KR20170095879A - 다결정성 cvd 다이아몬드를 포함하는 화합물 반도체 구조물 - Google Patents

다결정성 cvd 다이아몬드를 포함하는 화합물 반도체 구조물 Download PDF

Info

Publication number
KR20170095879A
KR20170095879A KR1020177016848A KR20177016848A KR20170095879A KR 20170095879 A KR20170095879 A KR 20170095879A KR 1020177016848 A KR1020177016848 A KR 1020177016848A KR 20177016848 A KR20177016848 A KR 20177016848A KR 20170095879 A KR20170095879 A KR 20170095879A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
diamond
compound semiconductor
nano
micrometers
Prior art date
Application number
KR1020177016848A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101990578B1 (ko
Inventor
피루즈 나세르-파이리
다니엘 프랜시스
프랭크 얀티스 로우
다니엘 제임스 트위첸
Original Assignee
알에프에이치아이씨 주식회사
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 알에프에이치아이씨 주식회사 filed Critical 알에프에이치아이씨 주식회사
Publication of KR20170095879A publication Critical patent/KR20170095879A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101990578B1 publication Critical patent/KR101990578B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3732—Diamonds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02112—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer
    • H01L21/02115—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material being carbon, e.g. alpha-C, diamond or hydrogen doped carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C23C16/274—Diamond only using microwave discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02225—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer
    • H01L21/0226—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process
    • H01L21/02263—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process deposition from the gas or vapour phase
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02225—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer
    • H01L21/0226—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process
    • H01L21/02263—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process deposition from the gas or vapour phase
    • H01L21/02271—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process deposition from the gas or vapour phase deposition by decomposition or reaction of gaseous or vapour phase compounds, i.e. chemical vapour deposition
    • H01L21/02274—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process deposition from the gas or vapour phase deposition by decomposition or reaction of gaseous or vapour phase compounds, i.e. chemical vapour deposition in the presence of a plasma [PECVD]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02296—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer
    • H01L21/02299—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer pre-treatment
    • H01L21/02304—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer pre-treatment formation of intermediate layers, e.g. buffer layers, layers to improve adhesion, lattice match or diffusion barriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02387—Group 13/15 materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02387—Group 13/15 materials
    • H01L21/02389—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/024—Group 12/16 materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02441—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02444—Carbon, e.g. diamond-like carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494—Structure
    • H01L21/02513—Microstructure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02527—Carbon, e.g. diamond-like carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02587—Structure
    • H01L21/0259—Microstructure
    • H01L21/02595—Microstructure polycrystalline
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H01L29/1602—Diamond
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003—Nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/26—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, elements provided for in two or more of the groups H01L29/16, H01L29/18, H01L29/20, H01L29/22, H01L29/24, e.g. alloys
    • H01L29/267—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, elements provided for in two or more of the groups H01L29/16, H01L29/18, H01L29/20, H01L29/22, H01L29/24, e.g. alloys in different semiconductor regions, e.g. heterojunctions

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

단일 결정 화합물 반도체 물질의 층; 및 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층을 포함하고, 여기서 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층이 두께가 5 내지 50nm 미만이고 화합물 반도체 물질의 층과 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층 사이의 경계면에서 일시적인 열반사율에 의해 측정된 유효 열 경계 저항(TBReff)이 50m2K/GW 이하이도록 구성된, 화합물 반도체 물질의 층에 직접 결합된 나노-결정성 다이아몬드의 층을 통해 화합물 반도체 물질의 층에 결합된 반도체 장치 구조물이 개시된다.

