CN115863399A - 一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法及其器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法及其器件，包括：在硅衬底上生长第一GaN层；转移单层或双层石墨烯薄膜至所述第一GaN层上；在所述石墨烯薄膜上依次生长第二GaN层和AlGaN层；在所述AlGaN层上涂敷柔性胶；通过所述柔性胶将所述第二GaN层与第一GaN层从石墨烯薄膜处分开；将分开后的第二GaN层转移到金刚石衬底上；去除所述柔性胶并在AlGaN层上制造源极、漏极和栅极，得到GaN HEMT功率器件。本发明可直接在金刚石衬底上键合GaN层，成本低，工艺简单，而且GaN层厚度可以控制，通过选择更薄的GaN层，可以更好的传导热量，提高器件功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法及其器件。
背景技术
GaN 禁带宽度大，载流子迁移率高，基于GaN材料制造的HEMT器件（High ElectronMobility Transistor）具有耐压高、工作频率高，且可以高温工作的特点。但是，随着GaN基微波功率器件功率的提高和器件尺寸的缩小，散热问题成为制约其可靠工作的重要因素，因此需要增强其散热能力。传统的散热方法是在器件正面或者背面沉积或者键合具有高热导率的材料。在目前所知的天然材料中，金刚石具有最高的热导率（800W/m.K ~1800W/m.K)，是应用于GaN基高功率器件的优异导热材料。
因为硅和GaN晶格失配较大，不能直接在硅衬底上直接生长GaN，因此，目前使用金刚石进行散热的主流方法中提到一种是将原来硅基衬底磨掉，然后利用中间键合层将GaN层与金刚石衬底键合，另一种是在器件表面通过化学器件沉积的方式生长金刚石，但由于GaN薄膜本身是在硅衬底上外延，因为生长过程中的晶格失配及热失配等原因，GaN具有非常大的翘曲度，当GaN与金刚石衬底键合的时候，往往由于金刚石与GaN翘曲度差异较大等原因导致键合失败，甚至晶圆破裂。
此外，在硅衬底上生长的GaN材料实际从下而上包括 AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、GaN层以及AlGaN应力层，总厚度一般在3um -5um。其中AlN缓冲层和AlGaN缓冲层都是必不可少的，另外GaN层厚度往往在2um -3um，也是具有一定的缓冲作用，在器件应用角度，一定厚度的GaN和顶层的AlGaN应力层是必须的，其他层都没有必要，但是为了获得高质量的GaN层，前述多层缓冲层又是必须的，但GaN材料如果过厚，又不能保证器件良好的导热性。因此，控制GaN材料的厚度保证器件实用性的同时，实现器件的良好导热成为目前HEMT器件工艺的研究难点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中金刚石与GaN键合困难以及键合后GaN层厚度难以调控的问题，提供了一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法及其器件。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
在第一方案中，提供一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，所述方法包括以下步骤：
S1、在硅衬底上生长第一GaN层；
S2、转移单层或双层石墨烯薄膜至所述第一GaN层上；
S3、在所述石墨烯薄膜上依次生长第二GaN层和AlGaN层；
S4、在所述AlGaN层上涂敷柔性胶；
S5、通过所述柔性胶将所述第二GaN层与第一GaN层从石墨烯薄膜处分开；
S6、将分开后的第二GaN层转移到金刚石衬底上；
S7、去除所述柔性胶并在AlGaN层上制造源极、漏极和栅极，得到GaN HEMT功率器件。
作为一优选项，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，将所述第二GaN层和AlGaN层的总厚度制作为微米量级。
作为一优选项，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，所述柔性胶为PDMS柔性胶。
作为一优选项，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，所述第二GaN层的厚度为100nm-2000nm。
作为一优选项，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，所述步骤S5和步骤S6之间还包括：
通过等离子刻蚀工艺去除第二GaN层上的石墨烯薄膜。
作为一优选项，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，所述等离子刻蚀为氧等离子刻蚀。
作为一优选项，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，在所述步骤S3中控制需要生长的第二GaN层厚度。
作为一优选项，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，所述步骤S5中分开后的第一GaN层用于重复转移石墨烯薄膜。
