过氰基丙烯酸乙酯以及DVS-BCB键合剂结合使用可以一次性完成衬底转移。
附图说明
通过附图所示，本公开的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的装置。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本公开的主旨。
图1是本公开的Al基板高效散热HEMT器件结构示意图。
图2是本公开的HEMT器件外延层结构示意图。
图3是本公开的蓝宝衬底剥离，HEMT器件层从临时载片到AlN基板的转移过程示意图。
<符号说明>
101.AlN陶瓷基板；102.AlN成核层；103.AlN高阻层；104.GaN或InxGa1-xN沟道层；105.AlyIn1-yN空间电荷层；106.AlzGa1-zN势垒层；107.GaN帽层；108.钝化层；109.源极；110.漏极；111.栅极；
201.蓝宝石衬底；202.AlN成核层；203.AlN高阻层；204.GaN或InxGa1-xN沟道层；205.AlyIn1-yN空间电荷层；206.AlzGa1-zN势垒层；207.GaN帽层；
301.蓝宝石衬底；302.AlN基HEMT外延层；303.临时载片(Si片或石英片)。
具体实施方式
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开的保护范围。
本公开提供了一种AlN基板高效散热HEMT器件及其制备方法，以下结合附图分别详细介绍本公开AlN基板高效散热HEMT器件及其制备方法。
一、AlN基板高效散热HEMT器件结构
图1是本公开的Al基板高效散热HEMT器件结构示意图。如图1所示，Al基板高效散热HEMT器件包括，AlN陶瓷基板101、AlN成核层102、AlN高阻层103、GaN或InxGa1-xN沟道层104、AlyIn1-yN空间电荷层105、AlzGa1-zN势垒层106、GaN帽层107、钝化层108、源极109、漏极110、栅极111。
本公开中的HEMT器件结构与传统的HEMT器件结构相比，采用高阻AlN层代替传统的高阻掺杂GaN层，其绝缘性和导热性好于GaN层，可以有效减少寄生电容。采用AlInN层代替传统的AlGaN或AlN空间电荷层，可以通过调节Al或In组分与GaN或InGaN沟道层实现完美的面内晶格匹配，减少异质结的失配位错的形成，从而减少位错散射对沟道层中的二维电子气迁移率的不利影响，提高HEMT器件的性能。另外，采用AlN陶瓷基板替代了传统的蓝宝石衬底或者硅衬底。
本公开AlN基板高效散热HEMT器件提高HEMT器件性能和散热能力并降低HEMT器件的制备成本。
二、AlN基板高效散热HEMT器件制备方法
本公开提供的高效散热HEMT器件，其制备方法主要包括以下步骤：
S1、在MOCVD系统上外延生长HEMT器件结构层，请配合参照图2所示，其包括以下子步骤：
S11、将c面或m面取向蓝宝石衬底片放入MOCVD反应室中，在H2氛围下高温处理。
S12、在H2氛围下将衬底降温至600～850℃后在衬底上生长低温AlN成核层，厚度20-60nm。
S13、在H2氛围下升温至1050～1300℃，使用脉冲法生长高温AlN层，厚度为1～5μm；
S14、在H2氛围下高温(1020～1100℃)生长GaN沟道层，厚度为20～100nm，或者在N2氛围下中等温度(700～850℃)生长InxGa1-xN，组分x控制在0.05～0.2之间,厚度为20～100nm。
S15、在N2氛围下中等温度(700～850℃)生长AlyIn1-yN空间电荷层，厚度1～5nm,调整组分y使AlyIn1-yN层的面内晶格常数和沟道层完美匹配。对于GaN沟道层，组分y控制在0.82。对于InxGa1-xN沟道层，因为In组分x控制在0.05～0.2之间，据此，Al组分y控制在0.94～0.76之间。
S16、在H2氛围下高温(1020～1080℃)生长AlGaN势垒层，厚度为20～50nm。
S17、在H2氛围下高温(1060～1100℃)生长GaN帽层，生长厚度为2～5nm。
S2、将HEMT器件外延层的蓝宝石衬底剥离与转移，请参照图3所示，其包括以下子步骤：
S21、第一次键合：在临时载片(Si衬底或石英片等)的正面旋涂氰基丙烯酸乙酯作为键合材料并将其与HEMT器件外延层贴合，将临时载片加热至70～90℃进行烘烤，然后待临时载片在室温下键合；键合剂也可以选用石蜡等在室温下可以粘合，但在100～200℃时会融化的键合剂。
