CN110223918B - 一种孔径式复合衬底氮化镓器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种孔径式复合衬底氮化镓器件及其制备方法。其中，孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法包括步骤：对第一衬底的第一面进行刻蚀，形成若干凹槽；在若干所述凹槽中生长金刚石；对所述第一衬底的第二面进行减薄处理使所述金刚石露出，形成复合衬底；在所述复合衬底上生长氮化物材料，形成氮化物缓冲层。本发明实施例复合衬底中的金刚石与氮化物材料直接接触，避免在氮化物材料与金刚石之间采用介质层，消除了介质层热阻对氮化镓功率器件的影响，从而使氮化镓器件可以直接利用金刚石进行散热，有效解决了氮化镓大功率器件的散热问题，提高了器件性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种孔径式复合衬底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，限制了氮化镓功率器件的性能。
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问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种孔径式复合衬底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孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法，包括步骤：
对第一衬底的第一面进行刻蚀，形成若干凹槽；
在若干所述凹槽中生长金刚石；
对所述第一衬底的第二面进行减薄处理使所述金刚石露出，形成复合衬底；
在所述复合衬底上生长氮化物材料，形成氮化物缓冲层。
在本发明的一个实施例中，所述第一衬底的材料包括硅、氮化铝、蓝宝石、碳化硅中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，若干所述凹槽在所述第一衬底的所述第一面均匀分布。
在本发明的一个实施例中，若干所述凹槽之间的间距为2～10μm。
在本发明的一个实施例中，所述凹槽的深度为20～200μm，所述凹槽的宽度为0.5～1μm。
在本发明的一个实施例中，所述金刚石为单晶金刚石或多晶金刚石。
在本发明的一个实施例中，对所述第一衬底的第二面进行减薄处理使所述金刚石露出，形成复合衬底，包括：
利用深硅刻蚀方法和机械抛光方法对所述第一衬底的第二面进行减薄处理，使所述第一衬底的厚度与所述金刚石的厚度相等，形成复合衬底。
在本发明的一个实施例中，在所述复合衬底上生长氮化物材料，形成氮化物缓冲层，包括：
在所述第一衬底上生长氮化物材料，直至所述氮化物材料覆盖所述第一衬底和所述金刚石，形成氮化物缓冲层。
在本发明的一个实施例中，在所述复合衬底上生长氮化物材料，形成氮化物缓冲层步骤之后，还包括：
在所述氮化物缓冲层上生长氮化镓过渡层；
在所述氮化镓过渡层上生长氮化镓势垒层；
在所述氮化镓势垒层上制备源极、漏极和栅极。
本发明的另一个实施例提供了一种孔径式复合衬底氮化镓器件，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：
本发明的复合衬底中的金刚石与氮化物材料直接接触，避免在氮化物材料与金刚石之间采用介质层，消除了介质层热阻对氮化镓功率器件的影响，从而使氮化镓器件可以直接利用金刚石进行散热，有效解决了氮化镓大功率器件的散热问题，提高了器件性能。
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孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法的流程示意图；
图2a-图2h为本发明实施例提供的一种孔径式复合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孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法的流程示意图，包括步骤：
对第一衬底的第一面进行刻蚀，形成若干凹槽；
在若干所述凹槽中生长金刚石；
对所述第一衬底的第二面进行减薄处理使所述金刚石露出，形成复合衬底；
在所述复合衬底上生长氮化物材料，形成氮化物缓冲层。
进一步地，请参见图2a-图2h，图2a-图2h为本发明实施例提供的一种孔径式复合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、选取第一衬底1，并对第一衬底1进行预处理。请参见图2a。
具体地，第一衬底1的材料与金刚石之间的晶格和热膨胀应该互相匹配，以形成较高的界面质量，因此，第一衬底1的材料可以选用硅、氮化铝、蓝宝石、碳化硅中的任一种或多种。
所选取的第一衬底1具有第一面a和第二面b，在本发明实施例中，第一面a可以为第一衬底1的正面，第二面b可以为第一衬底1的背面。
需要说明的是，本发明实施例中，将第一衬底1水平放置，朝上的一面为正面，朝下的一面为背面。
对第一衬底1进行预处理的过程包括对第一衬底1进行清洗，例如选取硅圆片作为第一衬底1，先用化学试剂或者丙酮清洗硅衬底表面，然后利用氮气将硅衬底表面吹干，从而去除第一衬底1表面的杂质。
S2、对第一衬底1的第一面a进行刻蚀，形成若干凹槽2。请参见图2b。
具体的，通过光刻显影工艺，按照预设图案利用光刻胶定义出刻蚀区域和掩膜区域，然后刻蚀所定义的刻蚀区域，并根据刻蚀速率确定刻蚀时间，使得刻蚀的凹槽2的深度h为20～200μm。
在刻蚀时，若干个凹槽1在第一衬底1的第一面均匀分布，凹槽2与凹槽2之间的间距d为2～10μm，每个凹槽2的宽度w为0.5～1μm，以形成均匀间隔的凹槽2，凹槽2为金刚石的淀积提供孔径。
凹槽2均匀分布的目的是后续在第一衬底上生长氮化物材料时，使氮化物材料在金刚石上的分布是均匀的；并且凹槽2的宽度w为0.5～1μm，有利于氮化物材料外扩连接起来，从而降低工艺难度，提高材料质量。
S3、在若干凹槽2中生长金刚石3。请参见图2c。
具体地，利用化学气相淀积法，在凹槽2内生长金刚石3，直至金刚石3填充整个凹槽2区域。
金刚石3的厚度h与凹槽2的深度h一致，均为20～200μm；金刚石3的宽度w与凹槽2的宽度w一致，均为0.5～1μm。
进一步地，本发明实施例中，生长的金刚石材料没有晶粒和晶界的限制，金刚石材料可以为单晶金刚石，也可以为多晶金刚石。
当淀积的金刚石为单晶金刚石时，单晶金刚石的散热性能较好，更有利于氮化镓大功率器件通过单晶金刚石进行散热，有利于提高材料质量和散热效率。
当淀积的金刚石为多晶金刚石时，多晶金刚石的生长速率相比于单晶金刚石的生长速率快，工艺简单，成本低，从而降低了氮化镓大功率器件的成本，降低了器件的制备工艺难度，提高了器件的成品率。
S4、对第一衬底1的第二面b进行减薄处理使金刚石3露出，形成复合衬底4。请参见图2d和图2e，图2d为减薄的过程，图2e为形成的复合衬底4的结构示意图。
具体的，利用深硅刻蚀方法和机械抛光方法，对第一衬底1的第二面b进行减薄处理，使第一衬底1的厚度h与金刚石3的厚度h相等，形成复合衬底4。复合衬底4中，金刚石3嵌入第一衬底1，与第一衬底1均匀交错分布，故称为孔径式复合衬底。
更为具体的，减薄处理的目的是使得金刚石3外露在空气中以进行散热，因此，在深硅刻蚀时，可以刻蚀去除第一衬底1上未刻蚀凹槽的部分，使金刚石刚3好露出来即可，也可以在金刚石3露出来后继续同时刻蚀第一衬底1和金刚石3。不论进行哪一种减薄处理，最终使得第一衬底1的厚度h与金刚石3的厚度h相等即可。
在刻蚀完成后，利用机械抛光方法对复合衬底4的两个面进行处理，以提高复合衬底4表面的平坦度和抛光度，使得氮化物材料可以与复合衬底紧密贴合。
形成的复合衬底4的厚度h为20～200μm，这一厚度有利于氮化物器件进行有效散热。
S5、在复合衬底4上生长氮化物材料，形成氮化物缓冲层5。
具体地，复合衬底4具有相对的两个面，可以在复合衬底4两个面中的任何一面上生长氮化物材料。
进一步，在复合衬底4上生长氮化物材料的具体方法为：在第一衬底1上生长氮化物材料，直至氮化物材料覆盖第一衬底1和金刚石3，形成氮化物缓冲层5。更为具体，在间隔分布的第一衬底1上生长氮化物材料，氮化物材料在生长过程中具有外扩性，外扩性会使得氮化物材料向第一衬底1两边的金刚石3上扩散，请参见图2f；由于凹槽2的宽度较小，外扩的氮化物材料在金刚石3上会慢慢的连接起来，形成覆盖在金刚石3和第一衬底1上的整块氮化物材料，请参见图2g，最终形成氮化物缓冲层5。
在生长氮化物材料的过程中，利用第一衬底1作为氮化物材料的过渡层，金刚石3与第一衬底1之间的范德华力降低了金刚石3与氮化物材料直接接触的极大应力，从而降低了氮化物材料与金刚石3之间晶格失配和热失配，提高了金刚石3与氮化物材料之间的界面质量。
进一步，在复合衬底4上生长氮化物缓冲层的条件为：通过金属有机化合物化学气相沉淀法或者分子束外延法或者直流溅射法，在氢气、氮气或者氢气氮气混合气体中或者真空中加热到一定温度，形成氮化物缓冲层5；加热的温度可以为100～120℃。
S6、在氮化物缓冲层5上生长氮化镓过渡层6。请参见图2h。
具体地，利用金属有机化合物化学气相沉淀法(简称MOCVD)在氮化物缓冲层5上生长GaN，形成20～200nm厚氮化镓过渡层6。
S7、在氮化镓过渡层6上生长氮化镓势垒层7。请参见图2h。
具体地，利用MOCVD方法在氮化镓过渡层6上生长GaN，形成0.1～5μm厚的氮化镓势垒层7。
S8、在氮化镓势垒层7上制备源极8、漏极9和栅极10，其中，栅极10位于源极8和漏极9之间，请参见图2h。从而完成孔径式复合衬底氮化镓器件的制备。
本发明实施例的孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法实现金刚石材料做氮化物器件的热沉材料，能提高氮化物功率器件的散热性能；氮化物材料与金刚石直接接触，不需要介质层，相对于需要介质层的金刚石基氮化物器件，减小了介质层热阻的影响，有效解决了氮化镓大功率器件的散热问题，提高了器件性能。
本发明实施例的制备方法的制备工艺简单、与现有工艺兼容，制备成本低。
本发明实施例的制备方法对金刚石的晶粒和晶界无限制，工艺难度较低，提高了器件质量和散热效率，降低了器件成本，提高了器件的成品率。
请参见图2h，图2h为采用本发明实施例提供的一种孔径式复合衬底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：复合衬底4、氮化物缓冲层5、氮化镓过渡层6、氮化镓势垒层7、源极8、漏极9和栅极10。
其中，复合衬底4为金刚石3均匀分布在第一衬底1中的孔径式复合衬底。金刚石3的宽度w即凹槽2的宽度w为0.5～1μm；金刚石3之间的第一衬底1的宽度即凹槽2与凹槽2之间的间距d为2～10μm；金刚石3的厚度h与第一衬底1的厚度h相等，即复合衬底4的厚度h为20～200μm。
进一步，第一衬底1的材料与金刚石3之间的晶格和热膨胀应该互相匹配，以形成较高的界面质量，因此，第一衬底1的材料可以选用硅、氮化铝、蓝宝石、碳化硅中的任一种或多种。
氮化物缓冲层5位于复合衬底4上，氮化物缓冲层5与第一衬底1和金刚石3直接接触。
氮化镓过渡层6位于氮化物缓冲层5上，氮化镓过渡层6的厚度为20～200nm。
氮化镓势垒层7位于氮化镓过渡层6上，氮化镓势垒层7的厚度为0.1～5μm。
源极8、漏极9和栅极10均位于氮化镓势垒层7上，其中，栅极10位于源极8和漏极9之间。
该基于孔径式复合衬底氮化镓器件中，金刚石3和第一衬底1形成孔径式复合衬底4，复合衬底4中的金刚石3与氮化物材料直接接触，不需要介质层，相对于需要介质层的金刚石基氮化物器件，减小了介质层热阻的影响，有效解决了氮化镓大功率器件的散热问题，提高了器件性能。
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 (9)
1.一种孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法，其特征在于，包括步骤：
对第一衬底的第一面进行刻蚀，形成若干凹槽；
在若干所述凹槽中生长金刚石；
对所述第一衬底的第二面进行减薄处理使所述金刚石露出，形成复合衬底；
在间隔分布的所述第一衬底上生长氮化物材料，利用氮化物材料在生长过程中的外扩性使所述氮化物材料向所述第一衬底两边的所述金刚石上扩散，直至所述氮化物材料覆盖所述第一衬底和所述金刚石，形成氮化物缓冲层。
2.如权利要求1所述的孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法，其特征在于，所述第一衬底的材料包括硅、氮化铝、蓝宝石、碳化硅中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法，其特征在于，若干所述凹槽在所述第一衬底的所述第一面均匀分布。
4.如权利要求1所述的孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法，其特征在于，若干所述凹槽之间的间距为2～10μm。
5.如权利要求1所述的孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法，其特征在于，所述凹槽的深度为20～200μm，所述凹槽的宽度为0.5～1μm。
6.如权利要求1所述的孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法，其特征在于，所述金刚石为单晶金刚石或多晶金刚石。
7.如权利要求1所述的孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法，其特征在于，对所述第一衬底的第二面进行减薄处理使所述金刚石露出，形成复合衬底，包括：
利用深硅刻蚀方法和机械抛光方法对所述第一衬底的所述第二面进行减薄处理，使所述第一衬底的厚度与所述金刚石的厚度相等，形成所述复合衬底。
8.如权利要求1所述的孔径式复合衬底氮化镓器件的制备方法，其特征在于，在所述复合衬底上生长氮化物材料，形成氮化物缓冲层步骤之后，还包括：
在所述氮化物缓冲层上生长氮化镓过渡层；
在所述氮化镓过渡层上生长氮化镓势垒层；
在所述氮化镓势垒层上制备源极、漏极和栅极。
9.一种孔径式复合衬底氮化镓器件，其特征在于，由如权利要求1-8中任一项所述的制备方法制得。
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