CN115188809A - 一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结及其制备方法，该异质结包括：具有若干凹槽的金刚石衬底、位于凹槽内的AlN层以及位于金刚石衬底表面的GaN外延层和AlN外延层。本发明提供的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结采用多槽式的金刚石衬底作为散热材料，极大地增加了器件的散热能力，提高了器件性能；且金刚石衬底化学性质稳定，有利于提高器件的工作寿命。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结及其制备方法。
背景技术
随着微电子技术的发展，以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料由于具有稳定的化学性质以及耐高温和抗辐射等物理性质而被广泛用于制备微波功率器件。随着GaN微波功率器件的设计和工艺不断提高和改进，其理论输出功率越来越高，频率越来越大，体积越来越小。与此同时，芯片有源区的热量不断积累，从而使得器件散热成为阻碍GaN基功率器件发展的主要问题之一。
传统的GaN基功率器件主要在蓝宝石、SiC等衬底材料上生长，这些材料的热导率都比较低，无法及时将器件产生的大量热量散发出去，从而导致器件结温上升，输出功率密度以及效率等性能迅速恶化。此外，在汽车发动机和航天器等领域，在极高功率和高温环境下，使用蓝宝石和SiC等衬底制备的器件性能受到很大限制。
近年来，金刚石材料由于具有击穿电场强、热导率高等优异的物理和化学特性，作为制备高性能电子器件的优选材料而受到广泛关注。在金刚石与GaN结合方面，目前主要有以下几种方式，一是在GaN外延层背面直接生长金刚石的衬底转移技术；二是采用低温键合技术；三是在单晶金刚石上外延GaN技术。
然而，在GaN外延层背面直接生长金刚石存在晶圆应力大、界面热阻高等技术难点，从而导致金刚石器件散热性能较差，影响器件性能；而低温键合技术中存在大尺寸金刚石衬底的高精度加工和界面结合强度较差的问题；此外，单晶金刚石外延GaN技术受到单晶金刚石尺寸小、成本高的限制，进而限制了GaN基微波功率器件的发展和大规模应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结，包括：具有若干凹槽的金刚石衬底、位于所述凹槽内的AlN层以及位于所述金刚石衬底表面的GaN外延层和AlN外延层。
在本发明的一个实施例中，所述凹槽的截面形状为U型。
在本发明的一个实施例中，单个凹槽的面积为1-4mm2，深度为1-3um。
在本发明的一个实施例中，所述凹槽内的AlN层上还设有GaN层。
在本发明的一个实施例中，所述GaN层包括LT-GaN层以及HT-GaN层，且所述AlN层、所述LT-GaN层以及所述HT-GaN层的厚度之和与所述凹槽的深度相同。
在本发明的一个实施例中，所述AlN层的厚度为20-50nm。
在本发明的一个实施例中，所述LT-GaN层的厚度为500-1000nm，所述HT-GaN层的厚度为500-2000nm。
在本发明的一个实施例中，所述GaN外延层的厚度为100-200nm，所述AlN外延层的厚度为200-300nm。
本发明的另一个实施例还提供了一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的制备方法，包括以下步骤：
对金刚石衬底进行切割，以在其表面形成若干凹槽；
采用磁控溅射工艺在所述凹槽内生长AlN层；
在所述金刚石衬底表面依次生长GaN外延层和AlN外延层，以形成多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结。
在本发明的一个实施例中，在采用磁控溅射工艺在所述凹槽内生长AlN层之后，还包括：
采用MOCVD工艺在所述AlN层上依次生长LT-GaN层和HT-GaN层；其中，所述AlN层、所述LT-GaN层以及所述HT-GaN层的厚度之和与所述凹槽的深度相同。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结采用多槽式的金刚石衬底作为散热材料，极大地增加了器件的散热能力，提高了器件性能；且金刚石衬底化学性质稳定，有利于提高器件的工作寿命；
2、本发明通过在金刚石衬底的凹槽内引入了LT-GaN层和HT-GaN层，缓解了后续生长过程中产生的应力，提高了外延层的晶体质量，进而极大地提升了器件性能；
3、本发明采用磁控溅射工艺生长AlN层，解决了金刚石衬底与GaN之间难以结合的问题，增加了结合强度；
4、本发明采用多晶金刚石作为衬底材料，相比单晶金刚石具有较低的成本和较高的导热性，能够更好地引入半导体功率器件的结构中，显著提升器件的散热能力和工作稳定性，适用于GaN基微波功率器件的大规模应用。
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多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的制备方法流程图；
图4a-4i是本发明实施例提供的制备多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的工艺过程示意图。
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是本发明实施例提供的一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的结构示意图，包括：具有若干凹槽的金刚石衬底1、位于凹槽内的AlN层2以及位于金刚石衬底1表面的GaN外延层3和AlN外延层4。
具体地，本实施例采用多晶金刚石材料作为衬底材料，且在其上设置2个或2个以上的凹槽，并通过磁控溅射到工艺在凹槽内形成AlN层，又称磁控溅射AlN层。其中，凹槽的截面形状为U型，单个凹槽的面积为1-4mm2，深度为1-3um。
本实施例采用多槽式的金刚石衬底作为散热材料，极大地增加了器件的散热能力，提高了器件性能；同时采用磁控溅射工艺生长AlN层，解决了金刚石衬底与GaN之间难以结合的问题，增加了结合强度。
此外，本实施例优选多晶金刚石作为衬底材料，相比传统的单晶金刚石，多晶金刚石具有较低的成本和较高的导热性，能够更好地引入半导体功率器件的结构中，显著提升器件的散热能力和工作稳定性；同时，金刚石衬底化学性质稳定，有利于提高器件的工作寿命，适用于GaN基微波功率器件的大规模应用。
进一步地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的另一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的结构示意图，其中，在凹槽内的AlN层2上还设有GaN层5。
更进一步的，本实施例将GaN层5设置成包括LT-GaN层51以及HT-GaN层52的多层结构，其中，LT-GaN层51为低温GaN层，HT-GaN层52为高温GaN层，且LT-GaN层51以及HT-GaN层52的厚度之和与凹槽的深度相同，也即HT-GaN层52的上表面与金刚石衬底1的上表面平齐。
具体地，本实施例可设置AlN层2的厚度为20-50nm，LT-GaN层3的厚度为500-1000nm，HT-GaN层4的厚度为500-2000nm。GaN外延层3的厚度为100-200nm，AlN外延层4的厚度为200-300nm。
本实施例通过在金刚石衬底的凹槽内引入了LT-GaN层和HT-GaN层，缓解了后续生长过程中产生的应力，提高了外延层的晶体质量，进而极大地提升了器件性能。
实施例二
在上述实施例一的基础上，本实施提供了一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的制备方法。请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的制备方法流程图，具体包括：
S1：对金刚石衬底进行切割，以在其表面形成若干凹槽。
首先，采用激光高能烧蚀在高导热金刚石衬底上进行切割，形成多个U型的凹槽。
然后，对凹槽内壁的研磨、抛光、清洗，以去除残留金刚石粉。
最后，采用氢等离子体刻蚀的方法来去除切割金刚石产生的石墨，并进一步采用空气中氧化的方法，去除金刚石表面的氢终端。
S2：采用磁控溅射工艺在凹槽内生长AlN层。
具体地，本实施例采用标准磁控溅射工艺在多个的凹槽底部溅射生长厚度为20-50nm的AlN层。
进一步地，在生长完AlN层之后，还包括：
采用MOCVD工艺在AlN层上依次生长LT-GaN层和HT-GaN层；其中，AlN层、LT-GaN层以及HT-GaN层的厚度之和与与凹槽的深度相同。
S3：在金刚石衬底表面依次生长GaN外延层和AlN外延层，以形成多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结。
具体地，本实施例采用MOCVD工艺在金刚石衬底表面生长厚度为100-200nm的GaN层；并进一步采用MOCVD工艺在GaN外延层上生长厚度为200-300nm的AlN层，以完成多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的制备。
实施例三
下面以制备磁控溅射AlN层厚度为20nm，LT-GaN层厚度为500nm，HT-GaN层厚度为1000nm，GaN外延层厚度为100nm，AlN外延层厚度为200nm的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结为例，对本发明的制备方法进行详细说明。
请参见图4a-4i，图4a-4i是本发明实施例提供的制备多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的工艺过程示意图。
步骤一：制作多槽式金刚石
设置电流为60A，脉宽为300us，频率为200Hz，切割速度200mm/min，切割时间为7分钟。利用激光高能烧蚀在金刚石上进行选区切割，切割出2个面积为2mm2，切割深度为1.4um的凹槽，如图4a所示。
步骤二：凹槽内壁的研磨、抛光、清洗
对激光高能烧蚀的金刚石凹槽的内壁进行研磨后抛光，直至金刚石凹槽内壁的粗糙度低于1.5nm后，依次使用丙酮、酒精、去离子水对抛光金刚石膜进行超声清洗，超声波功率为200瓦，清洗30min后吹干，如图4b所示。
步骤三：去除石墨和氢终端
3a)采用氢等离子体刻蚀的方法来去除切割金刚石产生的石墨，设置H2流量为200sccm，压力5KPa，温度350℃的条件下刻蚀5min，刻蚀后在氢气氛围下冷却至室温，如图4c所示；
3b)采用空气中氧化的方法，去除金刚石表面的氢终端。把凹槽型金刚石放在烘箱中，在220℃的O2氛围下对其进行加热处理，时间为20min。如图4d所示。
步骤四：制作磁控溅射AlN层
取出多槽式金刚石放在磁控溅射台上，设置反应温度为370℃，反应压力为2.0Pa，溅射功率为300W，并以氮化铝为靶材，氮气为溅射气体，采用标准磁控溅射工艺在凹槽底部溅射生长厚度为20nm的AlN，如图4e所示。
步骤五：制作LT-GaN层
将磁控溅射AlN后的样品放入MOCVD设备反应炉中，设置反应室温度为900℃，反应室压力为20Torr，向反应室中同时通入流量为2500sccm的氨气、流量为50sccm的镓源这两种气体，生长厚度为500nm的LT-GaN层，如图4f所示。
步骤六：制作HT-GaN层
设置反应室温度为1100℃，反应室压力为70Torr，向反应室同时通入流量为5000sccm的氨气和流量为80sccm的镓源这两种气体，生长厚度为1000nm的HT-GaN层，如图4g所示。
步骤七：制作GaN外延层
设置反应室温度为1050℃，反应室压力为50Torr，向反应室同时通入流量为5000sccm的氨气和流量为20sccm的镓源这两种气体，生长厚度为100nm的GaN外延层，如图4h所示。
步骤八：制作AlN外延层
设置反应室温度为1100℃，反应室压力为50Torr，向反应室同时通入流量为5000sccm的氨气和流量为190sccm的铝源这两种气体，生长厚度为200nm的AlN外延层，如图4i所示。
至此完成AlN厚度为20nm，LT-GaN层厚度为500nm，HT-GaN层厚度为1000nm，GaN外延层厚度为100nm，AlN外延层厚度为200nm的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的制备。
实施例四
下面以制备磁控溅射AlN层厚度为25nm，LT-GaN层厚度为600nm，HT-GaN层厚度为1500nm，GaN外延层厚度为150nm，AlN外延层厚度为250nm的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结为例，对本发明的制备方法进行详细说明。具体包括以下步骤：
步骤1，制作多槽式金刚石：
设置电流为60A，脉宽300us，频率200Hz，切割速度200mm/min，切割时间为5分钟。利用激光高能烧蚀在金刚石上进行选区切割，切割出2个面积为1mm2，切割深度为1um的凹槽。
步骤2：凹槽内壁的研磨、抛光、清洗
步骤3：去除石墨和氢终端
在本实施例中，步骤2和步骤3的详细过程同上述实施例三中的步骤二和步骤三，在此不再赘述。
步骤4：制作磁控溅射AlN层
取出多槽式金刚石放在磁控溅射台上，设置反应温度为400℃，反应压力为2.0Pa，溅射功率为300W，并以氮化铝为靶材，氮气为溅射气体，采用标准磁控溅射工艺在凹槽底部溅射生长厚度为25nm的AlN。
步骤5：制作LT-GaN层
将磁控溅射AlN后的样品放入MOCVD设备反应炉中，设置反应室温度为850℃，反应室压力为25Torr，向反应室中同时通入流量为2500sccm的氨气、流量为60sccm的镓源这两种气体，生长厚度为600nm的LT-GaN层。
步骤6：制作HT-GaN层
设置反应室温度为1100℃，反应室压力为80Torr，向反应室同时通入流量为5000sccm的氨气和流量为80sccm的镓源这两种气体，生长厚度为1500nm的HT-GaN层。
步骤7：制作GaN外延层
设置反应室温度为1050℃，反应室压力为70Torr，向反应室同时通入流量为5000sccm的氨气和流量为30sccm的镓源这两种气体，生长厚度为150nm的GaN外延层。
步骤8：制作AlN外延层
设置反应室温度为1150℃，反应室压力为50Torr，向反应室同时通入流量为5000sccm的氨气和流量为150sccm的铝源这两种气体，生长厚度为250nm的AlN外延层，完成多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的制备。
实施例五
下面以制备磁控溅射AlN层厚度为30nm，LT-GaN层厚度为800nm，HT-GaN层厚度为2000nm，GaN外延层厚度为200nm，AlN外延层厚度为300nm的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结为例，对本发明的制备方法进行详细说明。具体包括：
步骤A，制作多槽式金刚石：
设置电流为60A，脉宽300us，频率200Hz，切割速度200mm/min，切割时间为10分钟。利用激光高能烧蚀在金刚石上进行选区切割，切割出2个面积为4mm2，切割深度为2um的凹槽。
步骤B，凹槽内壁的研磨、抛光、清洗：
步骤C：去除石墨和氢终端
在本实施例中，步骤B和步骤C的详细过程同上述实施例三中的步骤二和步骤三，在此不再赘述。
步骤D：制作磁控溅射AlN层
取出多槽式金刚石放在磁控溅射台上，设置反应温度为330℃，反应压力为2.0Pa，溅射功率为300W，并以氮化铝为靶材，氮气为溅射气体，采用标准磁控溅射工艺在凹槽底部溅射生长厚度为30nm的AlN。
步骤E：制作LT-GaN层
将磁控溅射AlN后的样品放入MOCVD设备反应炉中，设置反应室温度为800℃，反应室压力为20Torr，向反应室中同时通入流量为2500sccm的氨气、流量为50sccm的镓源这两种气体，生长厚度为800nm的LT-GaN层。
步骤F：制作HT-GaN层
设置反应室温度为1050℃，反应室压力为80Torr，向反应室同时通入流量为5000sccm的氨气和流量为80sccm的镓源这两种气体，生长厚度为2000nm的HT-GaN层。
步骤G：制作GaN外延层
设置反应室温度为1080℃，反应室压力为70Torr，向反应室同时通入流量为5000sccm的氨气和流量为30sccm的镓源这两种气体，生长厚度为200nm的GaN外延层。
步骤H：制作AlN外延层
设置反应室温度为1200℃，反应室压力为50Torr，向反应室同时通入流量为5000sccm的氨气和流量为200sccm的铝源这两种气体，生长厚度为300nm的AlN外延层，完成多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的制备。
需要说明的是，虽然本发明的实施例提供了包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
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)
1.一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结，其特征在于，包括：具有若干凹槽的金刚石衬底(1)、位于所述凹槽内的AlN层(2)以及位于所述金刚石衬底(1)表面的GaN外延层(3)和AlN外延层(4)。
2.根据权利要求1所述的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结，其特征在于，所述凹槽的截面形状为U型。
3.根据权利要求2所述的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结，其特征在于，单个凹槽的面积为1-4mm2，深度为1-3um。
4.根据权利要求1所述的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结，其特征在于，所述凹槽内的AlN层(2)上还设有GaN层(5)。
5.根据权利要求4所述的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结，其特征在于，所述GaN层(5)包括LT-GaN层(51)以及HT-GaN层(52)，且所述AlN层(2)、所述LT-GaN层(51)以及所述HT-GaN层(52)的厚度之和与所述凹槽的深度相同。
6.根据权利要求5所述的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结，其特征在于，所述AlN层(2)的厚度为20-50nm。
7.根据权利要求5所述的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结，其特征在于，所述LT-GaN层(51)的厚度为500-1000nm，所述HT-GaN层(52)的厚度为500-2000nm。
8.根据权利要求1所述的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结，其特征在于，所述GaN外延层(3)的厚度为100-200nm，所述AlN外延层(4)的厚度为200-300nm。
9.一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对金刚石衬底进行切割，以在其表面形成若干凹槽；
采用磁控溅射工艺在所述凹槽内生长AlN层；
在所述金刚石衬底表面依次生长GaN外延层和AlN外延层，以形成多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结。
10.根据权利要求9所述的多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结的制备方法，其特征在于，在采用磁控溅射工艺在所述凹槽内生长AlN层之后，还包括：
采用MOCVD工艺在所述AlN层上依次生长LT-GaN层和HT-GaN层；其中，所述AlN层、所述LT-GaN层以及所述HT-GaN层的厚度之和与所述凹槽的深度相同。
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| CN202110362209.2A CN115188809A (zh) | 2021-04-02 | 2021-04-02 | 一种多槽式金刚石衬底环绕的AlN/GaN异质结及其制备方法 |
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