[發明專利]化合物半導體裝置結構及其制造方法

有效

• 申請號: 201580068727.6
• 申請日: 2015-12-09
• 公開（公告）號: CN107135666B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 法蘭克揚蒂斯·勞;丹尼爾·法蘭西斯;菲洛茲·納瑟-菲利;丹尼爾詹姆斯·推辰
• 申請（專利權）人: RFHIC公司
• 主分類號: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 張晶;王瑩

本發明揭露了一種半導體裝置結構，其包含：單晶化合物半導體材料層；以及多晶化學氣相沉積鉆石材料層，其中該多晶化學氣相沉積鉆石材料層經由厚度小于25nm、厚度變化不大于15nm的接合層與該單晶化合物半導體材料層接合，其中通過該單晶化合物半導體材料層與該多晶化學氣相沉積鉆石材料層之間的接口處的瞬態熱反射所測量的有效熱邊界電阻(TBR_eff)小于25m²K/GW，在該半導體裝置結構上測量的變化幅度不超過12m²K/GW，并且其中該單晶化合物半導體材料層具有以下特征之一或兩者：電荷遷移率至少為1200cm²V^?1s^?1；以及片電阻不超過700□/平方。

技術領域

本發明的某些實施例涉及化合物半導體裝置結構和制造方法，其包含在化合物半導體和多晶化學氣相沉積鉆石之間具有低熱邊界電阻的多晶化學氣相沉積鉆石。本發明的主要應用是大功率電子和光電裝置的熱管理。

背景技術

半導體裝置和電路中的熱管理是任何可制造且具有成本效益的電子和光電產品(如光生成和電信號放大)的關鍵設計元素。高效熱設計的目標是降低這種電子或光電裝置的工作溫度，同時最大限度地提高性能(功率和速度)和可靠性。這種裝置的實例是微波電晶體，發光二極管和半導體激光器。根據操作頻率和功率要求，這些裝置通常由硅(silicon)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)制造，且近年來也由氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)及其他間隙半導體制造。特別地，氮化鎵材料系統產生具有高電子遷移率(高速操作所必需的)、高擊穿電壓(高功率所必需的)和高于砷化鎵，磷化銦或硅的熱導率的微波電晶體，因此有利于在大功率應用中使用。氮化鎵也用于制造藍光和紫外線激光器和發光二極管。盡管具有高溫性能，但由于通常用于生長氮化鎵的基板的相對較低的耐熱性(thermalresistance)，氮化鎵電子和光電子裝置的性能受到限制。這種缺陷在大功率微波及毫米波電晶體以及放大器中最為顯著，其中減少冷卻要求和更長的裝置壽命都受益于較低的接面溫度(junction temperature)，這是非常關鍵的需求。在大功率藍光和紫外激光器中也出現了類似的需求，其中幾微米寬的激光模槽條(cavity stripe)通過低導熱性材料將功率耗散到晶片中。

眾所周知，當考慮等向行為(isotropic behaviors)時，鉆石是人類在室溫下已知的最導熱的物質。因此，自從1980年代通過化學氣相沉積技術商業化人造鉆石，半導體工業一直采用鉆石散熱器和散熱器來改良熱管理。最佳熱管理的目標是使鉆石散熱器或鉆石層緊靠電子或光電裝置中的熱源。這意味著在薄的晶片上構建裝置，并安裝在鉆石散熱器、具有鉆石層的涂層裝置上、或將裝置外延層(epilayers，即外延生長的半導體層)轉移到鉆石上。

鉆石氮化鎵(GaN-on-diamond)技術和所得到的裝置(描述于美國專利7,595,507中)涉及具有從化學氣相沉積鉆石基板小于1微米的氮化鎵外延層的結構。該技術可將最佳熱導體(鉆石)與基于氮化鎵(GaN)和氮化鎵相關化合物的電子和光電子裝置接合在一起，同時最小化與例如更常見的半導體-焊料-鉆石(semiconductor-solder-diamond)附著相關聯的任何熱障礙方案。由于氮化鎵的固有高臨界電場和寬帶隙(bandgap)，氮化鎵裝置對于高功率電子和光電子應用是比較理想的，例如高功率RF電晶體和放大器、功率管理裝置(肖特基二極管(Schottky diodes)和開關電晶體)以及高功率藍光和紫外線激光器或發光二極管。