CN109390445B - 一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构的制作方法，包括步骤：S1.选取衬底；S2.在所述衬底上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层，AlN插入层以及AlGaN势垒层；S3.在所述AlGaN势垒层上生长金刚石层；S4.依次去除所述衬底、所述AlN成核层和所述GaN缓冲层的第一部分，其中所述GaN缓冲层包括第一部分和第二部分，所述第二部分为GaN层；S5.处理所述GaN层的表面，得到N面GaN外延结构。该外延结构采用转移取代直接生长，克服了较为困难的生长工艺；该器件采用金刚石作为器件衬底，具有良好的导热能力。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构及制作方法。
背景技术
GaN作为一种宽禁带半导体，具有优异的材料品质因数，绝大多数高效功率器件和电力电子器在制作时选择采用GaN材料，N面GaN HEMT器件可以获得更低的欧姆接触电阻，此外，随着器件等比例缩小，GaN沟道层需要减薄，但N面GaN材料在GaN沟道层减薄的情况下不会影响沟道2DEG密度，而AlGaN势垒层在GaN材料层之下，对于2DEG相当于形成了天然的背势垒。这些优势都使得N面GaN HEMT器件在高频应用方面具有更具有潜力。
目前利用MOCVD工艺直接制作N面GaN外延结构过程中存在两个关键步骤，分别是生长初期的氮化以及制作后期的退火，这两种步骤均难以有效控制，导致N面GaN材料的生长难度较大，而且制成的N面GaN材料质量达不到器件应用级别。此外，目前的N面GaN外延结构普遍采用的衬底为GaN、SiC或者Si，随着器件的功率密度不断提升，基于这些衬底的GaNHEMT器件散热成为制约器件性能的重要问题。
现有技术中存在的问题，首先直接制作N面GaN外延结构的工艺技术不成熟，制作出来的结构质量较差，无法达到器件应用级别，其次目前N面GaN外延结构的散热性能差，极大的影响了使用N面GaN外延结构器件的性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构及制作方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构及制作方法，包括步骤：
S1.选取衬底；
S2.在所述衬底上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层以及AlGaN势垒层；
S3.在所述AlGaN势垒层上生长金刚石层；
S4.依次去除所述衬底、所述AlN成核层，并对所述GaN缓冲层刻蚀，以使所述GaN缓冲层保留30～50nm；
S5.抛光所述GaN层的表面，得到N面GaN外延结构。
在一个具体实施方式中，步骤S3包括：
S31.在所述AlGaN势垒层上淀积Si3N4介质层；
S32.在所述Si3N4介质层上生长金刚石，形成所述金刚石层。
在一个具体实施方式中，所述衬底依次包括第一Si层、SiO2牺牲层和第二Si层，其中，所述第二Si层之上为所述AlN成核层。
在一个具体实施方式中，去除所述衬底包括：
S41.对所述第一Si层进行光刻，得到刻蚀通道光刻区域；
S42.刻蚀所述刻蚀通道光刻区域对应的所述第一Si层，直到SiO2牺牲层表面，得到刻蚀通道；
S43.氢氟酸浸泡S42步骤得到的样品，以使SiO2牺牲层被腐蚀，所述第二Si层与所述第一Si层分离；
S44.刻蚀去除所述第二Si层。
本发明还提供了一种具有高散热结构的N面GaN外延结构，所述外延结构由上述方法制备形成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的基于转移技术的高导热N面GaN外延结构的制作采用转移技术取代直接生长，克服了较为困难的生长工艺，可以获得质量较好的N面GaN材料；与传统的转移技术相比，本发明能够快速有效的将衬底去除，采用生长高导热金刚石作为器件衬底，使得转移后的N面GaN外延结构具有良好的导热能力，为后续微波大功率器件的实现奠定基础。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构的制作方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构的工艺流程示意图。
