本發(fā)明屬于GaN HEMTs散熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金剛石熱沉襯底GaN HEMsT制備方法。

背景技術(shù)：

GaN HEMTs作為典型的功率半導(dǎo)體器件，具有耐高壓、大電流、高功率、耐高溫的優(yōu)勢，是一種非常有應(yīng)用前景的電力電子器件。然而隨著器件輸出功率的不斷提高，器件所產(chǎn)生的熱量將急劇升高，如果這些熱量沒有及時(shí)散發(fā)出去，器件內(nèi)部因發(fā)熱產(chǎn)生的高溫將嚴(yán)重影響器件的性能。因此，散熱成為GaN HEMTs功率器件設(shè)計(jì)和制造過程中一個(gè)亟待解決課題。

傳統(tǒng)的解決GaN HEMTs功率器件散熱的方法是將器件制備在藍(lán)寶石或SiC襯底上，利用藍(lán)寶石、SiC襯底散熱，然而藍(lán)寶石、SiC有限熱導(dǎo)率(藍(lán)寶石熱導(dǎo)率35W/m·K、SiC熱導(dǎo)率490W/m·K)很難滿足器件高頻、大功率應(yīng)用時(shí)的散熱需求。金剛石具有極高的熱導(dǎo)率，IIa型天然單晶金剛石的室溫?zé)釋?dǎo)率高達(dá)2000W/m·K，采用金剛石作熱沉可以有效地解決GaN HEMTs功率器件散熱問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種金剛石熱沉襯底GaN HEMTs制備方法，其目的在于形成以金剛石襯底做熱沉的GaN HEMTs器件，利用金剛石的高熱導(dǎo)率來解決GaN HEMTs功率器件高頻、大功率應(yīng)用時(shí)的散熱問題。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種金剛石熱沉襯底GaN基HEMTs制備方法，包括以下步驟：

S1：在藍(lán)寶石襯底上MOCVD生長GaN基HEMTs外延結(jié)構(gòu)；

S2：采用激光剝離技術(shù)對步驟S1所述藍(lán)寶石襯底進(jìn)行剝離；

S3：刻蝕、拋光GaN底表面外延層，同時(shí)拋光金剛石熱沉片；

S4：將步驟S2制備的所述GaN底表面和步驟S3制備的所述金剛石熱沉片表面進(jìn)行拋光并淀積薄層，薄層上鍵合粘合劑，進(jìn)行低溫鍵合、固化得到金剛石/GaN基HEMTs外延材料/Si三層結(jié)構(gòu)；

S5：去除所述步驟S4得到的金剛石/GaN基HEMTs外延材料/Si三層結(jié)構(gòu)中Si晶片的臨時(shí)支撐材料，得到金剛石/GaN基HEMTs外延材料兩層結(jié)構(gòu)；

S6：ICP刻蝕GaN基HEMTs外延材料，進(jìn)行器件隔離；

S7：制備器件電極。

進(jìn)一步的，所述步驟S1具體包括以下步驟：

S11：藍(lán)寶石襯底清洗，丙酮、去離子水分別超聲2～3分鐘；

S12:將藍(lán)寶石襯底在900～1000℃的H₂氣氛下進(jìn)行烘烤；

S13：以三甲基鎵和氨氣分別作為Ga源和N源，N₂和H₂作為載氣，530～580℃下采用MOCVD技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上低溫生長20nm的GaN成核層；

S14：繼續(xù)升溫至1050℃生長3.5μm的GaN緩沖層；

S15：再升溫至1100℃，在氫氣氛圍下生長100nm的GaN-UID溝道層；

S16：保持溫度不變，以三甲基鋁和氨氣分別作為Al源和N源在生長1nm的AlN插入層；

S17：最后以三甲基鎵、三甲基鋁和氨氣分別作為Ga源、Al源和N源，N₂和H₂作為載氣MOCVD交替生長25nm的AlGaN勢壘層。

進(jìn)一步的，所述外延材料具體為：藍(lán)寶石襯底單面拋光，厚度500μm，GaN成核層厚度20nm，GaN緩沖層厚度3.5μm，本征GaN層厚度100nm，AlN層厚度1nm，AlGaN勢壘層厚度20nm。

進(jìn)一步的，步驟S2具體為：

S21：取Si晶片作為臨時(shí)支撐材料，用熱塑性粘合劑將所述Si臨時(shí)支撐材料粘到所述GaN基HEMTs外延材料上，形成藍(lán)寶石/GaN基HEMTs外延材料/Si三層結(jié)構(gòu)；

S22：用波長248～480nm，脈沖寬度38ns KrF脈沖激光從藍(lán)寶石一面掃描整個(gè)樣品，激光脈沖的能量密度由焦距40cm的石英透鏡調(diào)節(jié)；

S23：加熱所述藍(lán)寶石/GaN基HEMTs外延材料Si三層結(jié)構(gòu)，去除藍(lán)寶石襯底，得到GaN基HEMTs外延材料/Si兩層結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述步驟S23中，加熱所述藍(lán)寶石襯底到Ga的熔點(diǎn)29℃以上。

進(jìn)一步的，所述步驟S4中低溫鍵合具體為：分別對GaN底表面和金剛石熱沉片表面進(jìn)行拋光并淀積一薄層，薄層上設(shè)置有鍵合粘合劑苯并環(huán)丁烯BCB，然后將所述GaN底表面和金剛石熱沉片緊密接觸進(jìn)行低溫鍵合、固化得到金剛石/GaN基HEMTs外延材料/Si三層結(jié)構(gòu)，鍵合、固化溫度不超過150℃。

進(jìn)一步的，所述步驟S6具體為：

先對所述金剛石熱沉/GaN基HEMTs外延材料清洗，再進(jìn)行歐姆接觸，然后離子注入隔離，形成肖特基柵，最后生長Si₃N₄隔離層。

進(jìn)一步的，所述外延清洗采用三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去離子水超聲各3～5分鐘，氮?dú)獯蹈?；然后采用磁控濺射Ti/Al/TiAu，N₂保護(hù)下在850～900℃、50s進(jìn)行退火；再注He⁺20KeV，1×10¹⁵cm^-2和50KeV，1×10¹⁴cm^-2；然后光刻3μm柵，磁控濺射Ni/Au，剝離形成肖特基柵，最后生長隔離層。

進(jìn)一步的，所述步驟S7制備器件電極具體為：先磁控濺射Ti/Al/TiAu制備源、漏歐姆電極，再He⁺離子注入隔離，磁控濺射Ni/Au，剝離形成肖特基柵電極；接著PECVD生長Si₃N₄場板絕緣介質(zhì)層；然后用ICP刻蝕進(jìn)行第一次刻孔；然后磁控濺射金屬Ni/Au，剝離形成源金屬場板；然后在PECVD上生長Si₃N₄鈍化層；然后用ICP刻蝕進(jìn)行第二次刻蝕接觸孔；然后磁控濺射Ni/Au，加厚電極；最后劃片封裝。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

本發(fā)明一種金剛石熱沉襯底GaN基HEMTs制備方法采用高熱導(dǎo)率的金剛石做熱沉，散熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)的襯底；鍵合方法采用低溫工作方式，有效避免了傳統(tǒng)的高溫鍵合對材料性能的損傷；藍(lán)寶石襯底激光剝離過程中，先把GaN基HEMTs外延材料倒轉(zhuǎn)到Si臨時(shí)支撐材料上，有效避免了激光剝離對GaN基HEMTs外延材料性能的影響。；

進(jìn)一步的，藍(lán)寶石襯底在1000℃的H2氣氛下進(jìn)行烘烤，能夠除去表面吸附雜質(zhì)，AlN插入層用來減少AlGaN勢壘層三元合金散射，提高二維電子氣的遷移率。

綜上所述，本發(fā)明所述制備方法工藝簡單、容易實(shí)現(xiàn)，重復(fù)性好。

下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

【附圖說明】

圖1為實(shí)施例1藍(lán)寶石襯底GaN基HEMTs外延材料剖面圖；

圖2為實(shí)施例2藍(lán)寶石襯底GaN基HEMTs外延材料向Si臨時(shí)支撐材料轉(zhuǎn)移示意圖；

圖3為實(shí)施例2脈沖激光掃描藍(lán)寶石襯底示意圖；

圖4為實(shí)施例2藍(lán)寶石襯底剝離示意圖；

圖5為實(shí)施例3GaN基HEMTs外延材料與金剛石熱沉襯底鍵合示意圖；

圖6為實(shí)施例3去除Si臨時(shí)支撐材料示意圖；

圖7為實(shí)施例4ICP刻蝕示意圖；

圖8為實(shí)施例4制備器件電極、場板、鈍化層示意圖。

其中：1.藍(lán)寶石襯底；2.GaN成核層；3.GaN緩沖層；4.本征GaN層；5.二維電子層；6.AlN層；7.AlGaN勢壘層；8.Si臨時(shí)支撐材料；9.粘合劑苯并環(huán)丁烯(BCB)；10.金剛石熱沉襯底；11.源歐姆電極；12.漏歐姆電極；13.肖特基柵電極；14.場板絕緣介質(zhì)層；15.金屬場板；16.鈍化層。

【具體實(shí)施方式】

一種金剛石熱沉襯底GaN基HEMTs制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：在藍(lán)寶石襯底1上MOCVD生長GaN基HEMTs外延材料；

請參閱圖1所示，所述藍(lán)寶石襯底GaN基HEMTs外延材料，藍(lán)寶石襯底(0001)單面拋光，厚度500μm，GaN成核層2厚度20nm,GaN緩沖層3厚度3.5μm，本征GaN層4厚度100nm，本征GaN層4上設(shè)置有二維電子層5，AlN層6厚度1nm，AlGaN勢壘層7厚度20nm，藍(lán)寶石襯底1上外延生長GaN基HEMTs外延材料包括以下步驟：

(1)藍(lán)寶石襯底清洗，丙酮、去離子水超聲各2～3分鐘；

(2)將藍(lán)寶石襯底在900～1000℃的H₂氣氛下進(jìn)行烘烤，除去表面吸附雜質(zhì)；

(3)以三甲基鎵TMGa和氨氣NH₃分別作為Ga源和N源，N₂和H₂作為載氣，530～580℃下采用MOCVD技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上低溫生20nmGaN成核層；

(4)接著升溫至1050℃生長3.5μmGaN緩沖層；

(5)升溫至1100℃，在氫氣氛圍下生長100nm厚GaN-UID溝道層；

(6)保持溫度不變，以三甲基鋁TMAl和氨氣NH₃分別作為Al源和N源在生長1nm厚AlN插入層，AlN插入層主要用來減少AlGaN勢壘層三元合金散射，提高二維電子氣的遷移率。

(7)最后以三甲基鎵TMGa，三甲基鋁TMAl和氨氣NH₃分別作為Ga源、Al源和N源，N₂和H₂作為載氣MOCVD交替生長25nm厚AlGaN勢壘層。

S2：采用激光剝離技術(shù)對步驟S1所述藍(lán)寶石襯底進(jìn)行剝離；

請參閱圖2、圖3和圖4所示，器件臨時(shí)支撐材料為(111)晶向Si的晶片，掃描激光采用波長為248～480nm,脈沖寬度為38ns KrF脈沖激光。包括以下步驟：

(1)取一塊Si(111)的晶片作為Si臨時(shí)支撐材料8，用粘合劑將所述藍(lán)寶石襯底GaN基HEMTs外延材料臨時(shí)倒轉(zhuǎn)到Si臨時(shí)支撐材料8上，形成藍(lán)寶石/藍(lán)GaN基HEMTs外延材料/Si的三層結(jié)構(gòu)；

(2)用一束波長248～480nm,脈沖寬度38ns KrF脈沖激光從藍(lán)寶石一面掃描整個(gè)樣品；激光脈沖的能量密度可以由一個(gè)焦距40cm的石英透鏡來調(diào)節(jié)。

(3)加熱所述藍(lán)寶石/GaN基HEMTs外延材料Si三層結(jié)構(gòu)(加熱襯底到Ga的熔點(diǎn)29℃以上)去除藍(lán)寶石襯底，得到GaN基HEMTs外延材料/Si兩層結(jié)構(gòu)；

S3：刻蝕、拋光GaN底表面外延層，同時(shí)拋光金剛石熱沉片；

S4：將步驟S2制備的所述GaN底表面和步驟S3制備的所述金剛石熱沉片表面進(jìn)行拋光并淀積薄層，薄層上鍵合粘合劑，進(jìn)行低溫鍵合、固化得到金剛石/GaN基HEMTs外延材料/Si三層結(jié)構(gòu)；

S5：去除所述金剛石/GaN基HEMTs外延材料/Si三層結(jié)構(gòu)中Si晶片的臨時(shí)支撐材料，得到金剛石/GaN基HEMTs外延材料兩層結(jié)構(gòu)；

請參閱圖5、圖6和圖7所示，金剛石為多晶金剛石，厚度0.3mm，粘合劑為苯并環(huán)丁烯(BCB)，鍵合時(shí)間25～30min，鍵合和固化溫度低于150℃。采用粘合劑低溫鍵合技術(shù)來完成GaN基HEMTs外延材料與金剛石熱沉襯底10低溫鍵合，包括以下步驟：

(1)刻蝕、拋光所述暴露的GaN底表面外延層，拋光到納米級表面粗糙度，為晶片鍵合做準(zhǔn)備，同時(shí)拋光金剛石熱沉片；

(2)在所述暴露的GaN底表面和金剛石熱沉片拋光淀積一薄層鍵合粘合劑苯并環(huán)丁烯(BCB)，所述兩部分緊密接觸進(jìn)行低溫鍵合、固化得到金剛石/GaN基HEMTs外延材料/Si三層結(jié)構(gòu)，鍵合、固化溫度不超過150℃。

(3)請參閱圖7所示，去除所述金剛石/GaN基HEMTs外延材料/Si三層結(jié)構(gòu)中Si晶片臨時(shí)支撐材料,得到金剛石熱沉襯底/GaN基HEMTs外延結(jié)構(gòu)。

S6：ICP刻蝕GaN基HEMTs外延材料，進(jìn)行器件隔離；

S7：制備器件電極。

請參閱圖8所示，肖特基柵電極采用Ni/Au復(fù)合兩層金屬結(jié)構(gòu)，源、漏歐姆電極采用Ti/Al/Ti/Au多層技術(shù)結(jié)構(gòu)，場板絕緣介質(zhì)采用氮化硅。完成金剛石熱沉襯底GaN基HEMTs的隔離、電極與場板的制備，包括以下步驟：

(1)所述金剛石熱沉/GaN基HEMTs外延材料清洗，三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去離子水超聲各3～5分鐘，氮?dú)獯蹈伞?/p>

(2)制備源歐姆電極11和漏歐姆電極12：磁控濺射Ti/Al/TiAu，N₂保護(hù)下850～900℃、50s退火；

(3)離子注入隔離：注He⁺20KeV，1×10¹⁵cm^-2和50KeV，1×10¹⁴cm^-2；

(4)形成肖特基柵電極：光刻3μm柵，磁控濺射Ni/Au，剝離形成肖特基柵電極13；

(5)PECVD生長Si₃N₄場板絕緣介質(zhì)層14；

(6)ICP第一次刻孔；

(7)磁控濺射金屬Ni/Au，剝離形成金屬源場板15；

(8)PECVD生長Si₃N₄鈍化層16；

(9)ICP第二次刻蝕接觸孔；

(10)磁控濺射Ni/Au，加厚電極；

(11)劃片封裝。