S22、第一次剥离：采用激光剥离技术，用ArF激光照射蓝宝石衬底那一侧，激光焦点作用于蓝宝石衬底与AlN成核层界面处，调整激光功率和作用时间，促使蓝宝石衬底和HEMT外延层分离，清洗分离后的HEMT器件层。
S23、第二次键合：在AlN陶瓷基板上旋涂DVS-BCB作为键合材料，与临时载片含有外延层一侧表面贴合，置于低真空环境中，加热至400到500℃作预固化处理，然后低温退火至约100～200℃进行键合。
S24、第二次剥离：临时载片和外延层之间的氰基丙烯酸乙酯(或其它键合剂)则因高温变性自行脱落，并化学清洗键合有AlN基板的HEMT器件层。
S3、在HEMT器件上制备钝化层、源极、栅极及漏极，请进一步参照图3所示，其包括以下子步骤:
S31、在HEMT器件层上用原子层外延或者等离子体增强化学气相沉积(PECVD)蒸镀钝化层(绝缘介质薄膜)，厚度0.1～5微米，钝化层可以是Si3N4、或Al2O3、或ZrO2、或HfO2等，并对钝化层经进行氟离子处理以改善器件特性。
S32、在HEMT器件层上涂覆光刻胶，经软烘、光刻曝光、显影等光刻工艺实现器件图形转移，经等离子刻蚀至GaN或InxGa1-xN沟道层中间位置后，获得台面图形，方便后道工艺制备HEMT的源极和漏极。
S33、通过光刻胶涂覆、光刻、曝光、显影、蒸镀金属材料、合金化退火等器件工艺，在沟道层台面上制备有欧姆接触特性的源电极和漏电极。
S34、类似于步骤S33的器件工艺，在钝化层上经蒸镀金属材料制备有肖特基接触特性的栅电极。
本公开提供的上述AlN基板高效散热HEMT器件及其制备方法，可用于制造大功率电子电力器件，并广泛应用于交通(汽车、电力机车)、通信(基站)、能源(电网功率开关)、军事(雷达)等领域。
本公开提供的AlN基板高效散热HEMT器件的外延结构及制备方法可以改善HEMT器件的散热能力和性能，并有效降低成本。
以下详细介绍本公开高效散热HEMT器件的制备实例。
步骤1：将c面或m面取向蓝宝石衬底片放入MOCVD反应室中，在H2氛围下在1000～1150℃高温处理2-10min。选择(0001)c面取向蓝宝石衬底制备出的氮化物外延层为(0001)极性c面取向。而使用(1-100)m面取向蓝宝石衬底则可以制备出(11-22)面或者(10-1-3)半极性面取向。
步骤2：在H2氛围下将衬底降温至600～850℃后在衬底上生长低温AlN成核层(厚度20-60nm)，生长时间为5～10min，生长压力为20～500Torr。
步骤3：在H2氛围下升温至1050～1300℃，使用脉冲法生长高温AlN层，厚度为1～5μm，生长压力为50-500Torr。
步骤4：在H2氛围下高温(1020～1100℃)生长GaN沟道层，厚度为20～100nm，生长速度为0.5-2μm/h，生长压力为100～500Torr；或者在N2氛围下中等温度(700～850℃)生长InxGa1-xN，组分x控制在0.05～0.2之间,厚度为20～100nm，生长压力为100～500Torr。
步骤5：在N2氛围下中等温度(700-850℃)生长AlyIn1-yN空间电荷层，厚度1～5nm,生长压力为20～200Torr。调整组分y使AlyIn1-yN层的面内晶格常数和沟道层完美匹配。对于GaN沟道层，根据Vegard定律可知，AlyIn1-yN空间层在生长晶面内与沟道层GaN晶格匹配的组分y为0.82。对于InxGa1-xN沟道层，根据Vegard定律可知，因为InxGa1-xN，In组分x控制在0.05～0.2之间，AlyIn1-yN空间层在生长晶面内与沟道层InxGa1-xN的组分AlyIn1-yN空间电荷层在生长晶面内与所述InxGa1-xN沟道层的晶格匹配的组分y控制在0.94～0.76之间。
步骤6：在H2氛围下生长AlGaN势垒层，生长厚度为20～50nm，生长速率为0.1～0.3μm/h，生长温度为1020～1080℃，其生长压力为20～200Torr，它可以适量进行n型掺杂，以减少器件的方块电阻。
步骤7：在H2氛围下生长未有意掺杂的GaN帽层，厚度为2～5nm,生长速率为0.5～2μm/h，生长温度为1060～1100℃，生长压力为50～500Torr。
步骤8：用稀盐酸清洗生长完的外延片和临时载片(Si片或石英片)，然后用去离子水冲洗并用N2吹干。
步骤9：在临时载片的正面旋涂氰基丙烯酸乙酯作为键合材料并将其与HEMT器件外延层贴合，将临时载片加热至70～90℃进行烘烤，然后待临时载片在室温下键合；键合剂也可以选用石蜡等在室温下可以粘合。
步骤10：采用激光剥离技术，用ArF激光照射蓝宝石衬底背面那一侧，激光焦点作用于蓝宝石衬底与AlN成核层界面处，调整激光功率和作用时间，促使蓝宝石衬底和HEMT外延层分离，并化学清洗分离后的HEMT器件层。
步骤11：在AlN陶瓷基板上旋涂DVS-BCB作为键合材料，与临时载片含有外延层一侧表面贴合，置于低真空环境中，加热至400到500℃作预固化处理，然后低温退火至约100～200℃进行键合。临时载片和外延层之间的氰基丙烯酸乙酯(或其它键合剂)则因高温变性自行脱落。
步骤12：在HEMT器件层上涂覆光刻胶，经软烘、光刻曝光、干法刻蚀(ICP)、清洗等步骤，获得栅极、源极和漏极台面，其中源极和漏极台面位于GaN或InxGa1-xN沟道层中间。
步骤13：用原子层外延或者等离子体增强化学气相沉积(PECVD)蒸镀钝化层隔离层，亦即绝缘介质薄膜，厚度0.1～5微米，钝化层可以是Si3N4、或Al2O3、或ZrO2、或HfO2等，并对钝化层经进行氟离子处理以改善器件特性。
步骤14：通过光刻胶涂覆、光刻、曝光、显影、蒸镀源极和漏极金属，经合金化退火等器件工艺，在沟道层台面上制备具有欧姆接触特性的源电极和漏电极。
步骤15，类似于步骤14的器件工艺，在钝化层上经蒸镀栅极金属并合金化，制备具有肖特基接触特性的栅电极。
本公开通过氰基丙烯酸乙酯以及DVS-BCB键合剂结合使用可以一次性完成衬底转移。
另外，本公开中对于工艺及工艺参数，例如温度、速率、压力、时间、生长方式并不以实施例中为限，本领域技术人员可以进行适当的调整，并不影响本公开的实现。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行更改或替换。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种AlN基板高效散热HEMT器件，自下而上包括：AlN陶瓷基板、AlN成核层、AlN高阻层、GaN或InxGa1-xN沟道层、AlyIn1-yN空间电荷层、以及AlzGa1-zN势垒层；其中，所述AlN陶瓷基板与所述AlN成核层之间键合连接，所述AlN陶瓷基板用于对所述HEMT器件进行散热。
2.根据权利要求1所述的HEMT器件，其中，所述AlN陶瓷基板与所述AlN成核层之间采用DVS-BCB作为键合剂。
3.一种制备如权利要求1至2中任一项所述的HEMT器件的方法，包括：
生长HEMT器件外延层结构；
将HEMT器件外延层的蓝宝石衬底剥离，并在外延层上键合AlN陶瓷基板，完成衬底转移。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，采用激光剥离技术，用ArF激光照射蓝宝石衬底背面一侧，激光焦点作用于蓝宝石衬底与HEMT外延层的AlN成核层界面处，使蓝宝石衬底和HEMT外延层分离。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
在HEMT器件外延层的蓝宝石衬底剥离之前，使一载片通过氰基丙烯酸乙酯键合剂与HEMT器件外延层键合；
在HEMT器件外延层与AlN陶瓷基板键合之后，加热使所述载片和外延层之间的氰基丙烯酸乙酯脱落。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述AlN高阻层厚度为1～5微米。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述沟道层为未掺杂的GaN沟道层或为未掺杂的InxGa1-xN沟道层，厚度为20～100nm；所述未掺杂的InxGa1-xN沟道层中In组分x在0.05～0.2之间。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述AlyIn1-yN空间电荷层的厚度为1～5nm，其在生长晶面内与所述GaN沟道层的晶格匹配的组分y为0.82；或其在生长晶面内与所述InxGa1-xN沟道层的晶格匹配的组分y在0.94～0.76之间。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，所述AlzGa1-zN势垒层为n型掺杂，组分z在0.25～0.3之间，厚度20～60nm。
10.根据权利要求3所述的方法，其中，AlN成核层、AlN高阻层、GaN或InxGa1-xN沟道层、AlyIn1-yN空间电荷层、AlzGa1-zN势垒层以及GaN帽层的外延生长取向为(0001)极性c面取向，或为(11-22)面和(10-1-3)半极性面取向，极性c面氮化物层生长采用(0001)c面蓝宝石为生长衬底，半极性面氮化物层生长采用(1-100)m面蓝宝石为生长衬底。
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