Description

다결정성 CVD 다이아몬드를 포함하는 화합물 반도체 구조물{COMPOUND SEMICONDUCTOR DEVICE STRUCTURES COMPRISING POLYCRYSTALLINE CVD DIAMOND}
본 발명은 화합물 반도체와 다결정성 CVD 다이아몬드 사이에 낮은 열 경계 저항(thermal boundary resistance)을 갖는 다결정성 CVD 다이아몬드를 포함하는 화합물 반도체 구조 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 장치 및 회로에서의 열 관리는, 생산 가능하고 비용효율이 높은 전자 제품 및 광전자 제품 - 예를 들어, 광 생성 및 전기 신호 증폭 - 에 있어 매우 중요한 설계 요소이다.
효율적인 열 디자인의 목표는 성능(전력 및 속도)을 최대화시키면서 이러한 전자 또는 광전자 장치의 작동 온도를 저하시키는 것이다. 이러한 장치의 예는 마이크로파 트랜지스터(microwave transistor), 발광 다이오드 및 반도체 레이저이다. 작동 진동수 및 전력 요건에 따라, 이러한 장치는 규소, 비소화갈륨(GaAs), 인화인듐(InP), 및 최근에는 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(A1N) 및 다른 와이드-갭 반도체(wide-gap semiconductor)로 통상적으로 제조되어 왔다.
질화갈륨 물질 시스템은 특히 GaAs, InP, 또는 규소보다 더 큰 열 전도성, 높은 파괴 전압(고 전력을 위해 필요함), 및 높은 전자 이동성(고속 작동을 위해 필요함)을 갖는 마이크로파 트랜지스터를 탄생시켰다.
고온 성능에도 불구하고, GaN 전자 및 광전자 장치는 GaN의 성장을 위해 일반적으로 사용된 기판의 비교적 낮은 열 저항으로 인하여 성능 면에서 제한된다. 이러한 결점은, 완화된 냉각 요건 및 긴 장치 수명 - 낮은 결합 온도로부터 얻어지는 - 이 중요한 요구사항인 고전력 마이크로파 및 밀리미터파 트랜지스터(millimeter-wave transistor)에서 가장 현저하게 나타난다.
수-마이크로미터-너비의 레이저 캐비티 스트라이프(several-micrometer-wide laser cavity stripe)가 낮은 열 전도성 물질을 통해 전력을 칩(chip)으로 배출(dissipating)시키는 고전력 청색 및 자외선 레이저에서도 문제점으로 지적되어지고 있다.
등방성 거동을 고려하는 경우 다이아몬드가 실온에서 현존하는 물질중에 알려진바와 같이 열적 전도성이 가장 높은 물질이라는 것이 익히 공지되어 있다. 이러한 이유로, 반도체 산업에서는 열 관리를 개선시키기 위해서 다이아몬드 히트-싱크(heat-sink) 및 열 분산기(heat spreader)를 사용해 왔는데, 그 이유는 1980년대에 화학 증착에 의해 합성 다이아몬드를 상업화했기 때문이다. 최적의 열관리의 목적은 다이아몬드 열 분산기 또는 다이아몬드 층이 전자 또는 광전자 장치에서 열 공급원에 매우 근접해지도록 제작하여 확보되어질 수 있다. 이는 얇은 칩을 다이아몬드 열 분산기 위에 장착된 구성 장치, 다이아몬드 층을 제작하는 코팅 장치, 또는 다이아몬드 위로 에피레이어(epilayer)(에피레이어의 성장에 의한 반도체 층)을 제작하는 방법을 의미한다.
GaN-on-다이아몬드 기술(GaN-on-diamond technology) 및 수득되는 장치(미국 특허 제7,595,507호에 기술됨)는 CVD 다이아몬드 기판으로부터 마이크론 미만의 GaN 에피레이어를 특징으로 하는 구조물을 포함한다.
당해 기술은 예를 들면, 보다 일반적인 반도체-솔더-다이아몬드 증착 구조(semiconductor-solder-diamond attachment scheme)와 관련하여 모든 열 장벽(thermal barrier)를 최소화시키면서 가장 우수한 열 전도체(다이아몬드)를 질화갈륨(GaN) 및 GaN-관련 화합물을 기반으로 한 전자 및 광전자 장치와 함께 합쳐질 수 있도록 한다.
GaN의 고유의 매우 중요한 전기장 및 넓은 밴드갭(wide bandgap)으로 인하여, GaN 장치는 고 전력 전기적 및 광전자 응용, 예를 들면, 고 전력 RF 트랜지스터 및 증폭기, 전력 관리 장치(쇼트키 다이오드(Schottky diode) 및 스위칭 트랜지스터), 및 또한 고 전력 청색 및 자외선 레이저 또는 발광 다이오드등의 제작에 많이 사용되고 있다.
GaN은 현재 수개의 상이한 기판: 사파이어, 규소, 탄화규소, 질화알루미늄, 단결정-다이아몬드, 및 GaN 기판에서 성장된다. GaN 기판을 제외하고, 모든 다른 물질은 GaN 및 AlGaN의 것과는 상이한 격자 상수를 갖는다. 천연 다이아몬드는 가장 탁월한 열 전도체이지만, 이의 이용가능한 지역, 고 순도의 합성 다이아몬드에 비해 감소된 열 특성, 및 비용으로 인하여 이의 응용에 있어 이용가능하지 않아 왔다. 현재, 합성 다이아몬드는 다양한 결정화도로 제조되고 있다. 화학-증착(CVD)에 의해 증착된 다결정성 다이아몬드는, 이의 열 전도성이 단결정 다이아몬드의 것에 근접하여, 이것이 전기적 절연을 제공할 수 있고, 저 유전체 손실을 가지며, 투명하게 제조될 수 있기 때문에 반도체 산업에서 사용하기에 적합하다. 반도체 산업용 CVD 다이아몬드 기판은 표준 직경을 지닌 원형 웨이퍼(round wafer)로서 형성될 수 있다. 다이아몬드 웨이퍼는 3개의 주요 방법: 플라즈마 증가 다이아몬드 CVD(여기서, 반응물을 분해하는 에너지는 마이크로웨이브 공급원으로부터 온다), 열 필라멘트 다이아몬드 CVD(여기서, 가스를 분해하기 위한 에너지는 고온 필라멘트로부터 온다), 및 플라즈마 토치(plasma torch)(여기서, 이온은 고 DC 전압을 사용하여 가속화된다) 중의 하나에 의해 화학적 증착으로 제조된다. 이들 공정에서, 합성 다이아몬드는 이종-다이아몬드 기판, 예를 들면, 규소, 질화규소, 탄화규소 및 상이한 금속의 상부에서 성장한다.
CVD 다이아몬드 성장 공정은, 이의 상부에 다이아몬드가 성장할 기판을 진공 챔버(vacuum chamber) 속에 장착하여 제작을 수행한다. 기판은 기판의 표면에 다이아몬드를 형성시키는데 필요한 전구체 가스의 분자를 분해하는데 필요한 에너지 공급원에 노출된다. 다이아몬드의 화학 증착에 필요한 전구체 가스는 수소(H2) 속에 희석된 탄소의 공급원이다. 대표적인-탄소 운반 가스는 메탄(CH4), 에탄(02Η6), 일산화탄소(CO), 및 아세틸렌(C2H2)이며, 메탄(CH4)이 가장 일반적으로 사용된다. 효율적인 다이아몬드 증착에 필요한 가스 조합은 수소 속에 작은(몇 퍼센트) 조성의 탄소-운반 가스를 함유하며, 반응은 또한 산소 또는 CO 또는 C02와 같은 산소 전구체의 첨가와 관련될 수 있다. 가스-흐름 제조조건(gas-flow recipe)을 규정하는 가장 일반적인 매개변수는 탄소 운반 가스 유동 및 수소 가스 유동의 몰 비의 측면에서 제공된다. 예를 들면, 퍼센트 [CH4]/[H2](여기서, [CH4] 및 [H2]는 분당 표준 입방 센티미터(seem)로 전형적으로 측정된 몰(mol) 흐름 속도이다. 증착 공정 동안 대표적인 기판 온도는 550℃ 내지 1200℃이며, 증착 속도는 일반적으로 시간당 마이크로미터(μm)로 측정된다.
이종-다이아몬드 기판 위에서의 합성 다이아몬드의 성장은 표면 제조 상 및 핵형성 상을 포함하며, 여기서 조건들이 조절되어 호스트(이종-다이아몬드) 기판 위의 다이아몬드 결정의 성장을 향상시킨다. 이는 조절된 및 반복가능한 방식으로 다이아몬드 분말을 사용하여 표면을 씨딩(seeding)(또한 기판 스크래칭에 결합됨)하는 것에 의해 가장 일반적으로 수행된다. 성장 상태(growth phase) 동안에, 합성 다이아몬드의 그레인 크기(grain size)는 증가하며 그 결과 합성 다이아몬드 필름은 증착 후 표면은 기본적인 표면 거칠기를 가지고 있다. 다이아몬드의 핵형성은 일반적으로 기판-근처 영역에서 열 전도성이 불량한 이종-다이아몬드 매트릭스내에 생성된(embedded) 매우 작은 다이아몬드 도메인으로 시작한다. 다양한 기판 및 웨이퍼 상에서 핵형성 층의 기계적, 초음파 및 메가-음파(mega-sonic) 씨딩을 포함하는 다양한 유형의 씨딩이 선행기술에서 논의되어 왔다.
