CN116446041A - GaN与金刚石复合散热结构的膜层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN与金刚石复合散热结构的膜层及其制备方法。本发明的膜层使用渐变浓度的AlNGa‑AlN‑AlNC‑NC复合层作为外延金刚石的缓冲层；使用NC材料作为外延金刚石的前一层。采用本发明的膜层设计方案，能提高散热效率，在不损坏GaN器件的情况下提高25％的GaN有效输出功率。提高金刚石薄膜与GaN器件的结合力，进一步提升成功外延金刚石的可能。保护缓冲层不被氢等离子体刻蚀。
Description
技术领域
本发明涉及GaN外延结构的制备方法领域，具体涉及一种GaN与金刚石复合散热结构的膜层及其制备方法。
背景技术
近年来，基于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(4GHz，～40W/mm)，频率越来越大，体积越来越小。然而，尺寸小型化和功率增大化条件下，GaN基微波功率器件的可靠性和稳定性受到严重挑战，其中最主要原因是GaN基功率器件随着功率密度增加，芯片有源区的热积累效应迅速增加，导致其各项性能指标迅速恶化，使其大功率优势未能充分发挥。
因此，散热问题成为制约GaN基功率器件进一步发展和广泛应用的主要技术瓶颈之一。受传统封装散热技术的限制无法解决这一难题，必须从GaN器件近端结热区着手提升其热传输能力，因此探讨GaN基器件的高效散热课题成为其进一步推进GaN器件发展的重要方向。金刚石因具有超高热导率逐渐成为GaN器件热沉材料的首选。
集成到GaN中的SiC和金刚石等基板可以改善热管理。研究表明，对于相同的功率密度，金刚石上的GaN可以使通道温度较于GaN-on-SiC至少降低40％，这将使器件寿命增加约10倍。
目前在金刚石与GaN HEMT集成用于解决器件散热的研究中，研究较多的技术是：将制备完成的GaN HEMT从原有衬底上剥离下来，转移键合到金刚石衬底上，该技术虽然较为简单成熟，但受限于多晶金刚石加工难度大、粗糙度大的问题，还有直接键合难以实现。目前大多是采用键合层的方法键合，但键合层的热阻也较大。除此之外，直接在GaN基半导体上外延多晶金刚石也是解决金刚石与GaN基半导体材料散热的方法之一；缺点：金刚石生长需要高温、强等离子体，还存在晶格失配及热失配大等问题，使得金刚石与氮化镓基半导体材料的异质集成外延较难实现。
提供一种氮化镓外延结构的制备方法，所述制备方法包括提供一碳化硅衬底，并对所述碳化硅衬底进行预处理；在预处理之后的所述碳化硅衬底上依次生长石墨烯薄膜、金刚石薄膜。缺点：生长金刚石薄膜层时会使用氢气作为载气，H等离子体极易刻蚀石墨，从而使碳化硅与金刚石直接接触，导致生长出来的薄膜质量差，结合力差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供了一种异质外延制备金刚石薄膜的工艺膜层设计方案(含两种子方案)。该膜层包括衬底与缓冲层，其中缓冲层对现有结构进行改进，增强了与金刚石的结合力，提高了缓冲层的质量。
为实现上述目的，本发明提供一种GaN与金刚石复合散热结构的膜层，其特征在于：该膜层包括衬底与缓冲层；
所述衬底为Si基GaN HEMT衬底或者去除Si基的GaN HEMT衬底，作为膜层的最底层，反应前需置于MOCVD仪器中进行清洗；
所述缓冲层由AlNGa层0.3～0.6um(1)，AlN层0.1～0.3um(2)，AlNC层0.35～0.5um(3)，NC层0.7～1um(4)，金刚石层0.5～1um(5)构成；
各层金属化合物浓度设置为渐变浓度，以增强各层与相邻层之间的结合力；
当所述衬底为Si基GaN HEMT衬底时，所述缓冲层生长在衬底正面，此时缓冲层生长初始层为Si基GaN HEMT上表面，SGD层；
