CN112164976A - 高散热的GaN单晶衬底及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体材料技术领域，尤指一种高散热的GaN单晶衬底及其制备方法，该高散热的GaN单晶衬底，包括自上而下依次层叠的GaN单晶层、基底和金刚石层，基底内部贯穿有若干个嵌孔，金刚石层部分延伸嵌入嵌孔并与GaN单晶层接触；其制备方法为在基底上制造出若干个嵌孔，形成嵌孔面；在嵌孔面沉积一层金刚石层；对基底背离嵌孔面的一面进行减薄并外延GaN单晶层，即得高散热的GaN单晶衬底。本发明将GaN单晶材料通过基底的嵌孔与高散热的金刚石材料连通，提高了衬底的散热能力，同时有效释放了异质衬底与GaN外延间的应力产生，解决了大功率高电流密度器件工作时的热量传导以及由此而导致的性能退化与稳定性问题。

Description

高散热的GaN单晶衬底及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，尤指一种高散热的GaN单晶衬底及其制备方法。
背景技术
高质量的GaN单晶衬底材料是制备GaN基蓝绿光激光器与大功率射频微波器件的必需材料。目前，GaN基器件一般采用的衬底为硅、蓝宝石、碳化硅、氮化铝、玻璃或者氮化镓。这些衬底材料的热导率较差，导致高功率大电流器件在工作时热量不断聚集而使结温不断升高，从而导致器件性能退化，使器件的工作稳定性与寿命受到了极大的挑战。
随着半导体器件的小型化与高集成化发展，器件在工作中产生大量的热量。因为这些热量不能及时耗散，散热问题成了第三代半导体材料与器件发展的瓶颈。而金刚石材料是自然界中导热率最高的材料，尤其是多晶金刚石，其热导率已达2000W/m·K。但是，在金刚石上制备GaN单晶材料的技术还在起始摸索阶段，晶体质量还未能达到器件制备的水平。采用键合方式将GaN单晶材料与多晶金刚石膜层强行绑定在一块，技术难度较大，同时，键合工艺条件下其散热特性与GaN单晶材料的晶体质量都受到一定的影响。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种高散热的GaN单晶衬底及其制备方法，其工艺简单，制备成本低，其制备出来的衬底能有效释放多层基底间的应力，提高衬底散热性能，并保证GaN单晶材料的晶体质量，满足工业化的生产制造。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高散热的GaN单晶衬底及其制备方法；
其中，一种高散热的GaN单晶衬底，包括自上而下依次层叠的GaN单晶层、基底和金刚石层，所述基底内部贯穿设有若干个嵌孔，所述金刚石层部分延伸嵌入所述嵌孔并与所述GaN单晶层接触。
作为一种优选方案，所述基底为蓝宝石、硅、碳化硅、玻璃或氮化镓中的任一种。
作为一种优选方案，所述金刚石层为多晶金刚石。
作为一种优选方案，所述嵌孔直径为0.01μm-500μm。
作为一种优选方案，所述嵌孔之间对称排列或非对称排列。
其中，一种高散热的GaN单晶衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在基底的一表面制造出若干个嵌孔，以形成嵌孔面；
步骤二、在基底的嵌孔面上沉积一层金刚石层，所述金刚石层部分延伸嵌入所述嵌孔；
步骤三、对基底背离嵌孔面的一面进行减薄，直至露出带有金刚石层的嵌孔为止；
步骤四、在基底背离嵌孔面的一面外延GaN单晶层，即得高散热的GaN单晶衬底。
作为一种优选方案，所述步骤一中制造嵌孔的方法为机械钻孔、激光标刻、离子喷射或者化学蚀刻中的任一种。
作为一种优选方案，所述步骤三中基底减薄的方法为化学机械研磨抛光、电化学机械研磨抛光或者化学腐蚀中的一种或多种组合方式。
作为一种优选方案，所述步骤四中在基底的第二表面上外延GaN单晶层的方法为MOCVD、HVPE、MBE、PCVD、溅射或者离子注入中的一种或多种组合方式。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的衬底采用三维立体结构，三维立体结构自上而下包括金刚石层、嵌孔填充有金刚石层的基底以及GaN单晶层，将GaN单晶材料通过基底的嵌孔与高散热的金刚石材料连通，可控地将GaN材料与高散热基底形成紧密连接，能有效的提高器件的散热特性；同时，穿孔结构能有效释放异质材料因晶格热失陪而产生的应力，提高晶体的质量，表面小孔结构会诱导GaN横向外延，从而降低位错；
2.本发明的制备方法简单，制备成本低，同时能有效释放多层基底间的应力，提高衬底散热性能，并保证GaN单晶材料的晶体质量，解决了大功率高电流密度器件工作时的热量传导以及由此而导致的性能退化与稳定性问题，满足工业化的生产制造。
附图说明
图1是本发明的高散热的GaN单晶衬底的结构示意图。
图2是本发明的高散热的GaN单晶衬底的制备方法的流程示意框图。
附图标号说明：1-GaN单晶层；2-基底；3-金刚石层；4-嵌孔。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明提供了一种高散热的GaN单晶衬底，包括自上而下依次层叠的GaN单晶层1、基底2和金刚石层3，所述基底2内部贯穿设有若干个嵌孔4，所述金刚石层3部分延伸嵌入所述嵌孔4并与所述GaN单晶层1接触。
本发明的衬底采用三维立体结构，三维立体结构自上而下包括GaN单晶层1、嵌孔4填充有金刚石层3的基底2以及金刚石层3，将GaN单晶材料通过基底2的嵌孔4与高散热的金刚石材料连通，可控地将GaN材料与高散热基底2形成紧密连接，能有效的提高器件的散热特性；同时，穿孔结构能有效释放异质材料因晶格热失陪而产生的应力，提高晶体的质量，表面小孔结构会诱导GaN横向外延，从而降低位错。
进一步地，所述基底2为蓝宝石、硅、碳化硅、玻璃或氮化镓中的任一种；所述基底2的嵌孔4直径为0.01μm-500μm，且嵌孔4之间对称排列或非对称排列；所述金刚石层3为多晶金刚石。
请参阅图2所示，本发明还提供了一种高散热的GaN单晶衬底的制备方法，包括以下步骤：
S10、在基底的一表面制造出若干个嵌孔，以形成嵌孔面；
S20、在基底的嵌孔面上沉积一层金刚石层，所述金刚石层部分延伸嵌入所述嵌孔；
S30、对基底背离嵌孔面的一面进行减薄，直至露出带有金刚石层的嵌孔为止；
S40、在基底背离嵌孔面的一面外延GaN单晶层，即得高散热的GaN单晶衬底。
本发明的制备方法简单，制备成本低，同时能有效释放多层基底间的应力，提高衬底散热性能，并保证GaN单晶材料的晶体质量，解决了大功率高电流密度器件工作时的热量传导以及由此而导致的性能退化与稳定性问题，满足工业化的生产制造。
优选地，在步骤S10中制造嵌孔的方法为机械钻孔、激光标刻、离子喷射或者化学蚀刻中的任一种；而该嵌孔可以贯穿所述基底，也可以不穿透所述基底。
若嵌孔贯穿了所述基底，由于金刚石层在填充嵌孔时会在基底的两面进行沉积，故此时在步骤S30中，需要对基底的金刚石层较薄的一面进行减薄，直至露出带有金刚石层的嵌孔为止；而后续GaN单晶层则在基底减薄的一面进行外延；若嵌孔不穿透所述基底，在步骤S30中，对基底的第二表面进行减薄，直至露出带有金刚石层的嵌孔为止。
优选地，所述步骤S30中基底减薄的方法为化学机械研磨抛光、电化学机械研磨抛光或者化学腐蚀中的一种或多种组合方式。
优选地，所述步骤S40中在基底的第二表面上外延GaN单晶层的方法为MOCVD、HVPE、MBE、PCVD、溅射或者离子注入中的一种或多种组合方式。
下面结合具体实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，需要再次说明的是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
第一实施例
本实施例的制备方法包括如下步骤：
步骤一：选用厚度为640μm的硅衬底为基底，通过激光标刻的方式在硅衬底上制备出若干个直径为20μm、深度为200μm的嵌孔，其中嵌孔之间的间距为1mm；
步骤二：采用MPCVD工艺在硅衬底的嵌孔面制备出厚度为300μm金刚石多晶散热层，其中生长温度为1000度；
步骤三：采用机械研磨抛光方式将硅衬底背离金刚石多晶散热层的一面减薄至180μm，使其露出填充有金刚石多晶散热层的嵌孔，所述硅衬底的表面粗糙度小于0.1nm，以符合MOCVD外延氮化物所需的衬底要求；
步骤四：采用MOCVD技术在硅衬底背离金刚石多晶散热层的一面外延生长厚度为4μm的GaN单晶薄膜；
步骤五：采用HVPE技术在硅衬底的GaN单晶薄膜一面继续外延生长厚度为20μm的GaN单晶膜层，即得高散热的GaN单晶衬底。
第二实施例
本实施例的制备方法包括如下步骤：
步骤一：选用厚度为640μm蓝宝石衬底为基底，通过激光标刻的方式在蓝宝石衬底上制备出若干个直径为20μm、深度为200μm的嵌孔，其中嵌孔之间的间距为1mm；
步骤二：采用MPCVD工艺在蓝宝石衬底的嵌孔面制备出厚度为300μm金刚石多晶散热层，其中生长温度为1000度；
步骤三：采用机械研磨抛光方式将蓝宝石衬底背离金刚石多晶散热层的一面减薄至80μm，使其露出填充有金刚石多晶散热层的嵌孔，所述蓝宝石衬底的表面粗糙度小于0.1nm，以符合MOCVD外延氮化物所需的衬底要求；
步骤四：采用PVD技术在蓝宝石衬底背离金刚石多晶散热层的一面外延生长一层AlN缓冲层；
步骤五：采用HVPE技术在蓝宝石衬底的AlN缓冲层一面上外延生长厚度为30μm的GaN单晶膜层，即得高散热的GaN单晶衬底。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高散热的GaN单晶衬底，包括自上而下依次层叠的GaN单晶层、基底和金刚石层，其特征在于：所述基底内部贯穿设有若干个嵌孔，所述金刚石层部分延伸嵌入所述嵌孔并与所述GaN单晶层接触。
2.根据权利要求1所述的高散热的GaN单晶衬底，其特征在于：所述基底为蓝宝石、硅、碳化硅、玻璃或氮化镓中的任一种。
3.根据权利要求1所述的高散热的GaN单晶衬底，其特征在于：所述金刚石层为多晶金刚石。
4.根据权利要求1所述的高散热的GaN单晶衬底，其特征在于：所述嵌孔直径为0.01μm-500μm。
5.根据权利要求1所述的高散热的GaN单晶衬底，其特征在于：所述嵌孔之间对称排列或非对称排列。
6.一种高散热的GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在基底的一表面制造出若干个嵌孔，以形成嵌孔面；
步骤二、在基底的嵌孔面上沉积一层金刚石层，所述金刚石层部分延伸嵌入所述嵌孔；
步骤三、对基底背离嵌孔面的一面进行减薄，直至露出带有金刚石层的嵌孔为止；
步骤四、在基底背离嵌孔面的一面外延GaN单晶层，即得高散热的GaN单晶衬底。
7.根据权利要求6所述的高散热的GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤一中制造嵌孔的方法为机械钻孔、激光标刻、离子喷射或者化学蚀刻中的任一种。
8.根据权利要求6所述的高散热的GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤三中基底减薄的方法为化学机械研磨抛光、电化学机械研磨抛光或者化学腐蚀中的一种或多种组合方式。
9.根据权利要求6所述的高散热的GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤四中在基底的第二表面上外延GaN单晶层的方法为MOCVD、HVPE、MBE、PCVD、溅射或者离子注入中的一种或多种组合方式。
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