GaN-계 HEMT(고 전자 이동성 트랜지스터)에서 증가하는 고 전력 밀도는 열 관리가 매우 중요하도록 한다. 고 열 전도성의 CVD 다결정성 다이아몬드는 당해 분야의 SiC 기판의 상태와 비교하여 장치 연결부 근처에 우수한 열 제거능을 제공한다. 가장 최근의 GaN-온-다이아몬드 HEMT는 탁월한 장치 특성이 입증되었으며[D.C. Dumka et al., IEEE Electron Lett. 49(20), 1298 (2013)] 4-인치 웨이퍼로 확장 제작이 가능(scalable)하다[D. Francis et al., Diamond Rel. Mater. 19(2-3), 229 (2010)]. 이러한 GaN-on-다이아몬드 기술은 규소 또는 탄화규소 상에서 MOCVD-성장한 AlGaN/GaN 에피레이어로 시작하며, 비정질 또는 다결정성일 수 있는 얇은 유전체 씨딩층(예를 들면, 탄화규소, 규소, 질화실리콘, 질화규소, 질화알루미늄, 산화마그네슘, 질화붕소, 또는 산화베릴륨) 및 노출된 GaN 상의 CVD 다이아몬드의 증착에 이은, 천연의 GaN 성장 기판 및 전이 층의 제거[D.C. Dumka et al, IEEE Electron Lett. 49(20), 1298 (2013); D. Francis et al, Diamond Rel. Mater. 19(2-3), 229 (2010)]를 포함한다. 유전체 씨딩 층은 다이아몬드 물질에 대한 핵형성 층 및 다이아몬드 성장 동안 GaN에 대한 보호층으로 제공된다. 따라서, 유전체 씨딩 층은 이들 기능을 충족하기에 충분히 두꺼워야만 한다. 그러나, 다이아몬드 성장의 유전체 중간층 및 초기 핵형성 층은 GaN/다이아몬드 경계면에서 효과적인 열 경계 저항(TBReff)을 생성한다[J. W. Pomeroy et al, Appl. Phys. Lett. 104(8), 083513 (2014)].
지금까지, GaN 위에서 다이아몬드의 직접적인 성장은 문제가 되어왔다. 이는 주로 노출된 GaN과 수소 원자의 반응 및 GaN 기판의 후속적인 열화(degradation) 및 환원에 기인하였다. 당해 분야에서 전문가들에게 알려진 문제를 피하기 위한 대표적인 방법은 위에서 기술된 바와 같이 GaN에 대한 보호 층 및 다이아몬드에 대한 핵형성 층으로서 제공되는 GaN의 상부에 유전체 중간층을 성장시키는 것이었다. 이러한 시도가 GaN 층을 보호하는데 성공적이었지만, 이는 고 전도성 기판의 총 열 저항 및 전체 이익에 부정적으로 영향을 미치는 다수의 열 경계층이 나타났다. 또한, GaN과 다이아몬드 사이의 유전체 중간층에 대한 요건은 제작 공정에 추가의 표면 제조 및 증착 단계를 도입하며 이는 제작 공정의 복잡성 및 비용을 증가시킨다.
다이아몬드와 GaN의 긴밀한 통합을 달성하기 위해 중요한 과제는 GaN과 다이아몬드의 경계면에서의 다양한 층으로 인하여 열 경계 저항(TBR)의 감소를 균형맞추어 핵형성층(들)에 대한 견고한 증착을 위한 올바른 수준의 씨딩을 달성하고 CVD 다이아몬드를 이에 증착시켜 GaN 에피레이어 구조물의 전기적 특성에 부정적으로 영향을 미치지 않도록 하는 경우 기저 GaN에 대해 충분한 보호를 제공하는데 있다. 본 발명자들은 GaN/다이아몬드 경계면에서 효과적인 열 경계 저항(TBReff)에 있어서 유전체 중간층 두께의 효과를 연구하였다. 본 발명자들은 이미 두께가 적어도 35nm인 유전체 중간층이 GaN 기판 위에서 CVD 다이아몬드 성장 동안 GaN 기판을 보호하는데 요구된다는 것을 알았다. 그러나, 이는 GaN과 다이아몬드 사이에 효과적인 열 경계 저항에 대해 보다 낮은 한계를 생성한다.
본 발명자들은 화합물 반도체 물질의 손상없이 화합물 반도체 기판 위에서 다이아몬드 성장을 여전히 허용하면서 유전체 씨딩 층을 완전히 제거하도록 허용하는 다이아몬드 씨딩 기술을 개발하였다. 당해 방법은 초-나노-결정성 다이아몬드 음파를 사용하여 두께가 조절되고 실질적으로 공극이 없는 나노-결정성 다이아몬드 핵형성 층을 형성한다. 이는:
화합물 반도체 물질의 층; 및
다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층을 포함하며,
여기서 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층은 화합물 반도체 물질의 층에 직접 결합된 나노-결성성 다이아몬드의 층을 통해 화합물 반도체 물질의 층에 결합하며, 나노-결정성 다이아몬드의 층의 두께는 5 내지 50nm의 범위이고 화합물 반도체 물질의 층과 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층 사이의 경계면에서 일시적인 열반사율에 의해 측정된 유효 열 경계 저항(TBReff)이 50m2K/GW 이하가 되도록 구성되는 반도체 장치 구조물을 생성한다.
본 발명의 구현예는 이들 사이에 배치된 어떠한 유전체 중간층이 없이 화합물 반도체를 손상시키지 않으면서 직접적인 다이아몬드-대-화합물 반도체(예를 들면, GaN) 경계면을 제공한다. 따라서, 장치 구조물의 열 및 전자 특징 둘 다는 최적화될 수 있다. 또한, 다이아몬드와 화합물 반도체 층 사이의 유전체 중간층에 대한 요건을 제거함으로써, 제작 공정이 극소수의 표면 제조 및 증착 단계로 단순화될 수 있다.
상기 정의한 바와 같은 반도체 장치 구조물을 제작하는 방법은:
화합물 반도체 물질의 층을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
화합물 반도체 물질의 층 위의 층 두께가 5 내지 50nm의 범위인 나노-결정성 다이아몬드의 씨드 층을 형성하는 단계; 및
화학적 증착(CVD) 기술을 사용하여 상기 씨드 층 위에 다결정성 CVD 다이아몬드의 층을 성장시키는 단계를 포함한다.
적합한 씨드 층은, 당해 씨드 층이 기저 화합물 반도체가 과도하게 손상되지 않도록 CVD 다이아몬드 성장 동안 효과적인 보호 장벽로서 작용하도록 보증하면서, 나노결정성 다이아몬드 분말의 콜로이드성 현탁액 및 요구된 유효 열 경계 저항(TBReff)을 달성하기 위해 선택된 입자 크기, 증착 시간, 및 음파력과 함께, 음파력의 응용을 사용하여 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 또한 여전히, 이러한 씨드 층은 CVD 다이아몬드 층이 화합물 반도체 기판으로 접착하는 것을 방지하지 않음이 놀랍게도 밝혀졌다. 이는, 기판 위에 비교적 두꺼운 층의 나노-결정성 씨드 입자를 제공하는 것이 화합물 반도체 기판에 대한 CVD 다이아몬드 층의 접착을 방지할 수 있음을 고려할 수 있기 때문에 매우 놀라운 것이다. 즉, CVD 다이아몬드 층이 나노-결정성 씨드 입자의 층에 결합할 수 있지만 나노-결정성 씨드 입자는 기저 화합물 반도체 기판에 결합되지 않을 수 있음을 고려할 수 있다. 이론에 얽매이지 않지만, 화합물 반도체 층이 충분히 평편하고 부드럽게 제조되고, 나노미터 크기의 다이아몬드 씨드 입자가 이용되는 경우, 나노미터 크기의 다이아몬드 씨드 입자는 화합물 반도체 층에 정전기적으로 결합하는 것으로 여겨질 수 있다. 놀랍게도, 나노크기의 다이아몬드 입자의 두꺼운 층은 이러한 방식으로 형성될 수 있다. 이는 이러한 방식으로 정전기적으로 결합하지 않는 보다 큰 마이크로미터 크기의 다이아몬드 씨드 입자와 비교된다. 또한, 다시 이론에 얽메이지 않지만, 나노-결정성 다이아몬드 씨드 층의 증기 상 침입은 초기 단계의 다이아몬드 성장 동안에 발생하여 기저 화합물 반도체 기판에 대한 및 또한 서로에 대한 나노-결정성 씨드 입자 결합을 생성함으로써 기저 화합물 반도체 기판에 대한 실질적인 손상없이 응집성 결합된 나노-결정성 다이아몬드 층을 형성하는 것으로 여겨질 수 있다.
본 발명을 보다 잘 이해하고 이것이 효과적으로 수행될 수 있는 방법을 입증하기 위하여, 본 발명의 구현예들을 이제 첨부되는 도면을 참조로 예시적인 방법으로서만 설명할 것이며, 여기서:
도 1은 화합물 반도체 물질의 층과 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층 사이의 경계면에서 효과적인 열 경계 저항(TBReff)을 측정하는데 사용된 일시적인 열반사율 측정 설정의 개략도이다;
도 2는 532nm의 프로브 레이저 파장에서 반사율 변화와 표면 온도 조절 사이의 선형 근사식(linear approximation)의 유효성을 입증하는 다이아몬드 웨이퍼 상의 GaN의 반사율 스펙트럼을 나타낸다;
도 3은 유전체 씨딩 층의 두께가 상이한 다이아몬드 웨이퍼 상의 GaN의 표준화된 일시적인 반사율을 나타낸다-2개의 다이아몬드 성장 방법이 사용된다: 고온 필라멘트(HF) CVD; 및 마이크로파(MW) 플라즈마 CVD(삽도는 샘플 층 구조의 개략도를 나타낸다);
도 4는 유전체 씨딩 층 두께의 함수로서 GaN/다이아몬드 경계면의 TBReff를 나타낸다 - 상응하는 트랜지스터 피크 채널 온도 상승은 우측 세로축에 나타낸다;
도 5는 식별가능한 다이아몬드 씨드를 지니고 경계면 공극이 없는 잘-정의되고, 정돈된 나노-결정성 다이아몬드 경계면을 나타내는 초-나노-결정성 씨드 층의 투과 전자 현미경(Transmission Electron Micrograph: TEM) 단면도를 나타낸다.
도 6은 화합물 반도체 물질의 층, 나노-결정성 다이아몬드의 층, 및 마이크로-결정성 다이아몬드의 층을 포함하는 3개 층 구조물의 개략도를 나타낸다.
본 발명의 구현예에 따라서 다이아몬드 상의 저 열 경계 저항 GaN 생성물을 성취하기 위한 방법론을 기술하기에 앞서, 이러한 생성물의 열 경계 저항을 프로빙(probing)하기 위한 새로운 측정 기술의 설명이 하기 제공된다.
측정 기술은 GaN-온-다이아몬드 TBReff를 특성화하는 일시적인 열반사율 방법을 포함한다. 이러한 완전한 무접촉 기술은 어떠한 추가의 증착도 필요로 하지 않으며 장치 제작 전에 성장한 상태의 웨이퍼에 사용될 수 있다. 웨이퍼 열 저항의 신속한 평가는 다이아몬드 웨이퍼 상의 GaN 제작자들이 트랜지스터 열 성능을 증진시키기 위한 성장 조건을 개선할 수 있도록 한다.
나노초 열반사율 기법(nanosecond transient thermoreflectance method)은 레이저-계 펌프-프로브 기술(laser-based pump-probe technique)이다[J. W. Pomeroy et al, IEEE Electron Device Lett. 35(10), 1007 (2014)]. GaN 밴드갭(bandgap)을 초과하는 10ns, 355nm 펄스 레이저(Nd:YAG의 제3 고조파)를 펌프 빔으로 사용하여 AlGaN/GaN 표면을 충동적으로 가열한다. 이러한 온도 상승은 선형적으로 온도 의존성인 표면 반사율에 있어서의 변화를 유도한다. 532nm CW 레이저(Nd:YAG의 제2 고조파)를 프로브 빔(probe beam)으로서 사용하여 시간축(time domain)내 이러한 반사율(및 따라서 온도) 변화를 모니터링한다. 표면 온도는 GaN 층 및 다이아몬드 기판으로의 열 확산으로 인하여 안정화되며, 이러한 방식으로 TBReff를 포함하는 열 특성은 온도 과도현상(temperature transient)으로부터 제외될 수 있다. 2개의 레이저 빔은 편리한 웨이퍼 맵핑을 위해 표준 현미경으로 동축 정열된다. 증폭된 규소 광검출기(silicon photodetector)를 사용하여 샘플 표면으로부터 반사된 프로브 레이저(probe laser)의 강도를 기록한다. 실험적 설정의 개요는 도 1에 나타낸다.
특정의 조건 하에서, 조사 레이저 파장이 최대 또는 최소의 총 반사율 스펙트럼 부근에 있는 경우 부분적인 응집성 내부 반사율로 인하여, 반사율 변화는 표면 온도 조정에 비례하지 않을 수 있다. 여기서 선택된 프로브 레이저 파장(532nm)은 이들 "비선형" 영역에 속하지 않으며, 이는 도 2에 나타낸다. 60℃의 온도 상승은 GaN 반사율의 파장[N. A. Sanford et al, J. Appl. Phys. 94(5), 2980 (2003)] 및 온도[N. Watanabe, et al, J. Appl. Phys. 104(10), 106101 (2008)] 독립성을 사용하여 계산된, 반사율에 대한 파장에 있어서 10nm 이동과 동일하다. 이들 측정에서, 최대 온도 조정은 60℃ 미만이며, 이 범위내에서, 반사율 변화와 표면 온도 상승 사이의 선형 근사치가 유효하다. 더욱이, 동일한 열반사율이 확보되지 않음은 빔 분할기의 존재 및 부재하에 웨이퍼에서 수득되었으며[J. W. Pomeroy et al., IEEE Electron Device Lett. 35(10), 1007 (2014)], 상기 반응은 실제로 표면 온도로부터 기원함을 입증한다.
도 3은 각각 28nm 내지 100nm의 유전체 씨딩 층의 공칭 두께, 및 열 필라멘트(HF) CVD 또는 마이크로파(MW) 플라즈마 CVD에 의해 성장한 다이아몬드 기판을 갖는, 일련의 다이아몬드 웨이퍼 상의 GaN의 시간-분할된 표준화된 반사율 변화를 나타낸다. 일시적으로 보다 빠른 xmrtjdqusghk(및 따라서 표면 온도)는, 열이 다이아몬드 기판으로 보다 효율적으로 확산함에 따라 보다 낮은 TBReff를 나타낸다. 이러한 측정은, GaN/다이아몬드 경계면이 우세한 열 장벽이므로 TBReff에 대해 가장 민감하다. 그러나, 다이아몬드 기판의 효과는 도 3에서 긴 시간규모에서 관찰되는 바와 같이 온도 과도현상에 기여한다. 500ns를 초과하는 상기 과도현상의 분리는, 불투명한 HF 다이아몬드가 반투명한 MW 다이아몬드보다 더 작은 열 전도성을 가짐을 암시한다.
측정된 과도현상은 한정 부품 열 모델을 사용하여 적응되었으며 추출된 TBReff는 도 4에서 유전체 중간층 두께의 함수로서 플롯팅된다. TBReff는 유전체 층 두께와 대략 선형 관계를 따르며; 편차는 웨이퍼 대 웨이퍼로 변하는 다이아몬드 핵형성 표면의 기여에 기인하는 경향이 있다. 다중-핑거 트랜지스터 열 모델(multi-finger transistor thermal model)[J. W. Pomeroy et al., IEEE Electron Device Lett. 35(10), 1007 (2014)]을 사용하여, 각각의 TBReff에 상응하는 피크 채널 온도 상승을 계산하고 우측 세로축에 나타낸다. 이는 장치 열 저항을 낮추기 위하여 TBReff를 감소시키는 중요성을 강조한다. 50m2K/GW로부터 12m2K/GW로 TBReff를 감소시킴으로써, 트랜지스터 채널 온도 상승을 30%까지 감소시킬 수 있다. 그러나, 표준 다이아몬드 씨딩 기술을 사용하여, 두께가 약 35nm인 유전체 중간층이 상부의 CVD 다이아몬드 성장 동안 GaN 기판을 보호하는데 요구됨이 밝혀졌다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 이는 약 20 내지 25m2K/GW의 효과적인 열 경계 저항에 대해 보다 낮은 한계를 생성한다.
상기 측면에서, 본 발명자들은 화합물 반도체 기판과 상부의 다결정성 CVD 다이아몬드 층 성장 사이의 보다 우수한 경계면을 제공하는 상이한 방법을 연구하여 왔다. 이를 수행하면서, 본 발명자들은 화합물 반도체를 손상시키지 않고 화합물 반도체 기판에서 다이아몬드 성장을 여전히 허용하면서 유전체 씨딩 층을 완전히 제거하도록 하는 최적화된 다이아몬드 씨딩 기술을 개발하였다. 당해 방법은 나노 및/또는 초-나노-결정성 다이아몬드의 음파 및/또는 전기화학적 증착을 사용하여 두께가 조절된 실질적으로 공극이 없는 다이아몬드 핵형성을 형성한다. 이는,
화합물 반도체 물질의 층; 및
다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층을 포함하고,
여기서 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층은 화합물 반도체 물질의 층에 직접 결합된 나노-결정성 다이아몬드의 층을 통해 화합물 반도체 물질의 층에 결합되며, 상기 나노-결정성 다이아몬드의 층은 두께가 5 내지 50nm의 범위이고 화합물 반도체 물질의 층과 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층 사이의 경계면에서 일시적인 열반사율에 의해 측정된 유효 열 경계 저항(TBReff)이 50m2K/GW, 40m2K/GW, 또는 30m2K/GW 이하가 되도록 구성되는 반도체 장치 구조물을 생성한다.
다이아몬드 물질과 화합물 반도체 물질 사이에 추가의 유전체 중간층을 포함하지 않는 이러한 장치 구조물은 화합물 반도체 웨이퍼를 고온에 적용시키고 수율 및/또는 비용에 영향을 미칠 수 있는 추가의 세라믹 증착 단계를 위한 요건을 피한다. 또한, 추가의 유전체 중간층을 제거함으로써 이는 다이아몬드 물질과 화합물 반도체 물질 사이의 유효 열 경계 저항을 최소 3m2K/GW의 이론치로 감소시키거나, 얇은 유전체 중간층을 포함하는 장치 구조물에 대해, 예를 들면, 20 내지 30m2K/GW 범위에서 10m2K/GW를 초과하는 가장 우수한 앞서의 값과 적어도 일치시킬 기회를 얻는다.
적합한 씨드 층은, 당해 씨드 층이 기저 화합물 반도체가 과도하게 손상되지 않도록 CVD 다이아몬드 성장 동안 효과적인 보호 장벽로서 작용하도록 보증하면서, 나노결정성 다이아몬드 분말의 콜로이드성 현탁액 및 요구된 유효 열 경계 저항(TBReff)을 달성하기 위해 선택된 입자 크기, 증착 시간, 및 음파력과 함께, 음파력의 응용을 사용하여 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 대안은, 다이아몬드/웨이퍼 상대 전위를 조절하여 균일한 등각 증착을 수득하는 전기화학적 방법을 사용하는 것이다. 또한 놀랍게도, 이러한 씨드 층이 CVD 다이아몬드 층이 화합물 반도체 기판에 증착되는 것을 방해하지 않는다는 것이 밝혀졌다.
콜로이드성 현탁액, 나노결정성 다이아몬드 분말을 포함하는 씨딩을 위한 기술, 및 음파력 또는 전기화학적 증착의 응용은 고 핵형성 밀도 다이아몬드의 씨딩 및 성장을 위해 이전에 기술되어 왔지만, 다이아몬드-화합물 반도체 경계면의 열 장벽 저항을 증진시키기 위한 이러한 방법의 영향 및 특성은 앞서 입증되지 않았다. 본 발명자들은 반도체 기판에 분산된 씨드 스택(seed stack)의 두께 및 밀도, 및 앞서 달성된 결과를 능가하는 이러한 스택의 형성과 관련된 TBR의 후속적인 조절을 조정하도록 하는 화합물 반도체 기판의 코팅 방법을 고안하였다. 예를 들면, 시간, 음파력, 및 씨딩 매질을 조절함으로써, 본 발명자들은 GaN과 다이아몬드 사이의 이러한 층의 존재와 관련된 TBR을 최적화시키는 이러한 방법에서 스택의 두께 및 분산 밀도의 조절을 입증하여 왔다. 특히, 유전체 중간층을 핵형성을 위한 비교적 두껍고(씨딩 측면에서) 열적으로 전도성인 초-나노 및/또는 나노결정성 다이아몬드 코팅으로 교체함으로써, 본 발명자들은 2개의 열 경계면 및 1개의 열적으로 챌린지된 핵형성/보호 층을 제거하였다
다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층은 층 두께가 5 내지 50nm, 10 내지 40nm, 또는 15 내지 30nm의 범위인 나노-결정성 다이아몬드의 층을 통해 화합물 반도체 물질의 층에 결합될 수 있다. 오거 깊이 프로파일링(auger depth profiling)을 초-나노-결정성 씨드 층(일예로 당해 씨드 층의 두께는 약 25nm이다)의 확립을 위해 사용될 수 있다.
도 5는 식별가능한 다이아몬드 씨드를 지니고 경계면 공극이 없는 잘-정의되고, 정돈된 나노-결정성 다이아몬드 경계면을 나타내는 초-나노-결정성 씨드 층의 투과 전자 현미경(TEM) 단면도를 나타낸다. 나노-결정성 다이아몬드의 층은 투과 전자 현미경 영상을 사용하여 측정된 것으로서 10%, 8%, 6%, 또는 4% 이하이 공극의 용적 분획을 가질 수 있다. 달리는, 또는 추가로, 나노-결정성 다이아몬드의 층은 적어도 200nm x 100nm의 영역을 포함하는 대표적인 샘플에서 두께가 20nm, 15nm, 10nm, 또는 5nm 초과인 공극을 가지지 않을 수 있다. 바람직하게는, 나노-결정성 다이아몬드의 층은 적어도 200nm x 100nm의 영역을 포함하는 대표적인 샘플에서 투과 전자 현미경 영상에서 식별가능한 가시적인 공극을 가지지 않는다.
상술한 씨드 층은 다결정성 CVD 다이아몬드 물질이 유전체 중간층에 대한 요건없이 화합물 반도체 기판에 직접 증착되도록 할 수 있다. 본 발명이 광범위한 화합물 반도체에 적용될 수 있지만, 특정한 구현예에 따라서, 화합물 반도체 물질의 층은 III 내지 V족 화합물 반도체 물질, 예를 들면, 질화갈륨을 포함한다.
씨드 층 위에서 성장한 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층은 두께가 적어도 5 마이크로미터, 10 마이크로미터, 20 마이크로미터, 30 마이크로미터, 50 마이크로미터, 80 마이크로미터, 100 마이크로미터, 200 마이크로미터, 300 마이크로미터, 또는 500 마이크로미터이다. 씨드 층이 나노-결정성 다이아몬드 입자를 포함하지만, 씨드 층에서 성장된 상부의 다결정성 CVD 다이아몬드 물질은 바람직하게는 마이크론 규모의 그레인을 포함하며(즉, 다결정성 CVD 다이아몬드 물질은 1 마이크론을 초과하는 크기를 갖는 그레인을 포함한다), 이러한 유형의 다결정성 CVD 다이아몬드 물질은 CVD 다이아몬드 및/또는 나노-다결정성 CVD 다이아몬드보다 높은 열 전도성을 가지므로, 바람직하게는 마이크로파 플라즈마 CVD 다이아몬드 물질이다.
도 6은 화합물 반도체 물질의 층(70), 나노-결정성 다이아몬드의 층(72), 및 마이크로-결정성 다이아몬드의 층(74)을 포함하는 상술한 바와 같은 3개 층 구조물의 개략도를 나타낸다.
위에서 정의한 바와 같은 반도체 장치 구조물을 제작하는 방법은:
화합물 반도체 물질의 층을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
상기 기판의 표면 위에 두께가 5 내지 50nm, 10 내지 40nm, 또는 15 내지 30nm의 범위인 나노-결정성 다이아몬드의 씨드 층을 형성시키는 단계; 및
화학적 증착(CVD) 기술을 사용하여 상기 씨드 층 위에 다결정성 CVD 다이아몬드의 층을 성장시키는 단계를 포함한다.
씨드 층은 평균 입자 크기가 15nm 또는 10nm 이하이고/이거나 1nm 이상인 나노결정성 다이아몬드 분말을 사용하여 형성시킬 수 있다. 씨딩 단계에서 사용된 나노결정성 다이아몬드 분말의 D90 입자 크기는 40nm, 30nm, 또는 20nm 이하일 수 있다. 또한, 씨드 층은 나노결정성 다이아몬드 분말의 콜로이드성 현탁액 및 증착 시간 및 음파력과 같은 증착 매개변수를 사용하여 형성시킬 수 있으며 요구되는 유효 열 경계 저항(TBReff)을 달성하도록 조절될 수 있다.
화합물 반도체 기판을 제조하기 위한 한가지 방법은 규소 웨이퍼 상의 GaN을 캐리어 규소 웨이퍼에 결합시킨 후 규소 기판을 에칭 제거하여 결합된 결합된 GaN 층과의 결합에서 떨어지도록 하는 것이다. 규소 기판을 제거한 후 GaN 물질의 배면 물질이 노출된다. 노출된 표면을 이후 알코올 용액 속의 나노-다이아몬드 씨드가 들어있는 탱크 속에 침지시키고 전체 탱크를 10분의 기간 동안 음파적으로 씨딩한다. 씨드 층의 두께의 조절은 정확한 씨딩 시간을 조절하여 달성한다. 이러한 정확한 시간은 입자의 밀도 및 크기에 의존한다. 이후에, 화합물 반도체 기판을 탱크로부터 제거하고 회전 건조시켜 불량하게 증착된 씨드를 제거한다.이후 웨이퍼는, 알코올 건조시킨 후 다이아몬드 증착을 위해 준비된다.
나노-결정성 층은 화합물 반도체 기판에 대한 핵형성 층 및 보호 층 둘 다로서 제공된다. 이는 양호한 GaN 전자 특성의 보유와 함께 낮은 TBR을 생성하는데, 즉, GaN은 나노-결정성 다이아몬드 씨드 층의 존재로 인하여 CVD 다이아몬드 성장 공정에 의해 과도하게 손상되지 않는다. 따라서, 본 발명은 GaN을 손상시키지 않으면서, GaN에 대한 다이아몬드의 직접적인 증착의 첫번째 성공적인 입증으로의 합성 경로를 제공한다. 예를 들면, 화합물 반도체 에피레이어(compound semiconductor epilayer) 구조물은 다이아몬드 열 확산 층에 직접 결합되면서 다음의 특성들 중 하나 이상을 가질 수 있다:
적어도 1200cm2V-1s-1, 1400cm2V-1s-1, 또는 1600cm2V-1s-1의 전하 이동성;
700 Ω/스퀘어(square), 600Ω/스퀘어, 또는 500Ω/스퀘어 이하의 시트 저항(sheet resistance);
10- 5amp, 10- 6amp, 10- 7amp 이하의 누전전류(current leakage); 및
적어도 5W/mm, 6W/mm, 또는 7W/mm의 최대 전력.
본 발명은 구현예들을 참조로 특수하게 나타내고 기술하였지만, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 영역으로부터 벗어남이 없이 형태 및 세부사항에 있어서 다양한 변화가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (18)

  1. 단결정 화합물 반도체 물질의 층; 및
    다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층;을 포함하되,
    상기 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층은 화합물 반도체 물질의 층에 직접 결합된 나노-결성성 다이아몬드의 층을 통해 화합물 반도체 물질의 층에 결합하며, 나노-결정성 다이아몬드의 층의 두께는 5 내지 50nm의 범위이고 화합물 반도체 물질의 층과 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층 사이의 경계면에서 일시적인 열반사율에 의해 측정된 유효 열 경계 저항(TBReff)이 50m2K/GW 이하가 되도록 구성되는 반도체 장치 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노-결정성 다이아몬드의 층의 두께가 10 내지 40nm의 범위인 반도체 장치 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노-결정성 다이아몬드의 층의 두께가 15 내지 30nm의 범위인 반도체 장치 구조물.
  4. 제1항 내지 제3항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노-결정성 다이아몬드의 층이 투과 전자 현미경 영상을 사용하여 측정된 것으로서 10% 이하의 공극의 용적 분율(volume fraction)을 갖는 반도체 장치 구조물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 나노-결정성 다이아몬드의 층 내의 공극의 용적 분율이 8%, 6%, 또는 4% 이하인 반도체 장치 구조물.
  6. 제1항 내지 제5항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노-결정성 다이아몬드의 층이 적어도 200nm x 100nm의 영역을 포함하는 대표적인 샘플에서 두께가 20nm 이상인 공극을 가지지 않는 반도체 장치 구조물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 나노 결정성 다이아몬드의 층이, 적어도 200nm x 100nm의 면적을 포함하는 대표적인 샘플에서 두께가 15nm, 10nm, 또는 5nm인 공극을 포함하지 않는 반도체 장치 구조물.
  8. 제1항 내지 제7항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 결정성 다이아몬드의 층이, 적어도 200nm x 100nm의 면적을 포함하는 대표적인 샘플에서 투과 전자 현미경 영상으로 식별가능한 가시적인 공극을 가지지 않는 반도체 장치 구조물.
  9. 제1항 내지 제8항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층이, 두께가 적어도 5 마이크로미터, 10 마이크로미터, 20 마이크로미터, 30 마이크로미터, 50 마이크로미터, 80 마이크로미터, 100 마이크로미터, 200 마이크로미터, 300 마이크로미터, 또는 500 마이크로미터인 반도체 장치 구조물.
  10. 제1항 내지 제9항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층이, 크기가 1 마이크론 이상인 그레인을 포함하는 반도체 장치 구조물.
  11. 제1항 내지 제10항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    화합물 반도체 물질의 층과 다결정성 CVD 다이아몬드 물질의 층 사이의 경계면에서 일시적인 열반사율에 의해 측정된 유효 열 경계 저항(TBReff)이 40m2K/GW 이하, 또는 30m2K/GW 이하인 반도체 장치 구조물.
  12. 제1항 내지 제11항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    단결정 화합물 반도체 물질의 층의 III 내지 V족 화합물 반도체 물질을 포함하는 반도체 장치 구조물.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 III 내지 V족 화합물 반도체 물질이 질화갈륨인 반도체 장치 구조물.
  14. 제1항 내지 제13항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 화합물 반도체 층이 다음 특성들 중의 하나 이상을 갖는 반도체 장치 구조물:
    적어도 1200cm2V-1s-1, 1400cm2V-1s-1, 또는 1600cm2V-1s-1의 전하 이동도;
    700 Ω/스퀘어(square), 600Ω/스퀘어, 또는 500Ω/스퀘어 이하의 시트 저항(sheet resistance);
    10- 5amp, 10- 6amp, 10- 7amp 이하의 누설전류(current leakage); 및
    적어도 5W/mm, 6W/mm, 또는 7W/mm의 최대 전력.
  15. 화합물 반도체 물질의 층을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
    상기 화합물 반도체 물질의 층 위에 층 두께가 5 내지 50nm 범위인 나노-결정성 다이아몬드의 씨드 층을 형성시키는 단계; 및
    화학적 증착(CVD) 기술을 사용하여 상기 씨드 층 위에 다결정성 CVD 다이아몬드의 층을 성장시키는 단계;를 포함하여, 청구항 1 내지 청구항 14 중의 어느 한 항에 따른 반도체 장치 구조물을 제작하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 씨드 층이, 평균 입자 크기가 15nm 또는 10nm 이하이고/이거나 1nm 이상인 나노결정성 다이아몬드 분말을 사용하여 형성되는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 씨딩 단계에 사용된 나노결정성 다이아몬드 분말의 D90 입자 크기가 40nm, 30nm, 또는 20nm 이하인 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 씨드 층이 요구된 유효 열 경계 저항(TBReff)을 달성하기 위해 조절된 증착 매개변수를 지닌 나노결정성 다이아몬드 분말의 콜로이드성 현탁액을 사용하여 형성되는 방법.
KR1020177016848A 2014-12-18 2015-12-09 다결정성 cvd 다이아몬드를 포함하는 화합물 반도체 구조물 KR101990578B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201462093717P 2014-12-18 2014-12-18
US62/093,717 2014-12-18
GB1502954.9 2015-02-23
GB201502954A GB201502954D0 (en) 2015-02-23 2015-02-23 Compound semiconductor device structures comprising polycrystalline CVD diamond
PCT/EP2015/079054 WO2016096551A1 (en) 2014-12-18 2015-12-09 Compound semiconductor device structures comprising polycrystalline cvd diamond