当所述衬底为去除Si基的GaN HEMT衬底时，所述缓冲层生长在衬底背面，反应前需置于MOCVD仪器中进行清洗；所述去除Si基的GaN HEMT衬底与缓冲层生长初始层不同，此时所述初始层为GaN HEMT去除硅基衬底后的底面，材质为GaN。
第二方面，本发明提供一种如上述GaN与金刚石复合散热结构的膜层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：清洗Si基GaN HEMT衬底；
S2：通入Al源，N源和Ga源，生成AlNGa层；
S3：通入Al源和N源生成AlN层；
S4：通入Al源、N源与C源，生成AlNC层；
S5：通入N源，C源，生成NC层；
S6：通入C源，生成金刚石层。
所述步骤S1，具体为：
S1.1)取去除Si基GaN HEMT的衬底，使衬底面朝上，至于MOCVD设备中；
S1.2)反应腔室温度设置为1000～1100℃，压力值设置为50～150torr；
S1.3)通入氢气，在氢气气氛下烘烤5～15min，去除衬底表面玷污。
所述步骤S2，具体为：
S2.1)在氨气气氛下将温度设置为1050～1250℃，压力为30～150torr；
S2.2)通入铝源，镓源，氨气，生成AlNGa层。
所述步骤S3，具体为：
S3.1)将反应室温度设置为1000～1350℃，压力设置为5kpa；
S3.2)通入氨气和铝源，生成AlN层。
所述步骤S4，具体为：
S4.1)将反应室温度设置为1100～1250℃，压力设置为30～150torr；
S4.2)通入铝源和甲烷，生成AlNC层。
所述步骤S5，具体为：
S5.1)停止通入铝源，将反应室温度设置为1100～1250℃，压力设置为25～200pa；
S5.2)通入氮源和碳源，生成NC层。
所述步骤S6，具体为：
S6.1)将反应室温度设置为1100～1250℃，压力设置为30～150torr；
S6.2)通入碳源，生成金刚石层。
具体来说，上述方案中：
方案一：其中所述衬底为Si基GaNHEMT衬底，作为膜层的最底层，反应前需置于MOCVD仪器中进行清洗。
其中所述缓冲层由AlNGa层0.3～0.6um(1)，AlN层0.1～0.3um(2)，AlNC层0.35～0.5um(3)，NC层0.7～1um(4)，金刚石层0.5～1um(5)构成。作为优选，各层金属化合物浓度可设置为渐变浓度，以增强各层与相邻层之间的结合力。
本膜层的实现方法为：
S1：清洗Si基GANHEMT衬底；具体步骤为：1)取Si基GANHEMT衬底，至于MOCVD设备中。2)反应腔室温度设置为1000～1100℃，压力值设置为50～150torr。3)通入氢气，在氢气气氛下烘烤5～15min，去除衬底表面玷污。
S2：通入Al源，N源和Ga源，生成AlNGa层；具体步骤为：1)在氨气气氛下将温度设置为1050～1250℃，压力为30～150torr。2)通入铝源，镓源，氨气，生成AlNGa层。
S3：通入Al源和N源生成AlN层；具体步骤为：1)将反应室温度设置为1000～1350℃，压力设置为5kpa。2)通入氨气和铝源，生成AlN层。
S4：通入Al源、N源与C源，生成AlNC层；具体步骤为：1)将反应室温度设置为1100～1250℃，压力设置为30～150torr。2)通入铝源和甲烷，生成AlNC层。
S5：通入N源，C源，生成NC层；具体步骤为：1)停止通入铝源，将反应室温度设置为1100～1250℃，压力设置为25～200pa。2)通入氮源和碳源，生成NC层。
S6：通入C源，生成金刚石层；具体步骤为1)将反应室温度设置为1100～1250℃，压力设置为30～150torr。2)通入碳源，生成金刚石层。
方案二：其中所述衬底为去除Si基的GANHEMT衬底，与方案一不同的是，本方案缓冲层生长在衬底背面，反应前需置于MOCVD仪器中进行清洗。除衬底与缓冲层生长方向不同外，缓冲层结构以及实现方法均与方案一相同，具体过程参考方案一。
附图说明
图1方案一(为Si基GaN HEMT衬底)膜层示意图；
图2方案二(为去除Si基的GaN HEMT衬底)膜层示意图；
图中：1、Si基GaN HEMT衬底；2、SGD；3、AlNGa层；4、AlN缓冲层；5、AlNC层；6、NC层；7、金刚石层；8、去除Si基的GaN HEMT衬底。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明的膜层使用渐变浓度的AlNGa-AlN-AlNC-NC复合层作为外延金刚石的缓冲层；使用NC材料作为外延金刚石的前一层。采用本发明的膜层设计方案，能提高散热效率，在不损坏GaN器件的情况下提高25％的GaN有效输出功率。提高金刚石薄膜与GaN器件的结合力，进一步提升成功外延金刚石的可能。保护缓冲层不被氢等离子体刻蚀。具体优点如下：
1、采用AlN-AlNC-NC复合层作为缓冲层提高金刚石热沉层与GaN器件层之间的结合力，可有效减小金刚石与GaN之间的接触热阻，提高散热效率，在不损坏GaN器件的情况下提高25％的GaN有效输出功率。
2、通过渐变浓度的工艺设计，可提高GaNHEMT器件表面AlNGa-AlN-AlNC-NC缓冲层的膜层质量。进一步提升成功外延金刚石的可能。
3、NC作为一种有缺陷的多孔的材料，在其缺陷处极易发生金刚石原子的形核，且NC结构本身与单层C结构非常类似，所以在NC表面可较容易生长出多晶金刚石热沉层。
4、NC材料非常硬，热膨胀系数较低，且相比石墨被氢等离子体刻蚀的程度小，可以保护AlNGa-AlN-AlNC复合层完整。
5、生长NC材料不需要额外增加有毒有害源气，在现有MOCVD设备上制备较容易实现。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不作为限制本发明的依据。
实施例1：
1、将衬底为Si基GaN HEMT衬底，作为膜层的最底层，反应前需置于MOCVD仪器中进行清洗。反应腔室温度设置为1050℃，压力值设置为70torr，通入1SLM氢气，在氢气气氛下烘烤5～15min，去除衬底表面玷污。
2、在氨气气氛下将温度设置为1200℃，压力为150torr。通入铝源，镓源，氨气，生成AlGaN层0.6um。(AlGaN层在SGD层上面生长具有结合力好的优点，作为过渡层1可以更好的匹配AlN层)
3、将反应室温度设置为1150℃，压力设置为100torr。并通入氨气9SLM和铝源，生成AlN层0.3um。(AlN作为同时含有N和C元素的化合物，可以为厚道工艺提供更好的渐变缓冲层
4、停止通入镓源，将反应室温度设置为1150℃，压力设置为90torr。2)通入铝源和100Sccm甲烷，生成AlNC层0.5um。(在组分浓度渐变缓冲过程中先生长层AlNC层可为再下一道渐变组分浓度生长成NC层提供渐变缓冲)
5、反应后期减少铝源通入，增加碳源通入，使AlNC层碳含量渐变，直至生长出纯NC层，保证NC厚度为0.8um。(渐变浓度直至生成NC层可无限与金刚石的组分浓度，)
6、降低氢气流量为500Sccm，提升甲烷流量为30Sccm，生长0.5um金刚石层。(直至从NC生长成氮掺杂浓度较高的金刚石，直至变为纯金刚石)
实施例2：
1、将衬底为去除Si基GaN HEMT衬底的GaN HEMT背面朝上放入MOCVD反应腔中，作为膜层的最底层，反应腔室温度设置为1050℃，压力值设置为70torr，通入1SLM氢气，在氢气气氛下烘烤5～15min，去除衬底表面玷污。
2、在氨气气氛下将温度设置为1200℃，压力为150torr。通入铝源，镓源，氨气，生成AlNGa层0.6um。
3、将反应室温度设置为1150℃，压力设置为100torr。并通入氨气9SLM和铝源，生成AlN层0.3um。
4、停止通入镓源，将反应室温度设置为1150℃，压力设置为90torr。2)通入铝源和100Sccm甲烷，生成AlNC层0.5um。
5、反应后期减少铝源通入，增加碳源通入，使AlNC层碳含量渐变，直至生长出纯NC层，保证NC厚度为0.8um。
6、降低氢气流量为500Sccm，提升甲烷流量为30Sccm，生长0.5um金刚石层。
综上，不同于现有技术中LED制备AlN缓冲层及其外延方法，使用蓝宝石衬底；本发明核心为使用NC层作为生长金刚石的缓冲层。也不同现有技术中制备Si基外延GaN薄膜的方法，本发明包含使用NC层作为生长金刚石的缓冲层。本发明的核心在于使用NC层作为生长金刚石的缓冲层，该材料对设备要求较高，国内研究较少，所以本发明的核心技术方案是本领域一般技术人员是不容易想得到的。
Claims (8)
1.一种GaN与金刚石复合散热结构的膜层，其特征在于：该膜层包括衬底与缓冲层；
所述衬底为Si基GaN HEMT衬底或者去除Si基的GaN HEMT衬底，作为膜层的最底层，反应前需置于MOCVD仪器中进行清洗；
所述缓冲层由AlNGa层0.3～0.6um(1)，AlN层0.1～0.3um(2)，AlNC层0.35～0.5um(3)，NC层0.7～1um(4)，金刚石层0.5～1um(5)构成；
各层金属化合物浓度设置为渐变浓度，以增强各层与相邻层之间的结合力；
当所述衬底为Si基GaN HEMT衬底时，所述缓冲层生长在衬底正面，此时缓冲层生长初始层为Si基GaN HEMT上表面，SGD层；
当所述衬底为去除Si基的GaN HEMT衬底时，所述缓冲层生长在衬底背面，反应前需置于MOCVD仪器中进行清洗；所述去除Si基的GaN HEMT衬底与缓冲层生长初始层不同，此时所述初始层为GaN HEMT去除硅基衬底后的底面，材质为GaN。
2.一种制备如权利要求1所述GaN与金刚石复合散热结构的膜层的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：清洗Si基GaN HEMT衬底；
S2：通入Al源，N源和Ga源，生成AlNGa层；
S3：通入Al源和N源生成AlN层；
S4：通入Al源、N源与C源，生成AlNC层；
S5：通入N源，C源，生成NC层；
S6：通入C源，生成金刚石层。
3.根据权利要求2所述GaN与金刚石复合散热结构的膜层的制备方法，其特征在于：
所述步骤S1，具体为：
S1.1)取去除Si基GaN HEMT的衬底，使衬底面朝上，至于MOCVD设备中；
S1.2)反应腔室温度设置为1000～1100℃，压力值设置为50～150torr；
S1.3)通入氢气，在氢气气氛下烘烤5～15min，去除衬底表面玷污。
4.根据权利要求2或3所述GaN与金刚石复合散热结构的膜层的制备方法，其特征在于：
所述步骤S2，具体为：
S2.1)在氨气气氛下将温度设置为1050～1250℃，压力为30～150torr；
S2.2)通入铝源，镓源，氨气，生成AlNGa层。
5.根据权利要求4所述GaN与金刚石复合散热结构的膜层的制备方法，其特征在于：
所述步骤S3，具体为：
S3.1)将反应室温度设置为1000～1350℃，压力设置为5kpa；
S3.2)通入氨气和铝源，生成AlN层。
6.根据权利要求2或3或5所述GaN与金刚石复合散热结构的膜层的制备方法，其特征在于：
所述步骤S4，具体为：
S4.1)将反应室温度设置为1100～1250℃，压力设置为30～150torr；
S4.2)通入铝源和甲烷，生成AlNC层。
7.根据权利要求6所述GaN与金刚石复合散热结构的膜层的制备方法，其特征在于：
所述步骤S5，具体为：
S5.1)停止通入铝源，将反应室温度设置为1100～1250℃，压力设置为25～200pa；
S5.2)通入氮源和碳源，生成NC层。
8.根据权利要求2或3或5或7所述GaN与金刚石复合散热结构的膜层的制备方法，其特征在于：
所述步骤S6，具体为：
S6.1)将反应室温度设置为1100～1250℃，压力设置为30～150torr；
S6.2)通入碳源，生成金刚石层。
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