CN111785610A - 一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构及其制备方法 - Google Patents
一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111785610A CN111785610A CN202010457660.8A CN202010457660A CN111785610A CN 111785610 A CN111785610 A CN 111785610A CN 202010457660 A CN202010457660 A CN 202010457660A CN 111785610 A CN111785610 A CN 111785610A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- diamond
- gallium nitride
- barrier layer
- material structure
- 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
Links
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 124
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 124
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 103
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 91
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 71
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 title claims abstract description 39
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 82
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 81
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 34
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 28
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 26
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 21
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 20
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 claims description 20
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 claims description 19
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 13
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical group [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N aluminum gallium Chemical compound [Al].[Ga] RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 7
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 5
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- -1 indium aluminum nitrogen Chemical compound 0.000 claims description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 51
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 45
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 28
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 14
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 7
- 238000003631 wet chemical etching Methods 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- AUCDRFABNLOFRE-UHFFFAOYSA-N alumane;indium Chemical compound [AlH3].[In] AUCDRFABNLOFRE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 241001089723 Metaphycus omega Species 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000009740 moulding (composite fabrication) Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 1
Images
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
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02376—Carbon, e.g. diamond-like carbon
-
- 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
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
- H01L21/02439—Materials
- H01L21/02455—Group 13/15 materials
- H01L21/02458—Nitrides
-
- 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
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
-
- 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
-
- 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
本发明公开了一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构及其制备方法，所述金刚石基氮化镓材料结构包括：金刚石衬底层；缓冲层，位于所述金刚石衬底层的上表面，且与所述金刚石衬底层形成图案化界面；沟道层，位于所述缓冲层的上表面；复合势垒层，位于所述沟道层的上表面，以构成所述散热增强的金刚石基氮化镓材料结构。本发明提供的金刚石基氮化镓材料结构通过在缓冲层与金刚石衬底界面形成图案化界面，增大了缓冲层与金刚石衬底界面的接触面积，降低了热边界电阻，从而减小了器件的热阻，提高了器件的散热性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构及其制备方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，以氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料由于具有更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场、较高的电子饱和漂移速度、稳定的化学性能等优点以及耐高温和抗辐射等物理性质而被广泛应用。其中，采用氮化镓半导体材料制作电子器件可以进一步减少芯片面积、提高工作频率、提高工作温度、降低导通电阻以及提高击穿电压等，在制备微波毫米波功率器件方面有巨大的潜力。
目前，由于氮化镓自支撑衬底技术的不成熟，大多氮化镓微波毫米波功率器件中的氮化镓基材料主要淀积在蓝宝石、碳化硅和硅等异质衬底上，其热导率分别为
显然，碳化硅具有较高的导热性。然而，即使碳化硅在热导率上比硅提高了近3倍，碳化硅衬底也不足以充分利用氮化镓微波毫米波功率器件的潜力。
为了提高氮化镓微波毫米波功率器件的散热能力，通常采用热导率更高(可达2200W·m-1·K-1)的金刚石做衬底材料，并且可在相同尺寸下制造具有更大功率密度的氮化镓器件。而为了得到有效热导率更高的金刚石基氮化镓微波毫米波功率器件，目前主要采用三种方式实现金刚石衬底与氮化镓外延材料的结合：一是在金刚石衬底上直接外延生长氮化镓结构。然而这种方法生长难度大，存在铝镓氮/氮化镓层电学性能差的问题，需要实现更为精细的界面控制和应力管理；二是在氮化镓基高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)结构上生长金刚石。这种方法可获得较大尺寸金刚石衬底晶圆，有助于降低成本。然而，一般在氮化硅等籽晶层上生长金刚石需要采用高于600℃的化学气相沉积工艺(CVD)技术，从而出现影响金刚石材料质量的成核层和热应力；三是基于转移技术的氮化镓/金刚石键合方法。氮化镓外延层和金刚石衬底可以在键合前同时制备，对大功率器件更具吸引力。
研究发现，氮化镓外延层的自身热导率、界面层和衬底材料在器件温度升高的过程中起着重要作用，其中，氮化镓/金刚石界面较大的热边界电阻(TBR)是限制器件散热性能的重要因素，因此必须将其降至最小，以得到最优的性能。目前减小氮化镓/金刚石界面热边界电阻的方法主要有三种技术路线：
1.通过降低氮化镓与金刚石之间用于金刚石籽晶生长的界面层厚度和减小金刚石成核区域，使界面热阻显著减小。这种方法的缺点是：降低界面层厚度有一定的局限性，即必须要求在这个界面上保持正确的金刚石成核和生长条件；同时低导热系数的过渡层的存在也会影响器件的散热能力。
2.通过增大金刚石衬底的厚度以及改变金刚石衬底的形状和面积使之包含尽可能多的等温曲线，从而使金刚石衬底达到良好的散热效果。然而这一方法的缺点是较厚的金刚石层降低沟道温度会达到饱和，且不利于小尺寸器件的发展。
3.通过改进的表面活化键合(SAB)技术开发出常温氮化镓/金刚石层键合技术，与传统结构相比，其热阻可减小约30％，有望大幅提升氮化镓基高电子迁移率晶体管功率放大器的输出功率。但这一方法的缺点是需要引入低热导率的界面键合材料，从而导致器件性能优势无法充分发挥。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构，包括：
金刚石衬底层；
缓冲层，位于所述金刚石衬底层的上表面，且与所述金刚石衬底层形成图案化界面；
沟道层，位于所述缓冲层的上表面；
复合势垒层，位于所述沟道层的上表面，以构成所述散热增强的金刚石基氮化镓材料结构。
在本发明的一个实施例中，所述缓冲层的下表面设有规则排列或者不规则排列的凹槽。且所述凹槽的深度为10nm～2000nm，所述凹槽的长度为10nm～10μm，所述凹槽的面积占比为1％～99％。
在本发明的一个实施例中，所述凹槽中填充有金刚石材料。
在本发明的一个实施例中，所述缓冲层包括氮化镓、铝镓氮或氮化铝，厚度为100～5000nm。
在本发明的一个实施例中，所述沟道层为氮化镓，厚度为10～1000nm。
在本发明的一个实施例中，所述复合势垒层包括隔离层和核心势垒层，其中，
所述隔离层位于所述沟道层的上表面；
所述核心势垒层位于所述隔离层的上表面。
在本发明的一个实施例中，所述复合势垒层包括核心势垒层和帽层，其中，
所述核心势垒层位于所述沟道层的上表面；
所述帽层位于所述核心势垒层的上表面。
在本发明的一个实施例中，所述复合势垒层包括隔离层、核心势垒层和帽层，其中，
所述隔离层位于所述沟道层的上表面；
所述核心势垒层位于所述隔离层的上表面；
所述帽层位于所述核心势垒层的上表面。
在本发明的一个实施例中，所述核心势垒层为铝镓氮，其中，铝的组分为0.2～0.4，厚度为10～30nm；
或者所述核心势垒层为铟铝氮，其中，铟的组分为0.1～0.2，厚度为5～30nm；
或者所述核心势垒层为氮化铝，厚度为2～10nm。
本发明的另一个实施例提供了一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构的制备方法，包括：
获取一定晶向硅衬底基片作为初始衬底；
在所述初始衬底上依次制备成核层和过渡层；
在所述过渡层上依次制备缓冲层、沟道层以及复合势垒层；
将整个样品翻转，并采用晶圆键合技术在所述复合势垒层下面制备过渡衬底；
去除所述初始衬底、所述成核层以及所述过渡层，以露出所述缓冲层；
对所述缓冲层表面进行刻蚀以形成图案化表面；
在所述缓冲层的图案化表面上淀积金刚石材料以形成金刚石衬底层；
去除所述过渡衬底，以完成金刚石基氮化镓材料结构的制备。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的散热增强的金刚石基氮化镓材料结构，通过光刻工艺和刻蚀工艺对缓冲层下表面进行图案化制备，以形成条纹状凹槽，再使用化学气相淀积的方法沉积多晶金刚石衬底材料，在缓冲层与金刚石衬底界面形成了图案化界面，增大了缓冲层与金刚石衬底界面的接触面积，降低了热边界电阻(TBR)，从而减小了器件的热阻，提高了器件的散热性能；
2、本发明提供的散热增强的金刚石基氮化镓材料结构在缓冲层与金刚石衬底界面形成图案化界面，相比平面化界面，减小了晶格间的压应力，提高了金刚石衬底的结晶质量，从而提高了器件质量；
3、本发明提供的散热增强的金刚石基氮化镓材料结构可以与现有生产线兼容，具有良率高和可靠性高的优点。
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是本发明实施例提供的一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构示意图；
图3是本发明实施例提供的又一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构示意图；
图4是本发明实施例提供的再一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构的制备方法流程图；
图6a～6r是本发明实施例提供的金刚石基氮化镓材料结构的制备方法示意图；
附图标记说明：
1-金刚石衬底层，11-高阻硅衬底层，12-成核层，13-过渡层，2-缓冲层，3-沟道层，4-复合势垒层，41-隔离层，42-核心势垒层，43-帽层，G-凹槽，21-第一二氧化硅层，31-硅晶圆，32-第二二氧化硅层，10-第一晶圆，20-第二晶圆，30-第三晶圆，40-第四晶圆，50-第五晶圆，60-第六晶圆，70-第七晶圆，80-第八晶圆，90-第九晶圆，100-第十晶圆。
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是本发明实施例提供的一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构示意图，包括：
金刚石衬底层1；
缓冲层2，位于所述金刚石衬底层1的上表面，且与所述金刚石衬底层1形成图案化界面；
沟道层3，位于所述缓冲层2的上表面；
复合势垒层4，位于所述沟道层3的上表面，以构成所述散热增强的金刚石基氮化镓材料结构。
在本实施例中，金刚石衬底层1可以为多晶CVD金刚石，厚度为100～300μm。
进一步地，缓冲层2的下表面设有规则排列或者不规则排列的凹槽G，以与金刚石衬底层1形成图案化界面。
具体地，该凹槽G的深度可以为10nm～2000nm，凹槽G的长度可以为10nm～10μm，凹槽G的面积占比为1％～99％。
优选地，在凹槽G中填充有与金刚石衬底材料相同的金刚石材料。
在本实施例中，缓冲层2可以包括氮化镓、铝镓氮或氮化铝，其厚度为100～5000nm。优选地，缓冲层2为氮化镓，厚度为1000nm。
进一步地，沟道层3可以是氮化镓，厚度为10～1000nm。更优选地，沟道层3的厚度为300nm。
在常规金刚石基氮化镓的材料结构中，由于金刚石衬底层与缓冲层之间存在较大的晶格常数失配，因此需要引入一氮化铝成核层和一过渡层，过渡层可以是铝镓氮或氮化铝/氮化镓超晶格。但是成核层和过渡层的晶体质量很差，位错密度很高，热导率比较差，严重影响了金刚石基氮化镓微波毫米波功率器件的散热性能。本实施例提供的金刚石基氮化镓材料结构通过在金刚石衬底层与缓冲层之间的形成图案化界面，将缓冲层制作在金刚石衬底层的上表面，与金刚石衬底层之间没有位错密度比较高、热导率比较差的成核层或者过渡层，减小了器件的热阻，提高了器件的导热率，降低了器件工作的沟道温度，从而提高了器件的性能。
此外，本实施例提供的金刚石基氮化镓材料结构通过光刻工艺对缓冲层下表面进行图案化制备，形成条纹状凹槽，再采用化学气相淀积多晶金刚石衬底，从而形成了金刚石衬底层与缓冲层之间的氮化镓/金刚石图案化界面，与平面化界面相比，条纹槽减小了晶格间的压应力，提高金刚石结晶质量；同时通过增大金刚石衬底层与缓冲层界面接触面积使热边界电阻(TBR)降低，减小了器件的热阻，提高了金刚石基氮化镓微波毫米波功率器件的散热性能。
进一步地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的另一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构示意图，其中，所述复合势垒层4包括隔离层41和核心势垒层42，其中，
所述隔离层41位于所述沟道层3的上表面；
所述核心势垒层42位于所述隔离层41的上表面。
优选地，隔离层41可以为氮化铝，厚度为0.5～1.5nm。更优选地，隔离层41的厚度为1nm。
进一步地，核心势垒层42可以为铝镓氮，其中，铝的组分为0.2～0.4，厚度为10～30nm。
在本实施例中，核心势垒层42还可以为铟铝氮，其中，铟的组分为0.1～0.2，厚度为5～30nm；或者核心势垒层42可以为氮化铝，厚度为2～10nm。
优选地，核心势垒层42为铝镓氮，其中，铝的组分为0.25，厚度为20nm。
进一步地，请参见图3，图3是本发明实施例提供的又一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构示意图，其中，所述复合势垒层4包括核心势垒层42和帽层43，其中，
所述核心势垒层42位于所述沟道层3的上表面；
所述帽层43位于所述核心势垒层42的上表面。
在本实施例中，核心势垒层42可以为铝镓氮，其中，铝的组分为0.2～0.4，厚度为10～30nm。
此外，核心势垒层42还可以为铟铝氮，其中，铟的组分为0.1～0.2，厚度为5～30nm；或者核心势垒层42可以为氮化铝，厚度为2～10nm。
优选地，核心势垒层42为铝镓氮，其中，铝的组分为0.25，厚度为20nm。
在本实施例中，帽层43可以为氮化镓，厚度为1～3nm；或者为氮化硅，厚度为1～10nm。优选地，帽层43为氮化镓，厚度为3nm。
更进一步地，请参见图4，图4是本发明实施例提供的再一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构示意图，其中，所述复合势垒层4包括隔离层41、核心势垒层42和帽层43，其中，
所述隔离层41位于所述沟道层3的上表面；
所述核心势垒层42位于所述隔离层41的上表面；
所述帽层43位于所述核心势垒层42的上表面。
具体地，隔离层41可以为氮化铝，厚度为0.5～1.5nm。优选地，隔离层41的厚度为1nm。
核心势垒层42可以为铝镓氮，其中，铝的组分为0.2～0.4，厚度为10～30nm；或者核心势垒层42还可以为铟铝氮，其中，铟的组分为0.1～0.2，厚度为5～30nm；或者核心势垒层42还可以为氮化铝，厚度为2～10nm。优选地，核心势垒层42为铝镓氮，其中，铝的组分为0.25，厚度为20nm。
帽层43可以为氮化镓，厚度为1～3nm；或者为氮化硅，厚度为1～10nm。优选地，帽层43为氮化镓，厚度为3nm。
本实施例提供的金刚石基氮化镓材料结构通过在缓冲层与金刚石衬底界面形成图案化界面，减小了器件的热阻，提高了器件的导热率，沟道层制作在缓冲层的上表面，为器件提高了导电沟道；复合势垒层制作在沟道层的上表面，复合势垒层与沟道层之间的界面处形成二维电子气，作为器件的导电沟道，且通过隔离层或帽层进一步提高了器件的电学特性。
综上，采用本实施例提供的散热增强的金刚石基氮化镓材料结构制备微波毫米波功率器件，能够有效减小器件热阻，提高器件散热性能，从而提高器件的最高输出功率和效率等性能指标，且具有良好的电学特性；同时，还具有与现有生产线兼容、良率高和可靠性高的优点。
实施例二
在上述实施例一的基础上，本实施例提供了一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构的制备方法，请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构的制备方法流程图；具体地，该方法包括：
S1：获取一定晶向硅衬底基片作为初始衬底。
本实施例选取一定晶向的高阻硅衬底层作为初始衬底。具体地，该高阻硅衬底层的电阻率为5000Ω·cm，晶向为[111]。
S2：在所述初始衬底上依次制备成核层和过渡层。
在本实施例中，需要在高阻硅衬底层上制备成核层和过渡层，以方便后续制备缓冲层。
具体地，首先采用金属有机化合物化学气相淀积(Metal-Organic ChemicalVapor Deposition，简称MOCVD)设备与技术在高阻硅衬底层上外延生长成核层，其中，成核层可以是氮化铝材料。
然后，继续采用MOCVD设备与技术在成核层上外延生长过渡层，其中，过渡层可以是氮化铝/氮化镓超晶格的过渡层。
S3：在所述过渡层上依次制备缓冲层、沟道层以及复合势垒层；具体包括：
S31：在过渡层上制备缓冲层。
具体地，采用MOCVD设备与技术在步骤S2制备的过渡层上外延生长缓冲层，其中，缓冲层可以是进行了Fe掺杂的缓冲层，其位错密度为1e9cm-2，电阻率为1MΩ·cm。
S32：在缓冲层上制备沟道层。
具体地，采用MOCVD设备与技术，在缓冲层上外延生长沟道层，其中，沟道层可以为非故意掺杂氮化镓沟道层。
S33：在沟道层上制备复合势垒层。
具体地，复合势垒层可以有几种结构，一是包括隔离层和核心势垒层；二是包括核心势垒层和帽层；三是包括隔离层、核心势垒层和帽层。本实施例以复合层包括隔离层、核心势垒层和帽层为例进行制备方法说明，其余两种结构制备方法类似。
首先，采用MOCVD设备与技术，在沟道层上外延生长隔离层；其中，隔离层可以为氮化铝。
然后，采用MOCVD设备与技术，在隔离层上外延生长核心势垒层；其中，核心势垒层可以是铝组分为0.25的铝镓氮。
最后，采用MOCVD设备与技术，在核心势垒层上外延生长的帽层，以形成复合势垒层，其中，帽层可以是氮化镓。
本实施例是通过在硅衬底上依次制备成核层、过渡层、缓冲层、沟道层以及复合势垒层的，在实际制备过程中，为了节约时间和成本，也可以选取包括硅衬底、成核层、过渡层、缓冲层、沟道层以及复合势垒层的常规硅基氮化镓外延片直接进行后续制备工艺的。
S4：将整个样品翻转，并采用晶圆键合技术在所述复合势垒层下面制备过渡衬底；具体包括：
S41：采用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，简称PECVD)的设备和技术在步骤S3得到样品表面，也即复合势垒层表面淀积第一二氧化硅层。
S42：制备硅晶圆作为过渡衬底。
选取一定晶向硅晶圆；其中，该硅晶圆的电阻率可以为10Ω·cm，晶向为[100]。
采用PECVD设备和技术在硅晶圆上淀积第二二氧化硅层。
S43：将步骤S41所得的样品翻转，并通过晶圆键合技术将步骤S31中制作的第一二氧化硅层与步骤S42中制作的第二二氧化硅层表面键合在一起，以在复合势垒层下面形成过渡衬底。
S5：去除所述初始衬底、所述成核层以及所述过渡层，以露出所述缓冲层。
具体地，采用湿法化学腐蚀技术或等离子体刻蚀技术依次去除高阻硅衬底层、成核层以及过渡层，以使缓冲层暴露在样品表面。
S6：对所述缓冲层表面进行刻蚀以形成图案化表面。
具体地，采用光刻工艺和刻蚀工艺，对步骤S5得到样品表面的缓冲层上表面进行图案化制备，以形成具有凹槽阵列的图案化表面。
在实施例中，凹槽阵列深度可以为10nm～2000nm，凹槽长度为10nm～10μm，凹槽的面积占比为1％～99％。
S7：在所述缓冲层的图案化表面上淀积金刚石材料以形成金刚石衬底层。
具体地，采用微波等离子体化学气相沉积(Microwave Plasma Chemical VaporDeposition，简称MPCVD)技术与设备，在步骤S6得到的缓冲层的图案化表面上淀积多晶CVD金刚石材料，以形成金刚石衬底层；其中，金刚石衬底层的厚度可以为100～300μm。
S8：去除所述过渡衬底，以完成金刚石基氮化镓材料结构的制备。
具体地，采用湿法化学腐蚀技术或等离子体刻蚀技术，依次去除步骤S4中制作的硅晶圆、第二二氧化硅层和第一二氧化硅层，最终得到金刚石基氮化镓材料结构。
实施例三
为了更清楚的说明本发明提供的散热增强的金刚石基氮化镓材料结构的制备方法，下面以图4所示金刚石基氮化镓材料结构为例对其制备方法进行详细说明。请参见图6a～6r，图6a～6r是本发明实施例提供的金刚石基氮化镓材料结构的制备方法示意图，具体包括：
步骤1：获取尺寸为8寸、厚度为725μm、电阻率为5000Ω·cm、晶向为[111]的高阻硅衬底层11，如图6a所示。
步骤2：采用MOCVD设备与技术在高阻硅衬底层11上外延生长厚度为200nm氮化铝成核层12，如图6b所示。
步骤3：采用MOCVD设备与技术，在氮化铝成核层12上外延生长厚度为1000nm的氮化铝/氮化镓超晶格过渡层13，如图6c所示。
步骤4：采用MOCVD设备与技术，在氮化铝/氮化镓超晶格的过渡层13上外延生长厚度为1000nm的缓冲层2，其中，缓冲层2的位错密度1e9cm-2，且进行了Fe掺杂，其电阻率为1MΩ·cm，如图6d所示。
步骤5：采用MOCVD设备与技术，在缓冲层2上外延生长厚度为300nm的氮化镓沟道层3，其中，氮化镓沟道层3为非故意掺杂，如图6e所示。
步骤6：采用MOCVD设备与技术，在氮化镓沟道层3上外延生长厚度为1nm的氮化铝隔离层41，如图6f所示。
步骤7：采用MOCVD设备与技术，在氮化铝隔离层41上外延生长铝组分为0.25、厚度为20nm的铝镓氮核心势垒层42；如图6g所示。
步骤8：采用MOCVD设备与技术，在核心势垒层42上外延生长厚度为3nm的氮化镓帽层43，以制作形成第一晶圆10，如图6h所示。
步骤9：采用PECVD设备和技术，在步骤8制作的第一晶圆10的上表面淀积一层厚度为250nm的第一二氧化硅层21，制作形成第二晶圆20，如图6i所示。
步骤10：选取一尺寸为8寸，厚度为725μm，电阻率为10Ω·cm，晶向为[100]的硅晶圆31，并采用PECVD设备和技术，在该硅晶圆31的上表面淀积一层厚度为250nm的第二二氧化硅层32，制作形成第三晶圆30，如图6j所示。
步骤11：将步骤9制作的第二晶圆20倒转，采用晶圆键合技术，将第二晶圆20中第一二氧化硅层21所在表面与步骤10制作的第三晶圆30中第二二氧化硅层32所在表面键合在一起，制作形成第四晶圆40，如图6k所示。
步骤12：采用湿法化学腐蚀技术或等离子体刻蚀技术，将步骤11制作的第四晶圆40中高阻硅衬底层11去除，制作形成第五晶圆50，如图6l所示。
步骤13：采用湿法化学腐蚀技术或等离子体刻蚀技术，将步骤12制作的第五晶圆50中氮化铝成核层12去除，制作形成第六晶圆60，如图6m所示。
步骤14：采用湿法化学腐蚀技术或等离子体刻蚀技术，将步骤13制作的第六晶圆60中的氮化铝/氮化镓超晶格过渡层13去除，制作形成第七晶圆70，如图6n所示；
步骤15：采用光刻工艺和刻蚀工艺，在步骤14制作的第七晶圆70的上表面对缓冲层2进行图案化制备，以在表面形成凹槽阵列G，制作形成第八晶圆80，如图6o所示。
其中，缓冲层2上面凹槽的深度为500nm，凹槽长度为1μm，凹槽的面积占比为50％。
步骤16：采用MPCVD技术与设备，在步骤15制作的第八晶圆80的图案化的缓冲层2上淀积多晶CVD金刚石衬底1，制作形成第九晶圆90，如图6p所示，其中，金刚石衬底层1的厚度为200μm。
步骤17：采用湿法化学腐蚀技术或等离子体刻蚀技术，将步骤16制作的第九晶圆90中的硅晶圆31层去除，制作形成第十晶圆100，如图6q所示。
步骤18：采用湿法化学腐蚀技术或等离子体刻蚀技术，依次将步骤17制作的第十晶圆100中的第二二氧化硅层32和第一二氧化硅层21去除，如图6r所示。
至此，完成金刚石基氮化镓材料结构的制备。
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)
1.一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构，其特征在于，包括：
金刚石衬底层(1)；
缓冲层(2)，位于所述金刚石衬底层(1)的上表面，且与所述金刚石衬底层(1)形成图案化界面；
沟道层(3)，位于所述缓冲层(2)的上表面；
复合势垒层(4)，位于所述沟道层(3)的上表面，以构成所述散热增强的金刚石基氮化镓材料结构。
2.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓材料结构，其特征在于，所述缓冲层(2)的下表面设有规则排列或者不规则排列的凹槽(G)，且所述凹槽(G)的深度为10nm～2000nm，所述凹槽(G)的长度为10nm～10μm，所述凹槽(G)的面积占比为1％～99％。
3.根据权利要求2所述的金刚石基氮化镓材料结构，其特征在于，所述凹槽(G)中填充有金刚石材料。
4.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓材料结构，其特征在于，所述缓冲层(2)包括氮化镓、铝镓氮或氮化铝，厚度为100～5000nm。
5.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓材料结构，其特征在于，所述沟道层(3)为氮化镓，厚度为10～1000nm。
6.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓材料结构，其特征在于，所述复合势垒层(4)包括隔离层(41)和核心势垒层(42)，其中，
所述隔离层(41)位于所述沟道层(3)的上表面；
所述核心势垒层(42)位于所述隔离层(41)的上表面。
7.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓材料结构，其特征在于，所述复合势垒层(4)包括核心势垒层(42)和帽层(43)，其中，
所述核心势垒层(42)位于所述沟道层(3)的上表面；
所述帽层(43)位于所述核心势垒层(42)的上表面。
8.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓材料结构，其特征在于，所述复合势垒层(4)包括隔离层(41)、核心势垒层(42)和帽层(43)，其中，
所述隔离层(41)位于所述沟道层(3)的上表面；
所述核心势垒层(42)位于所述隔离层(41)的上表面；
所述帽层(43)位于所述核心势垒层(42)的上表面。
9.根据权利要求6～8任一项所述的金刚石基氮化镓材料结构，其特征在于，所述核心势垒层(42)为铝镓氮，其中，铝的组分为0.2～0.4，厚度为10～30nm；
或者所述核心势垒层(42)为铟铝氮，其中，铟的组分为0.1～0.2，厚度为5～30nm；
或者所述核心势垒层(42)为氮化铝，厚度为2～10nm。
10.一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构的制备方法，其特征在于，包括：
获取一定晶向硅衬底基片作为初始衬底；
在所述初始衬底上依次制备成核层和过渡层；
在所述过渡层上依次制备缓冲层、沟道层以及复合势垒层；
将整个样品翻转，并采用晶圆键合技术在所述复合势垒层下面制备过渡衬底；
去除所述初始衬底、所述成核层以及所述过渡层，以露出所述缓冲层；
对所述缓冲层表面进行刻蚀以形成图案化表面；
在所述缓冲层的图案化表面上淀积金刚石材料以形成金刚石衬底层；
去除所述过渡衬底，以完成金刚石基氮化镓材料结构的制备。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010457660.8A CN111785610A (zh) | 2020-05-26 | 2020-05-26 | 一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010457660.8A CN111785610A (zh) | 2020-05-26 | 2020-05-26 | 一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111785610A true CN111785610A (zh) | 2020-10-16 |
Family
ID=72754246
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010457660.8A Pending CN111785610A (zh) | 2020-05-26 | 2020-05-26 | 一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111785610A (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112466942A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-03-09 | 西安电子科技大学 | 具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT及制备方法 |
| CN112509996A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-03-16 | 浙江工商大学 | GaN器件结构及制备方法 |
| CN113097163A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-09 | 深圳大学 | 一种半导体hemt器件及其制造方法 |
| CN113224226A (zh) * | 2021-04-26 | 2021-08-06 | 安徽三安光电有限公司 | 一种发光二极管及其制作方法 |
| CN113889411A (zh) * | 2021-09-14 | 2022-01-04 | 北京科技大学 | 一种带金刚石微柱阵列的金刚石基GaN材料制备方法 |
| CN113981444A (zh) * | 2021-10-18 | 2022-01-28 | 北京大学东莞光电研究院 | 薄层器件及其制备方法 |
| CN114121656A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-01 | 西安电子科技大学芜湖研究院 | 一种基于硅衬底的新型hemt器件的制备方法及器件 |
| CN115424928A (zh) * | 2022-09-20 | 2022-12-02 | 上海新微半导体有限公司 | 金刚石基外延结构及其制备方法、半导体器件的制备方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103117304A (zh) * | 2013-02-20 | 2013-05-22 | 中国科学院半导体研究所 | 具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构及制作方法 |
| US20130248879A1 (en) * | 2012-03-20 | 2013-09-26 | Northrop Grumman Systems Corporation | Direct growth of diamond in backside vias for gan hemt devices |
| CN103594508A (zh) * | 2013-11-26 | 2014-02-19 | 电子科技大学 | 一种栅单场板的氮化镓高电子迁移率晶体管 |
| US20150056763A1 (en) * | 2013-08-22 | 2015-02-26 | Karl D. Hobart | Selective deposition of diamond in thermal vias |
| CN104409499A (zh) * | 2014-12-15 | 2015-03-11 | 苏州捷芯威半导体有限公司 | 半导体外延结构、半导体器件及其制造方法 |
| CN105140281A (zh) * | 2015-05-27 | 2015-12-09 | 苏州能讯高能半导体有限公司 | 一种半导体器件及其制造方法 |
| CN105280725A (zh) * | 2015-04-17 | 2016-01-27 | 苏州捷芯威半导体有限公司 | 一种氮化镓二极管及其制作方法 |
| CN110164766A (zh) * | 2019-04-23 | 2019-08-23 | 西安电子科技大学 | 一种基于金刚石衬底的氮化镓器件及其制备方法 |
| CN209312750U (zh) * | 2018-12-28 | 2019-08-27 | 北京大学东莞光电研究院 | 一种氮化镓与金刚石膜的复合散热结构 |
-
2020
- 2020-05-26 CN CN202010457660.8A patent/CN111785610A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130248879A1 (en) * | 2012-03-20 | 2013-09-26 | Northrop Grumman Systems Corporation | Direct growth of diamond in backside vias for gan hemt devices |
| CN103117304A (zh) * | 2013-02-20 | 2013-05-22 | 中国科学院半导体研究所 | 具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构及制作方法 |
| US20150056763A1 (en) * | 2013-08-22 | 2015-02-26 | Karl D. Hobart | Selective deposition of diamond in thermal vias |
| CN103594508A (zh) * | 2013-11-26 | 2014-02-19 | 电子科技大学 | 一种栅单场板的氮化镓高电子迁移率晶体管 |
| CN104409499A (zh) * | 2014-12-15 | 2015-03-11 | 苏州捷芯威半导体有限公司 | 半导体外延结构、半导体器件及其制造方法 |
| CN105280725A (zh) * | 2015-04-17 | 2016-01-27 | 苏州捷芯威半导体有限公司 | 一种氮化镓二极管及其制作方法 |
| CN105140281A (zh) * | 2015-05-27 | 2015-12-09 | 苏州能讯高能半导体有限公司 | 一种半导体器件及其制造方法 |
| CN209312750U (zh) * | 2018-12-28 | 2019-08-27 | 北京大学东莞光电研究院 | 一种氮化镓与金刚石膜的复合散热结构 |
| CN110164766A (zh) * | 2019-04-23 | 2019-08-23 | 西安电子科技大学 | 一种基于金刚石衬底的氮化镓器件及其制备方法 |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112466942A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-03-09 | 西安电子科技大学 | 具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT及制备方法 |
| CN112466942B (zh) * | 2020-12-01 | 2022-06-07 | 西安电子科技大学 | 具有插指型金刚石散热层的GaN HEMT及制备方法 |
| CN112509996A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-03-16 | 浙江工商大学 | GaN器件结构及制备方法 |
| CN113097163A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-09 | 深圳大学 | 一种半导体hemt器件及其制造方法 |
| CN113224226A (zh) * | 2021-04-26 | 2021-08-06 | 安徽三安光电有限公司 | 一种发光二极管及其制作方法 |
| CN113889411A (zh) * | 2021-09-14 | 2022-01-04 | 北京科技大学 | 一种带金刚石微柱阵列的金刚石基GaN材料制备方法 |
| CN113889411B (zh) * | 2021-09-14 | 2023-11-14 | 北京科技大学 | 一种带金刚石微柱阵列的金刚石基GaN材料制备方法 |
| CN113981444A (zh) * | 2021-10-18 | 2022-01-28 | 北京大学东莞光电研究院 | 薄层器件及其制备方法 |
| CN114121656A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-01 | 西安电子科技大学芜湖研究院 | 一种基于硅衬底的新型hemt器件的制备方法及器件 |
| CN114121656B (zh) * | 2021-11-23 | 2023-08-25 | 西安电子科技大学芜湖研究院 | 一种基于硅衬底的新型hemt器件的制备方法及器件 |
| CN115424928A (zh) * | 2022-09-20 | 2022-12-02 | 上海新微半导体有限公司 | 金刚石基外延结构及其制备方法、半导体器件的制备方法 |
| CN115424928B (zh) * | 2022-09-20 | 2023-12-29 | 上海新微半导体有限公司 | 金刚石基外延结构及其制备方法、半导体器件的制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111785610A (zh) | 一种散热增强的金刚石基氮化镓材料结构及其制备方法 | |
| US10236178B2 (en) | Gallium nitride nanowire based electronics | |
| US8835988B2 (en) | Hybrid monolithic integration | |
| CN101599428B (zh) | 碳化硅半导体衬底及其制造方法 | |
| CN101981677B (zh) | 半导体元件用外延基板、半导体元件及半导体元件用外延基板的制作方法 | |
| CN101946307B (zh) | 半导体基板、半导体基板的制造方法及电子装置 | |
| US8338833B2 (en) | Method of producing silicon carbide semiconductor substrate, silicon carbide semiconductor substrate obtained thereby and silicon carbide semiconductor using the same | |
| JP7092051B2 (ja) | 電界効果トランジスタの作製方法 | |
| CN112542508B (zh) | ScAlN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法 | |
| CN101266999A (zh) | 氮化镓基双异质结场效应晶体管结构及制作方法 | |
| CN115360236A (zh) | 一种具有高阻缓冲层的GaN HEMT器件及其制备方法 | |
| CN113314597B (zh) | 一种氮极性面氮化镓高电子迁移率晶体管及其制作方法 | |
| CN112216739B (zh) | 低热阻硅基氮化镓微波毫米波器件材料结构及制备方法 | |
| EP4187576A1 (en) | Heteroepitaxial structure with a diamond heat sink | |
| CN117080183B (zh) | 一种金刚石-单晶AlN-GaN/AlGaN复合晶圆及其制备方法和应用 | |
| CN111863945A (zh) | 一种高阻氮化镓及其异质结构的制备方法 | |
| CN111081762B (zh) | 一种hemt器件的外延结构 | |
| CN111063736A (zh) | 一种高质量的hemt器件外延结构 | |
| US20230010039A1 (en) | Semiconductor Structure | |
| RU2802796C1 (ru) | Гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом для полупроводниковых приборов и способ ее изготовления | |
| CN115881777A (zh) | 一种半导体器件及其制备方法 | |
| CN112133748A (zh) | 一种大尺寸Si衬底的HEMT器件及其制备方法 | |
| CN117613081A (zh) | 基于异质结构的n型金刚石hemt器件及其制备方法 | |
| CN114141622A (zh) | 一种gaafet氮化镓场效应晶体管的制备方法 | |
| CN118658859A (zh) | 一种sbdfet器件及其制备方法 |
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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201016 |