[發明專利]一種制備金剛石基襯底氮化鎵晶體管的方法

在審

• 申請號: 201811089355.7
• 申請日: 2018-09-18
• 公開（公告）號: CN109256336A
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 李成明;賈鑫;魏俊俊;劉金龍;陳良賢
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01L21/335
• 分類號: H01L21/335;H01L23/373
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種制備金剛石基襯底氮化鎵晶體管器件的方法，屬于半導體工藝技術領域。首先在GaN正面沉積一定厚度的介電層后沉積金剛石膜，然后去除原始襯底和GaN形核層，之后在剩余GaN表面沉積高質量GaN器件層，獲得金剛石基GaN晶片，最終在金剛石基氮化鎵晶片上制備晶體管器件，從而獲得基于金剛石襯底的氮化鎵晶體管器件。本發明方法不僅解決了如何將GaN晶片轉移至臨時載體的問題，而且降低了轉移過程中氮化鎵晶片破裂的風險；同時得到的金剛石基GaN晶片屬于同質外延生長的晶片，GaN層質量更高，界面結合力更強，大大降低界面熱阻，充分發揮金剛石膜高導熱性能的潛力。這種金剛石基氮化鎵晶片可以用于解決高功率器件的熱擴散問題。

技術領域

本發明屬于半導體工藝技術領域，特別是涉及一種制備金剛石基襯底氮化鎵晶體管的方法。

背景技術

近年來，以GaN為代表的第三代半導體材料具有高二維電子氣濃度、高擊穿場強、高的電子飽和速度等特點。在白光LED、短波長激光器、紫外探測器以及高溫大功率器件中具有廣泛的應用前景。但是GaN基晶體管器件的優良功率性能并未充分發揮，其主要原因是氮化鎵功率器件在輸出大功率時會產生大量的熱，但是這些大量的熱量無法快速擴散出去，導致器件穩定性和可靠性嚴重降低。目前氮化鎵材料主要外延生長在碳化硅、藍寶石、硅等襯底上，這些襯底材料的熱導率較低，嚴重制約GaN器件的散熱效果，限制了GaN器件的性能。

因此，尋找高導熱材料作為氮化鎵器件襯底成為解決散熱問題的途徑。目前，金剛石是自然界中熱導率最高的材料，所以金剛石基氮化鎵比藍寶石基氮化鎵、硅基氮化鎵及碳化硅基氮化鎵具有更好的散熱優勢。目前制備金剛石基氮化鎵器件主要有兩種方法：鍵合法和直接外延生長法。其中美國的第四團隊實驗室的Francis D和加利福尼亞大學的Wasserbauer J在《Diamond and Related Materials》雜志中報道了利用原子鍵合技術，獲得了氮化鎵-金剛石晶片，并且討論了熱膨脹差異引起晶片的翹曲和變形，同時認為如何在減小晶圓變形和降低熱膨脹失配及提高鍵合成功率等方面還存在挑戰。中國電子科技集團也利用鍵合技術實現了氮化鎵外延層轉移并獲得了金剛石基GaN晶片，其主要步驟是在臨時載體正面旋涂粘結劑，將Si基GaN和臨時載體正面鍵合，將硅襯底去除，在金剛石正面生長介質層，激活金剛石正面；在室溫下實現以臨時載體為支撐的GaN圓片和金剛石的鍵合再退火，用粘結劑去除液分離金剛石與臨時載體，使GaN外延層轉移到金剛石上。該方法的缺點是界面熱阻高，不利于充分發揮金剛石襯底高導熱性能；鍵合均勻性較低，容易產生鍵合盲點，導致器件穩定性和安全性難以保障。而布里斯托大學的Dong Liu和元素6公司的Daniel Francis和FiroozFaili等人在《Scripta Materialia》報道了一種利用LPCVD在氮化鎵上沉積一層30nm的介電層后，用不同粒度的納米金剛石粉為晶種，在氮化鎵上沉積金剛石，但是沒有考慮去除原始襯底后氮化鎵變形和熱膨脹系數失配引起的應力集中，以及晶種引入對氮化鎵的損壞，在界面處形成連續的通孔，導致氮化鎵存在裂痕。布里斯托大學的HuaruiSun和Roland B.Simon和元素6公司的DanielFrancis在《APPLIED PHYSICSLETTERS》中報道一種在氮化鎵背面沉積金剛石的方法，主要報道了通過減小過渡層厚度和金剛石形核層厚度來降低界面熱阻的方法，文中未提出如何安裝臨時載體以及原始襯底去除后氮化鎵破損情況。

發明內容

本發明的目的在于提供一種制備基于金剛石襯底的氮化鎵晶體管器件的方法。其目的是避免氮化鎵表面沉積金剛石膜后對氮化鎵的損傷，這種方法不僅可以大幅度提高金剛石基氮化鎵晶片的制備成功率，還可以降低轉移過程中氮化鎵晶片破裂的風險；同時得到的金剛石基GaN晶片屬于同質外延生長晶片，高質量的GaN層和界面的良好結合可以大大降低界面熱阻，充分發揮金剛石膜高導熱性能的潛力。這種金剛石基氮化鎵晶片可以用于解決高功率器件的熱擴散問題。