在第二方案中，提供一种在金刚石衬底上键合GaN层的器件，所述器件包括从下至上依次连接的金刚石衬底、石墨烯薄膜、第二GaN层以及AlGaN层，所述AlGaN层上分别设有源极、漏极和栅极。
作为一优选项，一种在金刚石衬底上键合GaN层的器件，所述第二GaN层和AlGaN层的总厚度为1um。
需要进一步说明的是，上述各选项对应的技术特征在不冲突的情况下可以相互组合或替换构成新的技术方案。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
（1）本发明首先在硅衬底上外延获得第一GaN层，然后转移单层石墨烯，石墨烯的好处是非常薄，在石墨烯之上就可以继续生长第二GaN层，能够保证晶体质量与石墨烯之下的第一GaN层保持一致，此过程中，可以控制需要生长的第二GaN层的厚度，通过选择更薄的GaN层，可以更好的传导热量，提高器件功率密度，而且需要的GaN层不用与硅衬底键合，没有晶格失配及热失配等带来的翘曲度；
第二GaN层生长完成后，通过在表面贴敷一个柔性薄膜，就可以从石墨烯处将外延的GaN/AlGaN薄膜撕下来。撕下来的GaN/AlGaN是真正制造器件需要的材料，直接转移到金刚石上，因为第二GaN层和AlGaN层形成的薄膜非常薄，只有1um量级，不但具有较好的导热性，而且具有较好的柔性，可以很好的贴敷在金刚石衬底上，解决了键合困难的问题，同时保证器件的质量以及良好的散热性。
（2）在一个示例中，步骤S5中分开后的第一GaN层可以继续再转移一层石墨烯，继续反复使用。
附图说明
图1为本发明实施例示出的一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法流程图；
图2为本发明实施例示出的在硅衬底上生长第一GaN层3的示意图；
图3为本发明实施例示出的转移石墨烯薄膜至所述第一GaN层上的示意图；
图4为本发明实施例示出的在所述石墨烯薄膜上依次生长第二GaN层和AlGaN层的示意图；
图5为本发明实施例示出的在所述AlGaN层上涂敷柔性胶的示意图；
图6为本发明实施例示出的通过所述柔性胶将所述第二GaN层与第一GaN层从石墨烯薄膜处分开的示意图；
图7为本发明实施例示出的将分开后的第二GaN层转移到金刚石衬底上的示意图；
图8为本发明实施例示出的去除所述柔性胶并在AlGaN层上制造源极、漏极和栅极，得到GaN HEMT功率器件的示意图；
图9为本发明实施例示出的一种在金刚石衬底上键合GaN层的器件的结构示意图。
图中标号：1、硅衬底；2、缓冲层；3、第一GaN层；4、石墨烯薄膜；5、第二GaN层；6、AlGaN层；7、柔性胶；8、金刚石衬底；9、源极；10、漏极；11、栅极；12、栅介质。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动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。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在一示例性实施例中，提供一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1、在硅衬底1上生长第一GaN层3；
S2、转移单层或双层石墨烯薄膜4至所述第一GaN层3上；
S3、在所述石墨烯薄膜4上依次生长第二GaN层5和AlGaN层6；
S4、在所述AlGaN层6上涂敷柔性胶7；
S5、通过所述柔性胶7将所述第二GaN层5与第一GaN层3从石墨烯薄膜4处分开；
S6、将分开后的第二GaN层5转移到金刚石衬底8上；
S7、去除所述柔性胶7并在AlGaN层6上制造源极9、漏极10和栅极11，得到GaN HEMT功率器件。
具体地，参照图2，首先在硅衬底1上生长第一GaN层3，在生长第一GaN层3之前先在硅衬底1上制造一个缓冲层2。参照图3，转移石墨烯薄膜4至所述第一GaN层3上，其中，石墨烯薄膜4为单层或双层，只有这样，才能保证在其上生长的第二GaN层5具有与第一GaN层3一致的晶格结构。参照图4，在石墨烯薄膜4上继续生长AlGaN/GaN层，AlGaN/GaN层包括第二GaN层5和AlGaN层6，其中，可控制AlGaN/GaN层以便后续制造器件。参照图5-图6，在所述AlGaN层6上涂敷柔性胶7，并通过所述柔性胶7将所述第二GaN层5与第一GaN层3从石墨烯薄膜4处分开，此时，由于柔性胶7的粘性大于GaN和石墨烯之间的键合力，柔性胶7将上层的第二GaN层5和下层的第一GaN层3分开，此时石墨烯可能停留在上层，也可能停留在下层，或者部分在上层，部分在下层。
进一步地，参照图7，将分开后的第二GaN层5转移到金刚石衬底8上，由于石墨烯非常薄而且是热的极其优良导体，带有全部或者部分石墨烯不影响键合和导热。参照图8，去除所述柔性胶7并在AlGaN层6上制造源极9、漏极10和栅极11，得到GaN HEMT功率器件。
本发明首先在硅衬底上外延获得第一GaN层，然后转移石墨烯薄膜4，石墨烯薄膜4的好处是非常薄，在石墨烯薄膜4之上就可以继续生长第二GaN层5，能够保证晶体质量与石墨烯薄膜4之下的第一GaN层3保持一致，此过程中，可以控制需要生长的第二GaN层5的厚度，通过选择更薄的GaN层，可以更好的传导热量，提高器件功率密度，而且需要的GaN层不用与硅衬底1键合，没有晶格失配及热失配等带来的翘曲度；
