CN108597993A - 一种氮化镓/金刚石的直接键合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓/金刚石的直接键合方法，由以下方法制备:在金刚石衬底上生长一层金刚石外延层；对该金刚石外延层表面进行氮等离子体处理，在其表面形成一层氮终端；利用等离子体轰击氮化镓衬底无器件表面，形成氮空位表面；进行键合：在真空条件下，使金刚石氮终端和氮化镓氮空位表面相对，对两者施加压力，使氮原子和镓原子直接键合，形成Ga‑N化学键。解决采用键合剂键合引入的不稳定性和热阻问题，提高了散热效率，从而提高氮化镓功率电子器件的性能和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于功率电子器件技术领域，具体涉及一种氮化镓/金刚石的直接键合方法。
背景技术
近年来，随着国民经济的高速发展，电力能源的需求与日俱增。电力能源的产生、运输、消费以及在这些过程中电力能源的有效转换技术和控制技术，已经成为节省能源和社会持续发展两兼顾不可欠的关键技术。广义的电力能源网络不仅包括各种燃料电池、风力发电、太阳光发电等分散而高效的电源系统，还包括从空调、洗衣机、电动汽车、计算机到电力机车、航空、航天系统等局域的电力能源与消费。因此对电力能源网络内的所有能源元素有效管理和控制就变得非常重要。电力能源控制技术和利用效率的提高属于功率电子学的范畴，其关键部份就是功率电子器件及包含功率电子器件的电力转换器。功率电子器件利用其电气开关特性对电力的各个元素(如电压、电流、周期、相位等)进行控制，并可输出任意需要的电力波形。对于这些电力转换机能来讲，最重视的就是功率电子器件的低损失性、高速性、高耐电压性、低静电容量等。同时，为了实现电力转换模组的小型化和轻量化，需要功率电子器件具有高速开关及高温动作的特性。
由于对高速、高温和大功率半导体器件需求的不断增长，使得半导体业重新考虑半导体所用设计和材料。随着多种更快、更小计算器件的不断涌现，硅材料已难以维持摩尔定律。由于氮化镓材料所具有的独特优势，如噪声系数优良、最大电流高、击穿电压高、振荡频率高等，为多种应用提供了独特的选择，如军事、宇航和国防、汽车领域，以及工业、太阳能、发电和风力等高功率领域。应用领域的扩展和军事需求的增加是驱动氮化镓半导体器件市场增长的主要力量。需求量的增加主要是由于氮化镓器件所能带来的在器件重量和尺寸方面的显著改进。另外，氮化镓器件击穿电压的提升有望推动氮化镓在电动车辆中的使用量。
但是，随着输出功率与频率的提高，GaN器件产生的热量越来越多，可能影响电子器件的输出功率、频率和可靠性。因此有必要通过冷却技术快速地降低GaN器件的热量。由于单晶金刚石具有高热导率，因此将氮化镓键合在金刚石基底上能够高效快速地扩散氮化镓功率器件的热量。
由于金刚石和氮化镓表面都存在吸附物，无法直接进行键合。一般而言，都是采用键合剂将金刚石和氮化镓键合到仪器。但是，利用键合剂键合后，在器件热循环(比如-40-200摄氏度)的实验中，就会在键合剂层中出现裂纹、空洞甚至剥离等现象。这些现象也会在器件的运行过程中出现。这些现象严重影响到GaN器件的性能和稳定性，更甚者使其失效。
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的不足，提供一种氮化镓/金刚石的直接键合方法，解决了采用键合剂键合引入的不稳定性和热阻问题，提高散热效率，从而提高氮化镓功率电子器件的性能和可靠性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种氮化镓/金刚石的直接键合方法，由以下方法制备:在金刚石衬底上生长一层金刚石外延层；对该金刚石外延层表面进行氮等离子体处理，在其表面形成一层氮终端；
利用等离子体轰击氮化镓衬底无器件表面，形成氮空位表面；
进行键合：在真空条件下，使金刚石氮终端和氮化镓氮空位表面相对，对两者施加压力，使氮原子和镓原子直接键合，形成Ga-N化学键。
进一步地，在键合中，使所述金刚石氮终端和氮化镓氮空位表面上下贴合，在金刚石衬底和等离子体轰击氮化镓衬底上同时上下相对施加压力。
进一步地，该金刚石外延层的厚度为30-1000nm。
进一步地，该氮等离子体处理的条件如下：氮气流量10-200sccm，压强2600-8000Pa，功率800-1600W，时间为30-120s。
进一步地，该轰击氮化镓衬底表面的条件为：气体流量20-90sccm，压强为0.5-8Pa，功率50-0W，时间60-300s。
进一步地，该施加的机械压力的大小为：0.1-30MPa。
进一步地，该金刚石衬底是放置在微波等离子体化学气相沉积设备中处理，氮化镓衬底是放置在磁控溅射设备中，氮原子和镓原子键合的过程是在加压设备中进行，且加压设备中保持真空状态，微波等离子体化学气相沉积设备和磁控溅射设备均与加压设备管路连接；处理后的金刚石衬底和氮化镓衬底均通过管路送至加压设备。
本发明一种氮化镓/金刚石的直接键合方法具有如下优点：利用表面原子相互作用，实现氮化镓/金刚石的直接键合，并且键合度好，缺陷少，稳定性高，从而提高了散热效率。
附图说明
图1是本发明中氮化镓/金刚石直接键合的整体示意图。
其中：1.微波等离子体化学气相沉积设备；2.加压设备；3.磁控溅射设备；4.样品托；5.金刚石衬底；6.金刚石外延层；7.氮等离子体；8.氮终端；9.氮化镓衬底；10.等离子体；11.氮空位表面；12.真空隔断阀门；16.加压装置。
具体实施方式
本发明一种氮化镓/金刚石的直接键合方法，包含以下步骤：
由以下方法制备:在金刚石衬底5上生长一层金刚石外延层6；对该金刚石外延层6表面进行氮等离子体处理，在其表面形成一层氮终端8；
利用等离子体轰击氮化镓衬底9无器件表面，形成氮空位表面11；
进行键合：在真空条件下，使金刚石氮终端8和氮化镓氮空位表面11相对，对两者施加压力，使氮原子和镓原子直接键合，形成Ga-N化学键。键合中，使金刚石氮终端8和氮化镓氮空位表面11上下贴合，在金刚石衬底5和等离子体轰击氮化镓衬底9上同时上下相对施加压力。
如图1所示，上述金刚石衬底5是放置在微波等离子体化学气相沉积设备1中处理，氮化镓衬底9是放置在磁控溅射设备3中，氮原子和镓原子键合的过程是在加压设备2中进行，且加压设备2中保持真空状态，微波等离子体化学气相沉积设备1和磁控溅射设备3均与加压设备2管路连接；处理后的金刚石衬底5和氮化镓衬底9均通过管路送至加压设备2。
一般而言，一个氮原子与一至两个碳原子相连。处理后，由于氮原子缺失，镓原子存在大量的不饱和键。
在高压下，金刚石表面的氮原子与氮化镓表面的镓原子相互吸引化合，形成Ga-N化学键，得到稳定的键合体。
金刚石衬底5可以是高温高压合成衬底，也可以是CVD合成衬底。由于金刚石衬底5经历过研磨抛光工艺，表面存在缺陷，对键合质量有较大影响，因此需要生长一层薄的高质量的金刚石外延层6，修复表面缺陷。
金刚石外延层6通过MPCVD设备1外延生长实现，反应气体采用甲烷、氢气和氧气，生长厚度为30-1000nm。氧气所占的比例为0-0.01％。
初制备的金刚石外延层6表面为氢终端，因此需要改变等离子体氛围对表面进行处理。在生长结束后，通入氮气，形成氮等离子体7。为了尽可能少的在金刚石外延层6表面引入缺陷，需要使用较低的微波功率和腔压，处理时间也要适当。本发明中，金刚石外延层6表面氮等离子体处理的条件如下：氮气流量10-200sccm，腔压20-60Torr，功率800-1600W，时间为30-120s。
在氮终端8处理完成后，需要对腔体进行抽气至高真空状态，然后打开MPCVD设备1和加压设备2之间的真空隔断阀门12，将金刚石衬底和样品托4一起送入加压设备中。
氮化镓衬底9由氮原子和镓原子化合而成，在磁控溅射设备3中，利用等离子体10轰击表面，可以打出表面的氮原子，形成氮空位表面11。为了尽可能少的引入其它缺陷，对气体流量、腔压、功率和处理时间都要合理选取。本发明中，磁控溅射设备处理氮化镓表面的条件为：气体流量20-90sccm，腔压为0.5-8Pa，功率50-0W，时间60-300s。
在氮空位表面11处理完成后，需要对腔体进行抽气至高真空状态，然后打开磁控溅射设备3和加压设备2之间的真空隔断阀门12，将氮化镓衬底和样品托4一起送入加压设备中，使氮空位表面11与金刚石的氮终端8面相对。
传导入金刚石样品和氮化镓样品后，关断真空隔断阀门12，然后利用加压装置16施加压力，将金刚石样品和氮化镓样品键合。加压装置16必须也是在真空状态的条件下，施加的压力范围是0.1MPa-30Mpa。
本发明中，采用的是将金刚石进行生长处理得到表面氮终端8，将氮化镓进行等离子体处理得到氮空位表面11，然后将氮终端8和氮空位表面11相对，施加压力，利用氮原子和镓原子的相互作用力，实现稳定的键合。这种直接键合的方法，使得金刚石与氮化镓直接接触，显著提高了导热效率，并且，稳定的Ga-N化学键和氮原子对氮空位的补充都使得该键合体缺陷少，稳定性好，提高了期间的可靠性。
Claims (7)
1.一种氮化镓/金刚石的直接键合方法，其特征在于，由以下方法制备:在金刚石衬底(5)上生长一层金刚石外延层(6)；对该金刚石外延层(6)表面进行氮等离子体处理，在其表面形成一层氮终端(8)；
利用等离子体轰击氮化镓衬底(9)无器件表面，形成氮空位表面(11)；
进行键合：在真空条件下，使金刚石氮终端(8)和氮化镓氮空位表面(11)相对，对两者施加压力，使氮原子和镓原子直接键合，形成Ga-N化学键。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓/金刚石的直接键合方法，其特征在于，所述键合中，使所述金刚石氮终端(8)和氮化镓氮空位表面(11)上下贴合，在金刚石衬底(5)和等离子体轰击氮化镓衬底(9)上同时上下相对施加压力。
3.根据权利要求1或2所述的一种氮化镓/金刚石的直接键合方法，其特征在于，所述金刚石外延层(6)的厚度为30-1000nm。
4.根据权利要求1或2所述的一种氮化镓/金刚石的直接键合方法，其特征在于，所述氮等离子体处理的条件如下：氮气流量10-200sccm，压强2600-8000Pa，功率800-1600W，时间为30-120s。
5.根据权利要求1或2所述的一种氮化镓/金刚石的直接键合方法，其特征在于，所述轰击氮化镓衬底(9)表面的条件为：气体流量20-90sccm，压强为0.5-8Pa，功率50-0W，时间60-300s。
6.根据权利要求1或2所述的一种氮化镓/金刚石的直接键合方法，其特征在于，所述施加的机械压力的大小为：0.1-30MPa。
7.根据权利要求1或2所述的一种氮化镓/金刚石的直接键合方法，其特征在于，所述金刚石衬底(5)是放置在微波等离子体化学气相沉积设备(1)中处理，所述氮化镓衬底(9)是放置在磁控溅射设备(3)中，所述氮原子和镓原子键合的过程是在加压设备(2)中进行，且加压设备(2)中保持真空状态，所述微波等离子体化学气相沉积设备(1)和磁控溅射设备(3)均与加压设备(2)管路连接；处理后的金刚石衬底(5)和氮化镓衬底(9)均通过管路送至加压设备(2)。
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