CN115863276A - 一种氮化镓器件散热结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化镓器件散热结构及其制备方法，包括：衬底，自上而下依次形成在衬底上的GaN器件层和过渡层；过渡层和衬底构成一异质结衬底。本发明的过渡层和衬底构成一种异质结衬底，实现GaN器件在高功率运行时所需的高效散热，进而大幅度提升GaN器件的功率密度以及可靠性。

Description

一种氮化镓器件散热结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及新型半导体器件热管理技术研究领域，特别是涉及基于氮化硼(BN)/金刚石异质结衬底的氮化镓(GaN)器件散热结构及其制备方法。

背景技术

金刚石材料具有优异的物理与化学性质，如高弹性模量、高电阻率、高击穿场强、高热导率和化学稳定性好，使它成为一种非常有应用前景的电子器件材料。金刚石的热导率高达20W/(cm·K)，是自然界所有物质中最高的。同时具有极高的绝缘性，成为众多高功率电子器件热沉的良好选择。

对于GaN基器件，例如：GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)具有大带宽、高功率密度、高功率附加效率和高可靠性等优点，是5G通讯和雷达等高频高功率系统应用的核心元器。在国防领城，GaN基器件主要用于有源电子扫描阵列雷达中。GaN基器件具有小体积优势，有利于系统微型化和大功率化。然而，随着功率密度的增加，器件有源区的“自热效应”迅速增加，导致其各项性能指标迅速恶化、寿命减少。因此，散热问题成为制约GaN基器件进一步发展的主要技术瓶颈之一。为解决GaN基器件的散热问题，通常将GaN基器件键合在具有良好热导率的衬底上，目前主流的GaN基器件(例如，GaN射频器件)大多采用碳化硅(SiC)和硅(Si)衬底，相较而言，金刚石衬底具有最高的热导率，可实现可靠的大功率运行所需的最佳散热条件。由于生长大尺寸金刚石衬底的技术难度高和价格成本居高不下，金刚石衬底的GaN基器件的制备仍存在晶圆尺寸小、缺陷密度大、沟道/衬底界面热阻高等问题。

目前基于金刚石衬底的GaN基器件的键合技术主要有两种技术路线，分别是低温键合和GaN外延层生长。低温键合路线的难点在于大尺寸金刚石衬底的高精度加工和较差的界面结合强度。GaN外延层生长可以增强GaN层与金刚石界面的结合强度，但同样具有不耐高温、晶圆应力大、界面热阻高等技术难点。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种氮化镓器件散热结构及其制备方法，实现解决GaN器件在高功率运行时所需的高效散热的问题，具体还可以解决GaN/BN/金刚石异质结界面晶格失配和电-热应力下GaN器件电流退化机理两个科学问题，以开发高电流密度、高可靠性GaN/BN/金刚石异质结材料与器件。

为了解决以上问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种氮化镓器件散热结构，包括：衬底，自上而下依次形成在所述衬底上的GaN器件层和过渡层；所述过渡层和所述衬底构成一异质结衬底。

可选地，所述衬底为单晶或多晶金刚石。

可选地，所述过渡层的材料为氮化硼。

可选地，所述GaN器件层为高电子迁移率晶体管或射频器件。

可选地，所述过渡层的厚度为2nm～20nm。

可选地，所述过渡层的晶相为六方氮化硼和立方氮化硼中的任意一种或其组合。

另一方面，本发明还提供一种氮化镓器件散热结构的制备方法，包括：步骤S1、提供金刚石衬底；步骤S2、采用脉冲激光沉积方法在所述衬底上形成氮化硼过渡层；步骤S3、提供牺牲层，在所述牺牲层上形成GaN器件层；步骤S4、在所述GaN器件层上形成临时载体层；步骤S5、去除所述牺牲层；步骤S6、将所述GaN器件层键合在所述过渡层上；步骤S7、去除所述临时载体层。

可选地，还包括：对牺牲晶圆进行湿法刻蚀。

可选地，所述金刚石衬底的表面粗糙度小于5nm。

可选地，执行所述步骤S6之前，还包括：将GaN器件层的GaN表面以及所述过渡层的表面加工到纳米级粗糙度。

本发明至少具有以下技术效果之一：

本发明提供的一种氮化镓器件散热结构，通过所述衬底和所述过渡层形成异质结衬底，所述异质结衬底可以实现对氮化镓(GaN)器件在高功率运行时所需的高效散热。

当所述衬底为金刚石衬底时，所述过渡层为氮化硼时，两者可以构成氮化硼(BN)/金刚石异质结衬底，该异质结衬底作为氮化镓器件的散热结构可以实现对氮化镓(GaN)器件在高功率运行时所需的高效散热，进而大幅度提升GaN器件的功率密度以及可靠性。具体的，利用脉冲激光沉积技术(PLD)在金刚石衬底上生长BN过渡层，随后利用键合技术将GaN器件层转移到BN/金刚石异质结衬底(也可称为散热结构)上，BN/金刚石异质结衬底结构可发挥BN材料超宽禁带和高热导率的优势，有效缓解GaN和金刚石的界面晶格失配问题，制备的BN/金刚石异质结衬底上GaN器件，实现GaN器件在高功率运行所需的高效散热，进而大幅度提升器件的功率密度以及可靠性。

采用脉冲激光沉积(PLD)方法实现过渡层(BN薄膜)在大尺寸金刚石衬底上的大面积均匀沉积；生长的BN薄膜表面平整、厚度均匀。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的氮化镓器件散热结构的示意图；

图2a～图2g是本发明一实施例的氮化镓器件散热结构制备方法过程中的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种氮化镓器件散热结构及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

如图1所示，本实施例提供的一种氮化镓器件散热结构，包括：衬底100，自上而下依次形成在所述衬底上的GaN器件层300和过渡层200。本实施例的过渡层200和衬底100构成异质结衬底(作为GaN器件的散热结构)实现GaN器件在高功率运行所需的高效散热，进而大幅度提升器件的功率密度以及可靠性。

在本实施例中，所述衬底100的材料可以为单晶或多晶金刚石，但本发明不以此为限，金刚石具有高的热导率，可实现GaN器件大功率可靠运行所需的优异散热条件。

在本实施例中，所述过渡层200的材料为氮化硼(BN)，所述过渡层200的晶相为六方BN和立方BN中的任意一种或其组合。

由此可知，当衬底100为金刚石衬底，所述过渡层200为氮化硼过渡层时，两者构成一种BN/金刚石异质结衬底(作为GaN器件的散热结构)，有效缓解GaN和金刚石的界面晶格失配问题，制备的BN/金刚石异质结衬底上GaN器件，实现GaN器件在高功率运行所需的高效散热，进而大幅度提升器件的功率密度以及可靠性。

在本实施例中，所述GaN器件层为高电子迁移率晶体管或射频器件。

在本实施例中，所述过渡层的厚度为2nm～20nm，通过调控BN薄膜的晶相和厚度，有效解决GaN和金刚石晶格失配与热失配的问题，进而提高键合质量。

如图2a～图2g所示，本实施例还提供一种GaN器件散热结构的制备方法，包括：请继续参考图2a所示，步骤S1、提供衬底100。

选取一定厚度且表面粗糙度小于5纳米的金刚石衬底，采用超声波清洗台对金刚石衬底进行清洗，清洗液为稀盐酸，(水：浓盐酸体积比为10：1)，在室温下超声清洗15分钟，在热氮气烘干槽烘干，烘干时间为20分钟。在本实施例中，金刚石衬底的直径为英寸级的。

请继续参考图2a所示，步骤S2、采用脉冲激光沉积方法在所述衬底100上形成过渡层200。所述过渡层200为氮化硼薄膜。

利用PLD技术在金刚石衬底上均匀生长BN薄膜，通过集成动态激光光栅与复杂光路设计，在传统PLD设备引入激光扫描技术以及多重激光光束技术，提高激光等离子体羽辉的有效沉积面积，实现高质量BN薄膜的生长，所得样品的表面平整、厚度均匀。

所述步骤S2中，利用PLD技术在金刚石衬底上均匀生长BN薄膜，此过渡层200可以作为散热层，通过高热导率的金刚石衬底进行快速散热；利用高能电子反射衍射谱原位监控BN薄膜的生长结晶过程，采用电离氮源保证氮化物薄膜的化学组分，获得预期的物性表现。

请继续参考图2b所示，步骤S3、提供牺牲层400，在所述牺牲层400上形成GaN器件层300；所述牺牲层400为牺牲晶圆。

所述GaN器件层300可以为双沟道AlGaN/GaN异质结；此双沟道AlGaN/GaN异质结的制备过程如下：

准备衬底：将牺牲晶圆浸泡在稀释的盐酸中漂洗30秒，用去离子水清洗，氮气吹干，最后放在烘箱中彻底烘干水分，保证表面清洁干燥。

生长外延层：在牺牲晶圆上生长成核层，并在成核层上生长300纳米未掺杂的GaN层，再在GaN层上依次生长：1纳米的AlN插入层，9纳米的GaN沟道层，1纳米的AlN插入层，以及17纳米的AlGaN势垒层。

制备电极层和帽层：在AlGaN层上沉积金属形成源、漏极电极和栅极电极，再在电极层和AlGaN层上沉积GaN材料作为帽层。

请继续参考图2c所示，步骤S4、在所述GaN器件层300上形成临时载体层500；临时载体层500为临时载体晶片，其粘合在所述临时载体层500上。

请继续参考图2d所示，步骤S5、去除所述牺牲层400；将GaN器件层300的GaN表面以及所述过渡层200的表面加工到纳米级粗糙度。

在本实施例中，去除的方式是湿法化学刻蚀方法，又或是结合多种方法对暴露的GaN表面进行抛光，减少GaN器件层300下表面的粗糙度。

请继续参考图2e所示，步骤S6、将所述GaN器件层300键合在所述过渡层200上。

将所述GaN器件层300的GaN下表面加工到纳米级粗糙度，较小的表面粗糙度有利于GaN器件层300与BN过渡层200的键合工艺。即本步骤中用键合技术将GaN器件层与BN/金刚石异质结进行有效键合。

请继续参考图2f～2g所示，步骤S7、去除所述临时载体层500,获得BN/金刚石异质结衬底上的GaN HEMT器件。

本实施例采用晶圆级GaN外延生长技术，制备较强的界面结合强度、较低的界面热阻的GaN/金刚石界面，是提升金刚石衬底上GaN器件性能的关键。

综上所述，本实施例提供的一种基于BN/金刚石异质结衬底的GaN HEMT器件制备方法，利用PLD技术，在英寸级的金刚石衬底上实现高质量BN薄膜的生长，所得样品的表面平整、厚度均匀；以及实施例所采用双沟道GaN异质结制备HEMT器件，提升电流及功率密度。面向射频器件高电流密度需求，采用AlGaN/GaN/AlN/GaN的多异质结双沟道结构，充分发挥上下沟道载流子的耦合效应，减少载流子的散射，具有提升沟道中载流子的迁移速率并同时提升器件沟道电流密度的优点。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种氮化镓器件散热结构，其特征在于，包括：

衬底，自上而下依次形成在所述衬底上的GaN器件层和过渡层；所述过渡层和所述衬底构成一异质结衬底。

2.如权利要求1所述的氮化镓器件散热结构，其特征在于，所述衬底为单晶或多晶金刚石。

3.如权利要求2所述的氮化镓器件散热结构，其特征在于，所述过渡层为氮化硼。

4.如权利要求1所述的氮化镓器件散热结构，其特征在于，所述GaN器件层为高电子迁移率晶体管或射频器件。

5.如权利要求1所述的氮化镓器件散热结构，其特征在于，所述过渡层的厚度为2nm～20nm。

6.如权利要求3所述的氮化镓器件散热结构，其特征在于，所述过渡层的晶相为六方氮化硼和立方氮化硼中的任意一种或其组合。

7.一种氮化镓器件散热结构的制备方法，其特征在于，包括：

步骤S1、提供金刚石衬底；

步骤S2、采用脉冲激光沉积方法在所述衬底上形成氮化硼过渡层；

步骤S3、提供牺牲层，在所述牺牲层上形成GaN器件层；

步骤S4、在所述GaN器件层上形成临时载体层；

步骤S5、去除所述牺牲层；

步骤S6、将所述GaN器件层键合在所述过渡层上；

步骤S7、去除所述临时载体层。

8.如权利要求7所述的氮化镓器件散热结构的制备方法，其特征在于，还包括：对牺牲晶圆进行湿法刻蚀。

9.如权利要求8所述的氮化镓器件散热结构的制备方法，其特征在于，所述金刚石衬底的表面粗糙度小于5nm。

10.如权利要求9所述的氮化镓器件散热结构的制备方法，其特征在于，执行所述步骤S6之前，还包括：将GaN器件层的GaN表面以及所述过渡层的表面加工到纳米级粗糙度。

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