第二GaN层5生长完成后，通过在表面贴敷一个柔性薄膜，就可以从石墨烯处将外延的GaN/AlGaN薄膜撕下来。撕下来的GaN/AlGaN是真正制造器件需要的材料，直接转移到金刚石上，因为第二GaN层5和AlGaN层6形成的薄膜非常薄，只有1um量级，不但具有较好的导热性，而且具有较好的柔性，可以很好的贴敷在金刚石衬底上，解决了键合困难的问题，同时保证器件的质量以及良好的散热性。
在一个示例中，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，将所述第二GaN层5和AlGaN层6的总厚度制作为微米量级。
在一个示例中，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，所述柔性胶7为PDMS柔性胶或其他柔性胶。
在一个示例中，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，所述第二GaN层5的厚度为100nm-2000nm。
在一个示例中，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，所述步骤S5和步骤S6之间还包括：
通过等离子刻蚀工艺去除第二GaN层5上的石墨烯薄膜4，保证石墨烯去除干净。
在一个示例中，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，所述等离子刻蚀为氧等离子刻蚀或其他可行的等离子刻蚀工艺。
在一个示例中，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，在所述步骤S3中控制需要生长的第二GaN层5厚度。
在一个示例中，一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，所述步骤S5中分开后的第一GaN层3用于重复转移石墨烯薄膜，反复使用，节省成本和工艺。
在另一示例性实施例中，提供一种在金刚石衬底上键合GaN层的器件，此时，石墨烯可能停留在了上层，参照图9，所述器件包括从下至上依次连接的金刚石衬底8、石墨烯薄膜4、第二GaN层5以及AlGaN层6，所述AlGaN层6上分别设有源极9、漏极10和栅极11，其中，所述栅极11设置在栅介质12上。
在一个示例中，一种在金刚石衬底上键合GaN层的器件，所述第二GaN层5和AlGaN层6的总厚度为1um。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，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和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、在硅衬底上生长第一GaN层；
S2、转移单层或双层石墨烯薄膜至所述第一GaN层上；
S3、在所述石墨烯薄膜上依次生长第二GaN层和AlGaN层；
S4、在所述AlGaN层上涂敷柔性胶；
S5、通过所述柔性胶将所述第二GaN层与第一GaN层从石墨烯薄膜处分开；
S6、将分开后的第二GaN层转移到金刚石衬底上；
S7、去除所述柔性胶并在AlGaN层上制造源极、漏极和栅极，得到GaN HEMT功率器件。
2.根据权利要求1所述的一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，其特征在于，将所述第二GaN层和AlGaN层的总厚度制作为微米量级。
3.根据权利要求1所述的一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，其特征在于，所述柔性胶为PDMS柔性胶。
4.根据权利要求1所述的一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，其特征在于，所述第二GaN层的厚度为100nm-2000nm。
5.根据权利要求1所述的一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，其特征在于，所述步骤S5和步骤S6之间还包括：
通过等离子刻蚀工艺去除第二GaN层上的石墨烯薄膜。
6.根据权利要求5所述的一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，其特征在于，所述等离子刻蚀为氧等离子刻蚀。
7.根据权利要求1所述的一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，其特征在于，在所述步骤S3中控制需要生长的第二GaN层厚度。
8.根据权利要求1所述的一种在金刚石衬底上键合GaN层的方法，其特征在于，所述步骤S5中分开后的第一GaN层用于重复转移石墨烯薄膜。
9.一种在金刚石衬底上键合GaN层的器件，其特征在于，所述器件包括从下至上依次连接的金刚石衬底、石墨烯薄膜、第二GaN层以及AlGaN层，所述AlGaN层上分别设有源极、漏极和栅极。
10.根据权利要求9所述的一种在金刚石衬底上键合GaN层的器件，其特征在于，所述第二GaN层和AlGaN层的总厚度为1um。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| 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: 20230328 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |