CN118028975A - 一种单晶金刚石衬底上制备氮化镓外延片的方法 - Google Patents
一种单晶金刚石衬底上制备氮化镓外延片的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118028975A CN118028975A CN202410156918.9A CN202410156918A CN118028975A CN 118028975 A CN118028975 A CN 118028975A CN 202410156918 A CN202410156918 A CN 202410156918A CN 118028975 A CN118028975 A CN 118028975A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gallium nitride
- diamond substrate
- epitaxial wafer
- nitride epitaxial
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 40
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 40
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 28
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 12
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 10
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 25
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 4
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 claims description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 4
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 239000005543 nano-size silicon particle Substances 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002120 nanofilm Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明公开一种单晶金刚石衬底上制备氮化镓外延片的方法，属于半导体技术领域。本发明在金刚石衬底上制备硅薄膜，高温退火后，硅薄膜变为碳化硅薄膜，在碳化硅薄膜上进一步生长出高质量氮化铝缓冲薄膜层，并在缓冲层基础上生长氮化镓外延层。采用本发明制备出的氮化镓外延片具备优异的性能，且具有更为出色的散热性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种在单晶体金刚石衬底上生长氮化镓外延层的制备方法。
背景技术
以氮化镓为代表的第三代半导体材料晶体管，成为了在高功率器件、高频率射频通信器件等关键技术领域中的重要组成部分，应用范围从国防雷达、卫星通信到消费电子、能源基础设施等。在这些领域的应用中，氮化镓器件凭借大禁带宽度，高载流子迁移率，高击穿场强等优势，展现了引人瞩目的发展前景。然而，在高功率应用中，氮化镓器件的局域自热效应成为一个突出问题，导致器件寿命减小和性能下降甚至失效。局域器件过热严重制约了氮化镓材料性能的充分利用。目前输出功率密度约为氮化镓材料电学极限的十分之一，其最重要的制约因素是散热。目前，主要在硅、碳化硅和蓝宝石等衬底材料上生长氮化镓薄膜来制备氮化镓晶体管。使用更高导热系数的衬底材料将有效降低器件的峰值温度。同时氮化镓和衬底材料之间的界面热阻对器件均热也十分重要。目前自然界存在的最高导热系数的材料，单晶体金刚石，其导热系数达2200W/m-K。然而，由于金刚石和氮化镓晶格常数存在严重失配，直接在金刚石衬底上生长高质量氮化镓材料变得异常具有挑战性。因此，如何克服在金刚石衬底上直接生长氮化镓成为了半导体技术领域亟需解决的难题。
发明内容
本发明提出了一种在金刚石衬底上生长氮化镓外延片的制备方法。
本发明提供的技术方案如下：
一种单晶金刚石衬底上制备氮化镓外延片的方法，其步骤包括：
1)在金刚石衬底上采用溅射或者分子束外延方式生长厚度10nm以下的硅薄膜；
2)利用高温快速退火，硅薄膜变为碳化硅薄膜；
3)在碳化硅薄膜上生长氮化铝缓冲层和氮化镓层，完成单晶金刚石衬底上的氮化镓外延片。
与现有技术相比，采用本发明制备的氮化镓外延片如图1所示，本发明金刚石衬底上硅薄膜在高温退火后，碳原子和硅原子之间反应变成碳化硅薄膜，形成纳米立方碳化硅薄膜，且由于碳化硅和氮化镓具有相对较好的晶格匹配性和热膨胀系数，在纳米立方碳化硅薄膜上可进一步生长出高质量氮化铝缓冲薄膜层，并在缓冲层基础上生长氮化镓外延层。
附图说明
图1为采用本发明制备氮化镓外延片的结构示意图；
图2为本发明单晶金刚石衬底上生长氮化镓外延片的示意图。
其中1氮化镓层，2为氮化铝缓冲层,3为纳米立方碳化硅薄膜，4为金刚石衬底。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图2，一种在金刚石衬底上生长氮化镓外延层的制备方法，包括如下步骤：
1)在金刚石衬底上采用溅射或者分子束外延生长硅薄膜(5nm)。
2)在1100摄氏度温度下高温快速退火1分钟将硅薄膜变化成高质量纳米厚度的碳化硅薄膜，形成纳米立方碳化硅薄膜。
3)在步骤2)的基础上生长氮化铝缓冲层和氮化镓层，其中，氮化铝缓冲层的厚度为100nm以下，氮化镓层的厚度为10微米以下，实现单晶金刚石衬底上制备氮化镓外延片。
本技术的显著优点为：
(1)本发明利用金刚石上硅薄膜的高温快速退火工艺高效的得到大面积高质量的纳米厚度碳化硅纳米薄膜，在纳米立方碳化硅薄膜上生长的氮化铝缓冲层和氮化镓层，具有高质量的成膜特性，制备出的氮化镓外延片具备优异的性能。
(2)纳米碳化硅薄膜本身具有出色的导热性能，其导热系数高于相同厚度的硅材料。
(3)纳米碳化硅薄膜可以作为声子桥接层增加氮化铝和金刚石材料的界面热导。且制备的超薄碳化硅薄膜本身有较小的热阻。因此，具有更为出色的散热性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的概念和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种单晶金刚石衬底上生长氮化镓外延片的制备方法，其步骤包括：
1)在金刚石衬底上生长厚度10nm以下的硅薄膜；
2)利用高温快速退火，硅薄膜变为碳化硅薄膜；
3)在碳化硅薄膜上生长氮化铝缓冲层和氮化镓层，完成单晶金刚石衬底上的氮化镓外延片。
2.如权利要求1所述的单晶金刚石衬底上生长氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，采用溅射或者分子束外延方式生长硅薄膜。
3.如权利要求1所述的单晶金刚石衬底上生长氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，步骤2)中高温退火的温度为1100摄氏度温度以下。
4.如权利要求1所述的单晶金刚石衬底上生长氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，步骤3)中氮化铝缓冲层的厚度为100nm以下。
5.如权利要求1所述的单晶金刚石衬底上生长氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，步骤3)中氮化镓层的厚度为10微米以下。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410156918.9A CN118028975A (zh) | 2024-02-04 | 2024-02-04 | 一种单晶金刚石衬底上制备氮化镓外延片的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410156918.9A CN118028975A (zh) | 2024-02-04 | 2024-02-04 | 一种单晶金刚石衬底上制备氮化镓外延片的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118028975A true CN118028975A (zh) | 2024-05-14 |
Family
ID=90996361
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410156918.9A Pending CN118028975A (zh) | 2024-02-04 | 2024-02-04 | 一种单晶金刚石衬底上制备氮化镓外延片的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118028975A (zh) |
-
2024
- 2024-02-04 CN CN202410156918.9A patent/CN118028975A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9142617B2 (en) | Wide bandgap device having a buffer layer disposed over a diamond substrate | |
| US20090078943A1 (en) | Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| CN113690298A (zh) | 半导体复合衬底、半导体器件及制备方法 | |
| CN108878266B (zh) | 一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 | |
| CN110211880B (zh) | 金刚石基氮化镓hemt结构制造方法 | |
| CN114899099A (zh) | 一种金刚石衬底上生长氮化镓高电子迁移率晶体管的外延方法 | |
| EP4187576A1 (en) | Heteroepitaxial structure with a diamond heat sink | |
| CN111681953B (zh) | 一种提升氮化镓异质外延的界面质量的生长方法 | |
| CN111584627A (zh) | 一种近似同质外延hemt器件结构及其制备方法 | |
| CN118028975A (zh) | 一种单晶金刚石衬底上制备氮化镓外延片的方法 | |
| CN117080183A (zh) | 一种金刚石-单晶AlN-GaNAlGaN复合晶圆及其制备方法和应用 | |
| CN116936361A (zh) | 一种金刚石衬底氮极性氮化镓异质结材料及其制备方法 | |
| JP2000001398A (ja) | 炭化けい素半導体基板の製造方法 | |
| CN111584626B (zh) | 一种增强型hemt器件结构及其制备方法 | |
| CN113871473A (zh) | 一种控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置及方法 | |
| Wang et al. | Preparation of diamond on GaN using microwave plasma chemical vapor deposition with double-substrate structure | |
| CN212136452U (zh) | 半导体结构 | |
| CN114334651A (zh) | 一种基于超薄氮化镓自支撑衬底的hemt制备方法 | |
| CN118039495A (zh) | 一种氮化镓器件和金刚石衬底的键合方法 | |
| Okamoto et al. | Backside processing of RF GaN-on-GaN HEMTs considering thermal management | |
| RU2802796C1 (ru) | Гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом для полупроводниковых приборов и способ ее изготовления | |
| CN117954489B (zh) | 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法、hemt | |
| CN117594637A (zh) | 基于异质结构的金刚石基pn结及其制备方法 | |
| CN114171373A (zh) | 一种氮化镓-金刚石异质结晶片及其制备方法 | |
| CN116525568A (zh) | β-氧化镓/c-砷化硼异质结构及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |