CN110379782A - 基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法 - Google Patents

基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110379782A
CN110379782A CN201910546088.XA CN201910546088A CN110379782A CN 110379782 A CN110379782 A CN 110379782A CN 201910546088 A CN201910546088 A CN 201910546088A CN 110379782 A CN110379782 A CN 110379782A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gallium nitride
etching
embedded
substrate
nitride transistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910546088.XA
Other languages
English (en)
Inventor
黄语恒
郭怀新
孔月婵
陈堂胜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CETC 55 Research Institute
Original Assignee
CETC 55 Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CETC 55 Research Institute filed Critical CETC 55 Research Institute
Priority to CN201910546088.XA priority Critical patent/CN110379782A/zh
Publication of CN110379782A publication Critical patent/CN110379782A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/0445—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising crystalline silicon carbide
    • H01L21/0475—Changing the shape of the semiconductor body, e.g. forming recesses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3732—Diamonds

Abstract

本发明公开了一种基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法，氮化镓晶体管自上而下包括有源区功能层、势垒层、缓冲层、衬底及散热区，散热区嵌入在衬底内，位于有源区功能层下方，紧邻热源区，通过ICP刻蚀工艺和外延定向生长金刚石厚膜形成，具有区域应力小和高的热输运能力特性，近而有效实现氮化镓晶体管的高效散热能力。本发明解决了大功率氮化镓器件有源区热积累，极大提高了器件最大输出功率。

Description

基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及 制备方法
技术领域
本发明属于功率半导体器件热管理开发技术领域，特别是一种基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法。
背景技术
作为新一代固态微波功率器件的代表，GaN半导体具有高二维电子气浓度、高击穿场强、高的电子饱和速度等特点，在微波大功率器件应用领域有较第一、二代半导体材料显著的性能优势。然而，随着器件小型集成化的发展，现阶段在GaN基功率器件的研制和应用进程中，GaN器件在高功率状态下的可靠性面临严峻挑战，导致其大功率性能优势远未充分发挥。其主要原因之一是GaN微波功率芯片在工作时存在自热效应，且随功率的增大而增加，加大了在输出大功率的同时芯片有源区的热积累效应，使器件的性能和可靠性下降。
现有解决方法是去除SiC或其它衬底，使得GaN层可以有效地外延或异质键合高热导率的金刚石衬底，然而这类方法在GaN缓冲层和金刚石衬底之间存在导热性差的粘合层，该粘合层均匀性难以控制，且由于GaN材料和衬底之间的热膨胀系数差异可能导致晶片弯曲和的外延层断裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管，自上而下依次包括有源区功能层、势垒层、缓冲层、衬底和散热区，所述散热区嵌入在衬底内，位于有源区功能层下方，距离缓冲层5-30微米。
一种基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、对SiC衬底的势垒层进行保护层生长，生长方法为溅射或蒸发，保护层为SiN材料，保护层厚度为100-200nm；
步骤2、利用临时键合和抛光工艺相结合，进行SiC衬底的背面减薄，减薄后的衬底厚度控制在150-200微米，随后去掉键合载片；
步骤3、采用光刻和厚镍电镀相结合工艺，进行SiC衬底背面的散热区的图案化制备；
步骤4、采用ICP刻蚀工艺进行SiC衬底背面的散热区的刻蚀，刻蚀的内孔距离缓冲层5-30um；
步骤5、进行金刚石厚膜的定向生长，采用CVD工艺，生长厚度和衬底表面一致，形成SiC衬底内的散热区；
步骤6、利用抛光和腐蚀工艺相结合，进行SiC衬底背面的镍金属掩膜抛光去除和SiN保护层的腐蚀去除，实现片内嵌入金刚石复合衬底的制备；
步骤7、完成氮化镓晶体管正面工艺，得到氮化镓晶体管。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明利用刻蚀和定向外延生长技术在SiC衬底形成高效散热区，达到其高效散热能力；其刻蚀采用等离子体技术保证SiC衬底刻蚀的面形貌的平整度和粗糙度，随后采用CVD工艺进行高热导率金刚石厚膜的定向生长，两者结合即保证高质量的接触界面，又保证高导热金刚石材料的生长，最终形成芯片内部的高效散热区，实现氮化镓晶体管芯片级热管理技术开发，提升氮化镓晶体管的芯片内部的高效散热特性。
附图说明
图1是本发明的基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管结构示意图。
图2(a)为SiC衬底的势垒层保护示意图，图2(b)为SiC衬底背面减薄及抛光示意图，图2(c)为高效散热区的图案化制备示意图，图2(d)为高效散热区的刻蚀示意图，图2(e)为高效散热区外延生长金刚石示意图，图2(f)为片内嵌入金刚石复合衬底制备示意图，图2(g)为片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管制备示意图。
具体实施方式
结合图1，一种基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管，其片内嵌入金刚石散热区的氮化镓晶体管结构设计自上而下依次包括有源区功能层1、势垒层2(AlGaN)、缓冲层3(GaN)、衬底4及其散热区5。所述衬底4为SiC材料；衬底中内含散热区5，该散热区5在有源区功能层1的下面，近临热源区6位置，距离缓冲层5-30微米，通过ICP刻蚀工艺和外延定向生长金刚石厚膜形成，通过金刚石厚膜的导热可有效实现氮化镓晶体管的高效散热能力。其中，有源区功能层1的中心对准散热区5的中心，偏差在10％以内。所述有源区功能层由栅、源和漏组成，有源区设计的表面面积大小为散热区表面面积的0.5-1.0倍。
结合图2，基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管的制备方法，包括如下具体步骤：
1)基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热区的制备；
①SiC衬底的势垒层保护：对SiC衬底的势垒层进行保护层生长，生长方法为溅射或蒸发，保护层为SiN材料，保护层厚度为100-200nm，温度控制在350℃以下，如图2(a)；
②SiC衬底背面减薄及抛光：利用临时键合和抛光工艺相结合，进行SiC衬底的背面减薄，减薄后的衬底厚度控制在150-200微米，随后去掉键合载片。键合载片为蓝宝石或碳化硅材料，键合采用高温蜡技术，如图2(b)；
③散热区的图案化制备：采用光刻和厚镍电镀相结合工艺，通过光刻在SiC衬底背面实现掩膜图形后溅射Ti/Au层及套刻，利用厚镍电镀工艺在SiC衬底背面进行散热区的图案化制备，如图2(c)；厚镍电镀厚度为5-10微米；
④散热区的刻蚀：采用ICP刻蚀工艺进行SiC衬底背面的散热区的刻蚀，刻蚀的内孔距离缓冲层5-30um，如图2(d)；
⑤散热区的制备：进行金刚石厚膜的定向生长，采用CVD工艺，生长厚度和衬底表面一致，最终形成SiC衬底内的散热区，如图2(e)；
⑥片内嵌入金刚石复合衬底的制备：利用抛光和腐蚀工艺相结合，进行SiC衬底背面的镍金属掩膜抛光去除和SiN保护层的腐蚀去除，实现片内嵌入金刚石复合衬底的制备，如图2(f)；片内嵌入金刚石复合衬底的热导率提升2.5倍以上。
2)氮化镓晶体管的制备：完成栅、源、漏的功能区的生长，得到氮化镓晶体管，如图2(g)。
本发明实现了芯片内部的高效散热能力，解决了大功率氮化镓器件有源区热积累。相比传统的氮化镓器件，其功率密度可提升2倍以上，极大提高了器件最大输出功率，并维持较高的可靠性。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
一种近结区片内嵌入金刚石散热区氮化镓晶体管设计和制造方法，具体包括：
1)基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石高效散热区的制备；
①在SiC衬底的势垒层进行保护层生长，溅射厚度为100nm的SiN材料保护层，生长温度控制在300℃；
②利用蓝宝石作为键合载片，在蓝宝石上旋涂高温蜡并与晶片正面进行临时键合处理，对SiC衬底背面减薄并抛光至200um，随后去掉键合载片；
③通过光刻在SiC衬底背面实现掩膜图形后溅射Ti/Au层，对衬底进行剥离及套刻，利用厚镍电镀工艺在SiC衬底背面进行散热区的图案化制备，刻蚀区域横截面大小为250*200um；
④利用等离子体刻蚀机对衬底进行SiC衬底背面的散热区的刻蚀，直至刻蚀的内孔距离缓冲层15um停止，完成衬底散热区的刻蚀；
⑤进行金刚石厚膜的定向生长，采用CVD工艺，生长厚度和衬底表面一致，最终形成SiC衬底内的散热区；
⑥利用抛光和氢氟酸腐蚀工艺相结合，进行SiC衬底背面的镍金属掩膜抛光去除和SiN保护层的腐蚀去除，实现片内嵌入金刚石复合衬底的制备；
2)设计氮化镓晶体管有源区的尺寸为200*150um，将有源区的中心应对准高效散热区的中心，按常规工艺完成氮化镓晶体管的制备。最终实现了基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管的制备。

Claims (7)

1.一种基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管，其特征在于，自上而下依次包括有源区功能层(1)、势垒层(2)、缓冲层(3)、衬底(4)和散热区(5)，所述散热区(5)嵌入在衬底(4)内，位于有源区功能层(1)下方，距离缓冲层(3)5-30微米。
2.根据权利要求1所述的基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管，其特征在于，所述散热区(5)通过ICP刻蚀工艺和外延定向生长金刚石厚膜形成。
3.根据权利要求1所述的基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管，其特征在于，有源区功能层(1)的中心对准散热区(5)的中心。
4.根据权利要求1所述的基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管，其特征在于，所述衬底(4)为SiC材料。
5.根据权利要求1所述的基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管，其特征在于，有源区功能层(1)的表面面积大小为散热区(5)表面面积的0.5-1.0倍。
6.一种制备权利要求1所述基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对SiC衬底的势垒层进行保护层生长，生长方法为溅射或蒸发，保护层为SiN材料，保护层厚度为100-200nm；
步骤2、利用临时键合和抛光工艺相结合，进行SiC衬底的背面减薄，减薄后的衬底厚度控制在150-200微米，随后去掉键合载片；
步骤3、采用光刻和厚镍电镀相结合工艺，进行SiC衬底背面的散热区的图案化制备；
步骤4、采用ICP刻蚀工艺进行SiC衬底背面的散热区的刻蚀，刻蚀的内孔距离缓冲层5-30um；
步骤5、进行金刚石厚膜的定向生长，采用CVD工艺，生长厚度和衬底表面一致，形成SiC衬底内的散热区；
步骤6、利用抛光和腐蚀工艺相结合，进行SiC衬底背面的镍金属掩膜抛光去除和SiN保护层的腐蚀去除，实现片内嵌入金刚石复合衬底的制备；
步骤7、完成氮化镓晶体管正面工艺，得到氮化镓晶体管。
7.根据权利要求6所述的基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管的制备方法，其特征在于，步骤2中键合载片为蓝宝石或碳化硅材料。
CN201910546088.XA 2019-06-23 2019-06-23 基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法 Pending CN110379782A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910546088.XA CN110379782A (zh) 2019-06-23 2019-06-23 基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910546088.XA CN110379782A (zh) 2019-06-23 2019-06-23 基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110379782A true CN110379782A (zh) 2019-10-25

Family

ID=68250518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910546088.XA Pending CN110379782A (zh) 2019-06-23 2019-06-23 基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110379782A (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111009496A (zh) * 2019-12-31 2020-04-14 长春理工大学 一种具有高热导率的半导体衬底及其制备方法
CN111900215A (zh) * 2020-06-30 2020-11-06 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种单行载流子光电探测器及其制作方法
CN111900140A (zh) * 2020-06-30 2020-11-06 中国电子科技集团公司第五十五研究所 基于金刚石钝化结构的高效散热氮化镓晶体管及其制造方法
CN112164976A (zh) * 2020-09-29 2021-01-01 北京大学东莞光电研究院 高散热的GaN单晶衬底及其制备方法
CN112509996A (zh) * 2021-02-05 2021-03-16 浙江工商大学 GaN器件结构及制备方法
CN114551239A (zh) * 2022-02-14 2022-05-27 西安电子科技大学芜湖研究院 一种带有刻蚀保护层的金刚石基氮化镓器件的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1738000A (zh) * 2005-09-01 2006-02-22 西安电子科技大学 GaN半导体材料的异质外延方法
TW201344904A (zh) * 2012-03-20 2013-11-01 Northrop Grumman Systems Corp 在背側通孔中直接生長鑽石用於ＧａＮ高電子遷移率電晶體裝置
US20150056763A1 (en) * 2013-08-22 2015-02-26 Karl D. Hobart Selective deposition of diamond in thermal vias
CN108172556A (zh) * 2017-12-24 2018-06-15 中国电子科技集团公司第五十五研究所 基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管及其制造方法
CN108198793A (zh) * 2017-12-24 2018-06-22 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种近结微流嵌入式高效散热氮化镓晶体管及其制造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1738000A (zh) * 2005-09-01 2006-02-22 西安电子科技大学 GaN半导体材料的异质外延方法
TW201344904A (zh) * 2012-03-20 2013-11-01 Northrop Grumman Systems Corp 在背側通孔中直接生長鑽石用於ＧａＮ高電子遷移率電晶體裝置
US20150056763A1 (en) * 2013-08-22 2015-02-26 Karl D. Hobart Selective deposition of diamond in thermal vias
CN108172556A (zh) * 2017-12-24 2018-06-15 中国电子科技集团公司第五十五研究所 基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管及其制造方法
CN108198793A (zh) * 2017-12-24 2018-06-22 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种近结微流嵌入式高效散热氮化镓晶体管及其制造方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111009496A (zh) * 2019-12-31 2020-04-14 长春理工大学 一种具有高热导率的半导体衬底及其制备方法
CN111009496B (zh) * 2019-12-31 2021-07-06 长春理工大学 一种具有高热导率的半导体衬底及其制备方法
CN111900215A (zh) * 2020-06-30 2020-11-06 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种单行载流子光电探测器及其制作方法
CN111900140A (zh) * 2020-06-30 2020-11-06 中国电子科技集团公司第五十五研究所 基于金刚石钝化结构的高效散热氮化镓晶体管及其制造方法
CN112164976A (zh) * 2020-09-29 2021-01-01 北京大学东莞光电研究院 高散热的GaN单晶衬底及其制备方法
CN112509996A (zh) * 2021-02-05 2021-03-16 浙江工商大学 GaN器件结构及制备方法
CN114551239A (zh) * 2022-02-14 2022-05-27 西安电子科技大学芜湖研究院 一种带有刻蚀保护层的金刚石基氮化镓器件的制备方法
CN114551239B (zh) * 2022-02-14 2024-03-29 西安电子科技大学芜湖研究院 一种带有刻蚀保护层的金刚石基氮化镓器件的制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110379782A (zh) 基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法
US7397119B2 (en) Wafer-level diamond spreader
TWI455345B (zh) 具有垂直結構之發光二極體及其製造方法
CN106504988B (zh) 一种金刚石热沉衬底GaN HEMTs制备方法
WO2012147436A1 (ja) ＧａＮ系半導体デバイスの製造方法
US20130309811A1 (en) WAFER LEVEL PACKAGED GaN POWER DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF
JP2007073986A (ja) ＧａＮベースの半導体デバイスを製造する方法
CN105140122B (zh) 一种改善GaN HEMT器件散热性能的方法
TWI300277B (en) Method for manufacturing gallium nitride light emitting diode devices
US9356188B2 (en) Tensile separation of a semiconducting stack
TW201214747A (en) Method of fabricating a light-emitting diode
CN106981423B (zh) 基于Si衬底外延SiC基GaN HEMT的工艺方法
CN106449899B (zh) 一种垂直结构蓝光led芯片的制备方法
JP2018049868A (ja) 半導体積層構造体および半導体デバイス
CN107039373A (zh) 氮化镓器件结构及其制备方法
CN107393858A (zh) 一种GaN HEMTs功率器件向金刚石热沉转移方法
CN110224300A (zh) 一种半导体激光器结构及其制备方法
CN107731903A (zh) 基于SOI结构金刚石复合衬底的GaN高电子迁移率器件及制备方法
CN110349924A (zh) 一种提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法
JP2006229218A (ja) 半導体デバイスの製造方法、および得られるデバイス
US20180366618A1 (en) Optoelectronic Semiconductor Devices with Enhanced Light Output
CN101521251A (zh) 一种垂直结构的发光二极管制造方法
CN106159075B (zh) 一种具有低热阻绝缘层结构的倒装led芯片及制作方法
CN106328776B (zh) 一种垂直结构紫光led芯片的制备方法
CN107919413A (zh) 一种GaN基LED向金刚石热沉转移方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191025

RJ01 Rejection of invention patent application after publication