CN110164766A - 一种基于金刚石衬底的氮化镓器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于金刚石衬底的氮化镓器件及其制备方法。其中，基于金刚石衬底的氮化镓器件的制备方法包括步骤：在氮化镓材料层的第一面生长金刚石层；在所述氮化镓材料层的第二面生长AlN成核层；在所述AlN成核层上生长GaN缓冲层；在所述GaN缓冲层上生长AlGaN势垒层。该制备方法通过在氮化镓材料层的第一面直接生长金刚石层，避免引入介质层，消除了介质层材料热阻的影响，使得金刚石与氮化镓材料直接接触，从而使氮化镓器件直接利用热导率较高的金刚石进行散热，有效解决了氮化镓大功率器件的散热问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于金刚石衬底的氮化镓器件及其制备方法。
背景技术
氮化镓作为第三代宽禁带半导体材料，具有较高的二维电子气浓度和击穿电压，同时还具有较高的电子饱和速度等优点，这些优点为氮化物器件结构作为大功率器件提供了有利的条件。但是由于基底散热的限制，氮化镓器件的高功率性能并不能有效发挥出来，这是因为目前氮化物材料的基底多使用硅基和蓝宝石等材料，这些材料的导热性能较差；氮化镓器件作为大功率器件输出时会产生大量的热，低热导率的基底材料不能及时将大量的热散发出去，限制了氮化镓器件的性能。
解决氮化物大功率器件散热问题的途径是寻找一种热导率良好的材料作为其基底，使氮化物材料直接生长在该材料上，或者是将两者有效键合，达到良好散热的目的。研究发现，金刚石具有良好的热导率(800～2000W/mk)，采用金刚石作为氮化镓大功率器件的基底能有效解决其散热问题。
在现有技术中，金刚石基氮化镓器件的键合方法和生长方法都在金刚石和氮化镓材料层之间间接引入了介质层，介质层的引入增加了热阻对器件的影响，不能有效解决氮化镓大功率器件的散热性能。
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金刚石衬底的氮化镓器件及其制备方法。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金刚石衬底的氮化镓器件的制备方法，包括步骤：
在氮化镓材料层的第一面生长金刚石层；
在所述氮化镓材料层的第二面生长AlN成核层；
在所述AlN成核层上生长GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层上生长AlGaN势垒层。
在本发明的一个实施例中，在氮化镓材料层的第一面生长金刚石层，包括：
利用微波等离子体化学气相淀积法在所述氮化镓材料层的第一面生长金刚石层，所述金刚石层的厚度为20～200μm。
在本发明的一个实施例中，在所述氮化镓材料层的第二面生长AlN成核层步骤之前，还包括：
对所述氮化镓材料层的第二面做减薄抛光处理，减薄抛光后所述氮化镓材料层的厚度为1～200μm。
在本发明的一个实施例中，在所述氮化镓材料层的第二面生长AlN成核层，包括：
在970～1070℃下，利用金属有机化学气相沉积法在所述氮化镓材料层的所述第二面生长所述AlN成核层。
在本发明的一个实施例中，所述AlN成核层的厚度为0.2～10μm。
在本发明的一个实施例中，在所述AlN成核层上生长GaN缓冲层，包括：
在900～1000℃下，利用金属有机化学气相沉积法在所述AlN成核层上生长所述GaN缓冲层。
在本发明的一个实施例中，所述GaN缓冲层的厚度为0.1～5μm。
在本发明的一个实施例中，在所述GaN缓冲层上生长AlGaN势垒层，包括：
在1000～1100℃下，利用金属有机化学气相沉积法在所述GaN缓冲层上生长所述AlGaN势垒层。
在本发明的一个实施例中，所述AlGaN势垒层的厚度为5～100nm。
本发明的另一个实施例提供了一种基于金刚石衬底的氮化镓器件，由如本发明实施例中所述的制备方法制得。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过在氮化镓材料层的第一面直接生长金刚石层，避免引入介质层，消除了介质层材料热阻的影响，使得金刚石与氮化镓材料直接接触，从而使氮化镓器件直接利用热导率较高的金刚石进行散热，有效解决了氮化镓大功率器件的散热问题。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于金刚石衬底氮化镓器件的制备方法的流程示意图；
图2a-图2g为本发明实施例提供的一种基于金刚石衬底氮化镓器件的制备方法的示意图。
具体实施方式
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。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于金刚石衬底氮化镓器件的制备方法的流程示意图，包括步骤：
在氮化镓材料层的第一面生长金刚石层；
在所述氮化镓材料层的第二面生长AlN成核层；
在所述AlN成核层上生长GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层上生长AlGaN势垒层。
进一步的，请参见图2a-图2g，图2a-图2g为本发明实施例提供的一种基于金刚石衬底氮化镓器件的制备方法的示意图。该制备方法包括步骤：
S1、选取合适的氮化镓材料层1，并对氮化镓材料层1进行预处理。请参见图2a。
其中，合适的氮化镓材料层1是指氮化镓材料层1具有一定的厚度，能够对器件起到支撑作用。
具体地，所选取的氮化镓材料层1具有第一面a和第二面b，在本发明实施例中，第一面a可以为氮化镓材料层1的背面，第二面b可以为氮化镓材料层1的正面。
需要说明的是，本发明实施例中，将氮化镓材料层1水平放置，朝上的一面为正面，朝下的一面为背面。
预处理的过程包括对所选取的氮化镓材料层1进行标准RAC清洗，以去除氮化镓材料层1表面的杂质；并且对氮化镓材料层1的第一面进行抛光处理，以提高氮化镓材料层1表面的平坦度和抛光度，使得金刚石可以与氮化镓材料层1紧密贴合。
S2、在氮化镓材料层1的第一面生长金刚石层2。请参见图2b。
具体地，利用微波等离子体化学气相淀积法在氮化镓材料层1的第一面a即氮化镓材料层的背面采用溅射的方法生长金刚石材料，以形成金刚石层2，形成的金刚石层2的厚度为20～200μm。
由于氮化镓与金刚石之间存在很大的晶格失配和热失配，在金刚石衬底上直接外延生长GaN材料的难度很大，因此，为实现氮化镓与金刚石的直接接触，本发明实施例在氮化镓的表面生长金刚石；在氮化镓表面生长金刚石可以避免金刚石与氮化镓材料的晶格失配和热失配，提高金刚石与氮化镓材料之间的界面质量，从而使得氮化镓器件能够通过金刚石衬底进行有效散热。
进一步地，利用微波等离子体化学气相淀积法形成的金刚石层2为多晶金刚石，所生成的多晶金刚石不仅可以实现氮化镓器件的有效散热，而且降低了金刚石衬底制备的难度和成本，使金刚石衬底散热技术具备通用性。
多晶金刚石与氮化镓材料直接接触，可以实现氮化镓器件尤其是氮化镓大功率器件的有效散热。
S3、在氮化镓材料层1的第二面b做减薄抛光处理。请参见图2c。
具体地，对氮化镓材料层1的第二面b(即正面)做减薄抛光处理，一方面减小氮化镓材料层1的厚度，可以提高器件的散热性能；另一方面，可以提高氮化镓材料层1表面的平坦度，提高后续生长的材料与氮化镓材料之间的界面质量。
减薄抛光后氮化镓材料层1的厚度为1～200μm。
S4、在减薄抛光后的氮化镓材料层1的第二面b生长AlN成核层3。请参见图2d。
具体地，在970～1070℃条件下，利用金属有机化学气相沉积法在氮化镓材料层1的第二面b生长AlN，形成AlN成核层3。生长形成的AlN成核层3的厚度为0.2～10μm。
AlN成核层3可以缓解衬底与外延材料之间的应力，提高器件的性能。
S5、在AlN成核层3上生长GaN缓冲层4。请参见图2e。
具体地，在900～1000℃条件下，利用金属有机化学气相沉积法在AlN成核层3上生长GaN，形成GaN缓冲层4。更为具体，GaN缓冲层4厚度为0.1～5μm。
S6、在GaN缓冲层4上生长AlGaN势垒层5。请参见图2f。
具体地，在1000～1100℃条件下，利用金属有机化学气相沉积法在GaN缓冲层4上生长AlGaN材料，形成AlGaN势垒层5。形成的AlGaN势垒层5的厚度为5～100nm。
S7、在AlGaN势垒层5上分别形成源极6、漏极7和栅极8，其中，栅极8位于源极6和漏极7之间，请参见图2g。从而完成基于金刚石衬底的氮化镓器件的制备。
本发明实施例通过在氮化镓材料层1的第一面a直接生长金刚石层2，避免引入介质层，消除了介质层材料热阻的影响；作为高频功率器件的有效散热材料，金刚石与氮化镓材料直接接触，从而使器件充分利用金刚石的高热导率的特点，提高了在氮化镓材料上生长大功率氮化物半导体材料的散热能力，解决了大功率氮化物半导体器件的散热问题，进而提高了氮化镓大功率器件的性能。
本发明实施例在氮化镓材料层1的第一面a直接生长多晶金刚石，多晶金刚石不仅具备良好的散热性能，而且多晶金刚石易于在氮化镓材料表面制备得到，降低了氮化镓材料与金刚石直接接触的难度，制备工艺简单且与现有工艺兼容。
请参见图2g，图2g为采用本发明实施例提供的一种基于金刚石衬底的氮化镓器件的制备方法所制备的氮化镓器件。该氮化镓器件包括：金刚石层2、氮化镓材料层1、AlN成核层3、GaN缓冲层4、AlGaN势垒层5、源极6、漏极7和栅极8。
其中，金刚石层2为多晶金刚石，其厚度为20～200μm。多晶金刚石不仅可以实现氮化镓器件的有效散热，而且降低了金刚石衬底制备的难度和成本，使金刚石衬底散热技术具备通用性。
氮化镓材料层1具有第一面a和第二面b，其中，第一面a可以为氮化镓材料层1的背面，第二面b可以为氮化镓材料层1的正面；金刚石层2位于氮化镓材料层1的第一面a，直接与氮化镓材料层紧密接触，以实现氮化镓器件的有效散热。氮化镓材料层1的厚度为1～200μm。
AlN成核层3位于氮化镓材料层1的第二面b，其厚度为0.2～10μm。AlN成核层3可以缓解衬底与外延材料之间的应力，提高器件的性能。
GaN缓冲层4位于AlN成核层3上，其厚度为0.1～5μm。
AlGaN势垒层5位于GaN缓冲层4上，其厚度为5～100nm。
源极6、栅极8和漏极7均位于AlGaN势垒层5上，其中，栅极8位于源极6和漏极7之间。
该基于金刚石衬底的氮化镓器件中，其衬底金刚石与氮化镓材料直接接触，避免引入介质层，从而避免介质层材料热阻对器件散热性能的影响，使得氮化镓器件充分利用金刚石的高热导率的特点，可以实现大功率氮化镓器件的有效散热，进而提高氮化镓大功率器件的性能。
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 (10)
1.一种基于金刚石衬底的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，包括步骤：
在氮化镓材料层的第一面生长金刚石层；
在所述氮化镓材料层的第二面生长AlN成核层；
在所述AlN成核层上生长GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层上生长AlGaN势垒层。
2.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，在氮化镓材料层的第一面生长金刚石层，包括：
利用微波等离子体化学气相淀积法在所述氮化镓材料层的第一面生长金刚石层，所述金刚石层的厚度为20～200μm。
3.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，在所述氮化镓材料层的第二面生长AlN成核层步骤之前，还包括：
对所述氮化镓材料层的所述第二面做减薄抛光处理，减薄抛光后所述氮化镓材料层的厚度为1～200μm。
4.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，在所述氮化镓材料层的第二面生长AlN成核层，包括：
在970～1070℃下，利用金属有机化学气相沉积法在所述氮化镓材料层的所述第二面生长所述AlN成核层。
5.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，所述AlN成核层的厚度为0.2～10μm。
6.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，在所述AlN成核层上生长GaN缓冲层，包括：
在900～1000℃下，利用金属有机化学气相沉积法在所述AlN成核层上生长所述GaN缓冲层。
7.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，所述GaN缓冲层的厚度为0.1～5μm。
8.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，在所述GaN缓冲层上生长AlGaN势垒层，包括：
在1000～1100℃下，利用金属有机化学气相沉积法在所述GaN缓冲层上生长所述AlGaN势垒层。
9.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，所述AlGaN势垒层的厚度为5～100nm。
10.一种基于金刚石衬底的氮化镓器件，其特征在于，由如权利要求1-9中任一项所述的制备方法制得。
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