附图标记：
1-金刚石层，2-Si3N4介质层，3-金刚石，4-AlGaN势垒层，5-AlN插入层，6-GaN缓冲层，7-AlN成核层，8-第二层Si层，9-SiO2牺牲层，10-第一层Si层，11-GaN层。
具体实施方式
本申请中涉及的术语解释：
HEMT：HEMT(High Electron Mobility Transistor)，高电子迁移率晶体管。这是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管(MODFET)、二维电子气场效应晶体管(2-DEGFET)、选择掺杂异质结晶体管(SDHT)等。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构的制作方法流程图。包括步骤：
S1.选取衬底；
S2.在所述衬底上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层以及AlGaN势垒层；
S3.在所述AlGaN势垒层上生长金刚石层；
S4.依次去除所述衬底、所述AlN成核层，并对所述GaN缓冲层刻蚀，以使所述GaN缓冲层保留30～50nm；
S5.抛光所述GaN层的表面，得到N面GaN外延结构。
在一个具体实施方式中，步骤S3包括：
S31.在所述AlGaN势垒层上淀积Si3N4介质层；
S32.在所述Si3N4介质层上生长金刚石，形成所述金刚石层。
在一个具体实施方式中，所述衬底依次包括第一Si层、SiO2牺牲层和第二Si层，其中，所述第二Si层之上为所述AlN成核层。
在一个具体实施方式中，去除所述衬底包括：
S41.对所述第一Si层进行光刻，得到刻蚀通道光刻区域；
S42.刻蚀所述刻蚀通道光刻区域对应的所述第一Si层，直到SiO2牺牲层表面，得到刻蚀通道；
S43.氢氟酸浸泡S42步骤得到的样品，以使SiO2牺牲层被腐蚀，所述第二Si层与所述第一Si层分离；
S44.刻蚀去除所述第二Si层。
实施例2
请参见图2，为本发明实施例提供的一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构示意图，本实施例在上述实施例的基础上，重点对N面GaN外延结构进行详细描述。
具体地，本发明实施例提供的一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构，包括：
金刚石层1，既可以作为转移过程中的载片，也是转移之后N面GaN外延材料的衬底，作为N面GaN HEMT器件的衬底，具有高导热性，为后续微波大功率器件的实现奠定基础，所述金刚石层包括Si3N4介质层2和金刚石3；
AlGaN势垒层4，设置在金刚石层1上，AlGaN势垒层4在GaN材料层的下方，对于2DEG相当于形成了天然的背势垒；
AlN插入层5，设置在AlGaN势垒层4上，隔离AlGaN势垒层4和GaN层11，AlN插入层可以减弱器件内二维电子气所受到的散热，改善器件特性；
GaN层11，设置在AlN插入层5上，其中GaN层11是GaN缓冲层6的第二部分，GaN缓冲层在刻蚀的过程中，第一部分被刻蚀去掉，随着器件等比例缩小，GaN缓冲层需要减薄，即去除GaN缓冲层的第一部分，形成本实施例中的GaN层，但GaN缓冲层层的减薄基本不会影响沟道2DEG密度。
实施例3
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构的工艺流程示意图，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，更加详细的对N面GaN外延结构的制作过程进行描述，具体的，包括步骤：
S1.选取衬底，本实施例选取的衬底为SOI衬底，即该衬底包括第一层Si层10，SiO2牺牲层9和第二层Si层8；
S2.外延材料的生长。采用MOCVD生长在SOI衬底的第二层8上依次生长AlN成核层7、GaN缓冲层6，AlN插入层5以及AlGaN势垒层4；
S3.在AlGaN势垒层4上淀积厚度为20～50nm Si3N4介质层2，然后采用MWCVD工艺，在Si3N4介质层2上生长多晶的金刚石3，金刚石3的厚度为100～150um，Si3N4介质层2和金刚石3共同组成金刚石层1；
S4.对衬底的第一层Si层10进行通道光刻，得到刻蚀通道的光刻掩膜，将器件倒置，以金刚石层1为基底，在200℃下烘烤5分钟，然后置于匀胶机上，在样品衬底表面滴取RZJ304光刻胶，匀胶条件：500rpm，5秒，1200rpm，40秒，100℃下烘烤90秒，经台阶仪测试胶厚可达到4-5um；
显影条件：在显影液中显影2分钟；超纯水冲洗2分钟；氮气吹干。
S5.对刻蚀通道光刻掩膜进行刻蚀，使用ICP氟基条件对衬底的第一层进行快速刻蚀，刻蚀停止于SiO2牺牲层9，刻蚀条件：上电极功率300W，下电极功率30W，压力5mTorr，SF6流量50sccm；氢氟酸浸泡样品，使第一层Si与上层材料分离。氢氟酸浓度在10％到20％之间，将样品置于氢氟酸溶液中，在50℃下浸泡2到3个小时，使SiO2层腐蚀，从而使第一层Si材料与上层材料分离；
S6.刻蚀衬底的第二Si层8，使用ICP氟基条件刻蚀剩余薄层Si，停止于AlN成核层7，刻蚀条件：上电极功率300W，下电极功率30W，压力5mTorr，SF6流量40sccm；
从上向下刻蚀时，由于要避免刻蚀通道对上层器件的影响，需要预留刻蚀通道的位置，这就使得整体工艺的难度和复杂度增加，并且会导致上层区域的浪费，而本实施例采用从下向上刻蚀通道的方式，即刻蚀通道在衬底上，而衬底层在后续步骤中会去除，使得刻蚀通道不会对上层结构造成影响，同时也避免了预留刻蚀通道的问题。
S7.刻蚀AlN成核层7，使用ICP氯基条件刻蚀AlN成核层7，通过控制刻蚀气体的流量，实现精确刻蚀。刻蚀条件：上电极功率25W，下电极功率5W，压力5mT，Cl2流量4sccm，BCl3流量10sccm；
S8.刻蚀GaN缓冲层6的一部分，GaN缓冲层6的第二部分为GaN层11，使用ICP氯基条件通过控制刻蚀气体的流量，实现精确刻蚀，最终保留30-50nm GaN缓冲层作为GaN缓冲层6的第二部分即GaN层11；
S9.抛光所述GaN层的表面，得到N面GaN外延结构，采用化学机械抛光进行表面处理，获取粗糙度良好的GaN表面，至此完成N面GaN外延结构的制作。
本实施例的基于转移技术的高导热N面GaN外延结构的制作采用转移技术取代直接生长，克服了较为困难的生长工艺，可以获得质量较好的N面GaN材料；与传统的转移技术相比，本发明能够快速有效的将衬底去除，采用生长高导热金刚石作为器件衬底，使得转移后的N面GaN外延结构具有良好的导热能力，为后续微波大功率器件的实现奠定基础。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构的制作方法，其特征在于，包括步骤：
S1.选取衬底，所述衬底依次包括第一Si层、SiO2牺牲层和第二Si层；
S2.采用MOCVD在SOI衬底的第二Si层上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层以及AlGaN势垒层；
S3.在AlGaN势垒层上淀积厚度为20～50nm Si3N4介质层，然后采用MWCVD工艺，在Si3N4介质层上生长多晶的金刚石，金刚石的厚度为100～150um，Si3N4介质层和金刚石共同组成金刚石层；
S41.对所述第一Si层进行光刻，得到刻蚀通道光刻区域；
S42.使用ICP氟基条件刻蚀所述刻蚀通道光刻区域对应的所述第一Si层，直到SiO2牺牲层表面，得到刻蚀通道；
S43.氢氟酸浸泡S42步骤得到的样品，以使SiO2牺牲层被腐蚀，所述第二Si层与所述第一Si层分离，其中氢氟酸浓度为10％-20％；
S44.使用ICP氟基条件刻蚀去除所述第二Si层；
S45.去除所述AlN成核层，并对所述GaN缓冲层刻蚀，以使所述GaN缓冲层保留30～50nm作为GaN层；
S5.抛光所述GaN层的表面，得到N面GaN外延结构。
2.一种基于转移技术的高导热N面GaN外延结构，其特征在于，所述高导热N面GaN外延结构由权利要求1所述的方法制备形成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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