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170095879A true KR20170095879A (ko) 2017-08-23
KR101990578B1 KR101990578B1 (ko) 2019-06-19

Family

ID=52822004

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177016848A KR101990578B1 (ko) 2014-12-18 2015-12-09 다결정성 cvd 다이아몬드를 포함하는 화합물 반도체 구조물

Country Status (7)

Country Link
US (2) US10319580B2 (ko)
EP (1) EP3234984B1 (ko)
JP (2) JP6556842B2 (ko)
KR (1) KR101990578B1 (ko)
CN (1) CN107347256B (ko)
GB (2) GB201502954D0 (ko)
WO (1) WO2016096551A1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200041289A (ko) * 2017-08-31 2020-04-21 알에프에이치아이씨 주식회사 Ⅲ족-질화물 및 다이아몬드층을 갖는 웨이퍼
KR20210137295A (ko) * 2020-05-07 2021-11-17 한국세라믹기술원 반도체용 다이아몬드 박막 제조방법
KR20220093788A (ko) * 2020-12-28 2022-07-05 알에프에이치아이씨 주식회사 다이아몬드 기판, 다이아몬드 커버, 다이아몬드 플레이트 및 반도체 패키지의 제조 공정, 및 이를 이용하여 제조된 반도체 패키지

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201502954D0 (en) * 2015-02-23 2015-04-08 Element Six Technologies Ltd Compound semiconductor device structures comprising polycrystalline CVD diamond
US10594298B2 (en) * 2017-06-19 2020-03-17 Rfhic Corporation Bulk acoustic wave filter
GB201809206D0 (en) * 2018-06-05 2018-07-25 Pontificia Univ Catolica Madre Y Maestra Autopista Duarte Km 1 1/2 Sp3-bonded carbon materials, methods of manufacturing and uses thereof
CN110164766B (zh) * 2019-04-23 2021-01-15 西安电子科技大学 一种基于金刚石衬底的氮化镓器件及其制备方法
WO2020263845A1 (en) * 2019-06-24 2020-12-30 Akash Systems, Inc. Material growth on wide-bandgap semiconductor materials
RU2750234C1 (ru) * 2020-07-24 2021-06-24 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Способ получения поликристаллических алмазных пленок
CN117916848A (zh) * 2020-12-22 2024-04-19 阿卡什系统公司 具有导热衬底的器件和形成导热衬底的方法
CN113224200B (zh) * 2021-05-08 2022-11-04 西北核技术研究所 一种氮化镓半导体辐射探测器及其制备方法和检测设备

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003147527A (ja) * 2001-11-08 2003-05-21 Kobe Steel Ltd ダイヤモンド被覆非ダイヤモンド炭素部材及びその製造方法
JP2013018692A (ja) * 2011-07-14 2013-01-31 Japan Vilene Co Ltd ダイヤモンド膜及びその製造方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4427714C2 (de) 1994-08-05 1996-07-11 Daimler Benz Ag Verfahren zum Bekeimen eines Substrats zur späteren Herstellung einer Komposit-Struktur
US7132309B2 (en) * 2003-04-22 2006-11-07 Chien-Min Sung Semiconductor-on-diamond devices and methods of forming
WO2006113539A2 (en) 2005-04-13 2006-10-26 Group4 Labs, Llc Semiconductor devices having gallium nitride epilayers on diamond substrates
FR2898657B1 (fr) * 2006-03-16 2008-04-18 Novatec Sa Procede de mise en oeuvre d'un support intercalaire universel
US8236594B2 (en) 2006-10-20 2012-08-07 Chien-Min Sung Semiconductor-on-diamond devices and associated methods
US7943485B2 (en) 2007-01-22 2011-05-17 Group4 Labs, Llc Composite wafers having bulk-quality semiconductor layers and method of manufacturing thereof
WO2009073866A1 (en) * 2007-12-07 2009-06-11 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Gate after diamond transistor
TR201910676T4 (tr) * 2008-07-18 2019-08-21 Neogi Jayant Değerli taşlar üzerinde nanokristal elmas kaplamaların üretilmesine yönelik yöntem.
WO2010010176A1 (fr) 2008-07-25 2010-01-28 Commissariat A L'energie Atomique Procede de microstructuration d'une couche de diamant
DE102010062873A1 (de) * 2010-12-13 2012-06-14 Sb Limotive Company Ltd. Lithium-Ionen-Zelle, Lithium-Ionen-Akkumulator sowie Kraftfahrzeug mit einem Lithium-Ionen-Akkumulator
GB201121666D0 (en) 2011-12-16 2012-01-25 Element Six Ltd Synthetic diamond coated compound semiconductor substrates
US9685513B2 (en) 2012-10-24 2017-06-20 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Semiconductor structure or device integrated with diamond
CN103132048B (zh) * 2013-02-05 2015-09-16 廊坊西波尔钻石技术有限公司 一种多晶金刚石磨料及化学气相沉积(cvd)制作方法
GB201319117D0 (en) * 2013-10-30 2013-12-11 Element Six Technologies Us Corp Semiconductor device structures comprising polycrystalline CVD Diamond with improved near-substrate thermal conductivity
US20160161991A1 (en) * 2014-12-08 2016-06-09 Rubicon Technology, Inc. Ultra-Thin, Passively Cooled Sapphire Windows
GB201502954D0 (en) * 2015-02-23 2015-04-08 Element Six Technologies Ltd Compound semiconductor device structures comprising polycrystalline CVD diamond

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003147527A (ja) * 2001-11-08 2003-05-21 Kobe Steel Ltd ダイヤモンド被覆非ダイヤモンド炭素部材及びその製造方法
JP2013018692A (ja) * 2011-07-14 2013-01-31 Japan Vilene Co Ltd ダイヤモンド膜及びその製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. W. Pomeroy et. al., "Low thermal resistance GaN-on-diamond transistors..."Applied Physics Letter. 104, 083513, 26 February 2014, pp. 1-5, 1부.* *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200041289A (ko) * 2017-08-31 2020-04-21 알에프에이치아이씨 주식회사 Ⅲ족-질화물 및 다이아몬드층을 갖는 웨이퍼
KR20210137295A (ko) * 2020-05-07 2021-11-17 한국세라믹기술원 반도체용 다이아몬드 박막 제조방법
KR20220093788A (ko) * 2020-12-28 2022-07-05 알에프에이치아이씨 주식회사 다이아몬드 기판, 다이아몬드 커버, 다이아몬드 플레이트 및 반도체 패키지의 제조 공정, 및 이를 이용하여 제조된 반도체 패키지

Also Published As

Publication number Publication date
KR101990578B1 (ko) 2019-06-19
US10699896B2 (en) 2020-06-30
JP2018201039A (ja) 2018-12-20
US10319580B2 (en) 2019-06-11
GB2534674B (en) 2017-05-10
GB201502954D0 (en) 2015-04-08
JP6827020B2 (ja) 2021-02-10
WO2016096551A1 (en) 2016-06-23
CN107347256A (zh) 2017-11-14
US20190252183A1 (en) 2019-08-15
CN107347256B (zh) 2020-09-22
EP3234984A1 (en) 2017-10-25
JP6556842B2 (ja) 2019-08-07
JP2018506167A (ja) 2018-03-01
GB201521646D0 (en) 2016-01-20
US20170263448A1 (en) 2017-09-14
EP3234984B1 (en) 2021-05-19
GB2534674A (en) 2016-08-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101990578B1 (ko) 다결정성 cvd 다이아몬드를 포함하는 화합물 반도체 구조물
KR101940200B1 (ko) 다결정성 cvd 다이아몬드를 포함하는 화합물 반도체 구조물
Liang et al. Fabrication of GaN/diamond heterointerface and interfacial chemical bonding state for highly efficient device design
US7365374B2 (en) Gallium nitride material structures including substrates and methods associated with the same
US20130298823A1 (en) Gallium-Nitride-On-Diamond Wafers and Manufacturing Equipment and Methods of Manufacture
Stark et al. Green cubic GaInN/GaN light-emitting diode on microstructured silicon (100)
Chernykh et al. GaN-based heterostructures with CVD diamond heat sinks: A new fabrication approach towards efficient electronic devices
Hellman et al. Nucleation of AlN on the (7× 7) Reconstructed Silicon (1 1 1) Surface
WO2022019799A1 (ru) Гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом
Ramizy et al. The effect of sub-band gap photon illumination on the properties of GaN layers grown on Si (111) by MBE
Osinsky et al. New concepts and preliminary results for SiC bipolar transistors: ZnSiN/sub 2/and ZnGeN/sub 2/heterojunction emitters
Chernyak et al. Minority electron transport anisotropy in p-type Al/sub x/Ga/sub 1-x/N/GaN superlattices
KR100793443B1 (ko) 질화물계 화합물 반도체용 기판 구조체 및 그 제조방법
RU2802796C1 (ru) Гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом для полупроводниковых приборов и способ ее изготовления
Sang et al. AlN as interlayer for effective thermal dissipation from gallium nitride to CVD diamond using nanocrystalline diamond seeding
Rossi Nanocrystalline diamond growth for top heat-spreading applications on GaN-based devices
Tong et al. Thermal conductivity measurement of pulsed-movpe inn alloy grown on GaN/Sapphire by 3ω method

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant