[發明專利]一種金剛石基氮化鎵復合晶片及其鍵合制備方法

在審

• 申請號: 202010586692.8
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111900200A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 胡文波;白海洋;王康;吳勝利;王宏興;曹夢逸;謝榮華;張宗民;阮坤
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L29/20
• 分類號: H01L29/20;H01L21/67
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 房鑫

一種金剛石基氮化鎵復合晶片及其鍵合制備方法，該晶片具有氮化鎵/成核層/碳化硅/金屬中間層/金剛石襯底、氮化鎵/金屬中間層/金剛石襯底、氮化鎵/陶瓷膜層/金屬中間層/金剛石襯底等結構，主要制備步驟為：減薄氮化鎵的碳化硅襯底，或者將碳化硅襯底完全剝離并減薄氮化鎵層；對碳化硅襯底或氮化鎵層及金剛石的待鍵合表面進行拋光和氬等離子體處理；在碳化硅襯底待鍵合表面沉積金屬緩沖層及金膜，或者在氮化鎵層待鍵合表面沉積金屬緩沖層和金膜或沉積陶瓷膜層、金屬緩沖層和金膜，在金剛石待鍵合表面沉積金屬緩沖層和金膜；先進行氮化鎵與金剛石的預鍵合，再進行二次鍵合；對金剛石基氮化鎵復合晶片進行退火處理。本發明能提高鍵合強度。

技術領域

本發明屬于半導體與集成電路技術領域，具體涉及一種金剛石基氮化鎵復合晶片及其鍵合制備方法，可應用于微波射頻器件和電力電子器件的制作。

背景技術

氮化鎵作為第三代半導體材料，與硅和砷化鎵材料相比，具有禁帶寬度大、擊穿場強高、飽和電子速度大、耐高溫以及抗輻射能力強等特點，非常適合于高溫大功率器件、高頻微波器件、紫外和核輻射探測器件的制作，在通信、電力電子等技術領域均具有極高的應用價值。然而，嚴重的自熱效應和低熱導率限制了氮化鎵器件固有優勢的完全發揮，成為制約氮化鎵器件進一步向高頻、大功率方向發展的技術瓶頸。

金剛石具有很高的熱導率，是碳化硅(氮化鎵器件常用襯底材料之一)熱導率的近五倍，用金剛石作為襯底材料可有效降低氮化鎵器件的熱阻，顯著降低AlGaN/GaN結區溫度。近年來國際上已開展的研究表明，采用金剛石襯底的氮化鎵器件(金剛石基氮化鎵復合器件)與以碳化硅為襯底的氮化鎵器件(碳化硅基氮化鎵復合器件)相比，由于散熱問題的解決，器件輸出功率密度、功率附加效率和可靠性均得到明顯提高，并使模組尺寸進一步減小。因此，采用金剛石襯底是解決氮化鎵器件熱管理問題的一種有效方法。金剛石基氮化鎵復合器件正發展成為高頻和大功率半導體器件的一項主流技術。

目前制備金剛石基氮化鎵復合器件主要有三種方法，分別是在氮化鎵表面外延生長金剛石、在金剛石表面外延生長氮化鎵以及氮化鎵與金剛石的鍵合。對于前兩種方法，由于氮化鎵與金剛石的熱膨脹系數之間有較大失配，在較高溫度下進行金剛石或氮化鎵的外延生長，外延層中存在較大應力，容易引起晶片翹曲；此外，氮化鎵與金剛石的晶格常數也存在較大差異，難以生長出高質量的氮化鎵或金剛石外延層。與前兩種采用金剛石或氮化鎵外延生長方法制備金剛石基氮化鎵復合器件不同，第三種方法采用的是氮化鎵與金剛石的鍵合技術，該方法的優點是可以分別采用各自最佳的工藝制備出高質量的氮化鎵和金剛石，鍵合可以在較低溫度甚至室溫下進行，避免了兩種材料由于熱膨脹系數和晶格常數失配所帶來的問題。采用鍵合法制備金剛石基氮化鎵復合器件，降低界面熱阻、減少鍵合空洞率及提高鍵合強度是獲得高鍵合質量的關鍵。

發明內容

本發明的目的在于針對氮化鎵器件制備存在的問題，提供一種金剛石基氮化鎵復合晶片及其鍵合制備方法，能有效降低氮化鎵與金剛石的界面熱阻、減少鍵合空洞率并提高鍵合強度，從而制備出高性能的金剛石基氮化鎵復合晶片，提升氮化鎵器件優勢的發揮。

為了實現上述目的，本發明采用如下的技術方案：

一種金剛石基氮化鎵復合晶片，具有以下a)、b)和c)中的任意一種結構：

a)依次由氮化鎵、成核層、碳化硅、金屬中間層、金剛石襯底形成的多層結構；

b)依次由氮化鎵、金屬中間層、金剛石襯底形成的多層結構；

c)依次由氮化鎵、陶瓷膜層、金屬中間層、金剛石襯底形成的多層結構，所述陶瓷膜層的材料為氮化鋁或碳化硅；

所述的金屬中間層具有依次設置的金屬緩沖層、金膜層及金屬緩沖層三層結構；所述金屬緩沖層的材料為鎢、鉬或鋁。