一种金刚石热沉衬底GaN HEMTs制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，包括在蓝宝石衬底上MOCVD生长GaN基HEMTs外延结构；再采用激光剥离技术对蓝宝石衬底进行剥离；再刻蚀、抛光GaN底表面外延层，同时抛光金刚石热沉片；再在GaN底表面和金刚石热沉片抛光淀积薄层键合粘合剂，进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构；再去除金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构中Si晶片的临时支撑材料，得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料两层结构；再ICP刻蚀GaN基HEMTs外延材料，进行器件隔离；最后制备器件电极。本发明专利技术采用高热导率的金刚石做热沉，散热效果优；低温键合方法有效避免了传统的高温键合对材料性能的损伤；蓝宝石衬底激光剥离有效避免了激光剥离对GaN基HEMTs外延材料性能的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于GaNHEMTs散热
，具体涉及一种金刚石热沉衬底GaNHEMsT制备方法。
技术介绍
GaNHEMTs作为典型的功率半导体器件，具有耐高压、大电流、高功率、耐高温的优势，是一种非常有应用前景的电力电子器件。然而随着器件输出功率的不断提高，器件所产生的热量将急剧升高，如果这些热量没有及时散发出去，器件内部因发热产生的高温将严重影响器件的性能。因此，散热成为GaNHEMTs功率器件设计和制造过程中一个亟待解决课题。传统的解决GaNHEMTs功率器件散热的方法是将器件制备在蓝宝石或SiC衬底上，利用蓝宝石、SiC衬底散热，然而蓝宝石、SiC有限热导率(蓝宝石热导率35W/m·K、SiC热导率490W/m·K)很难满足器件高频、大功率应用时的散热需求。金刚石具有极高的热导率，IIa型天然单晶金刚石的室温热导率高达2000W/m·K，采用金刚石作热沉可以有效地解决GaNHEMTs功率器件散热问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提出一种金刚石热沉衬底GaNHEMTs制备方法，其目的在于形成以金刚石衬底做热沉的GaNHEMTs器件，利用金刚石的高热导率来解决GaNHEMTs功率器件高频、大功率应用时的散热问题。本专利技术采用以下技术方案：一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，包括以下步骤：S1：在蓝宝石衬底上MOCVD生长GaN基HEMTs外延结构；S2：采用激光剥离技术对步骤S1所述蓝宝石衬底进行剥离；S3：刻蚀、抛光GaN底表面外延层，同时抛光金刚石热沉片；S4：将步骤S2制备的所述GaN底表面和步骤S3制备的所述金刚石热沉片表面进行抛光并淀积薄层，薄层上键合粘合剂，进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构；S5：去除所述步骤S4得到的金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构中Si晶片的临时支撑材料，得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料两层结构；S6：ICP刻蚀GaN基HEMTs外延材料，进行器件隔离；S7：制备器件电极。进一步的，所述步骤S1具体包括以下步骤：S11：蓝宝石衬底清洗，丙酮、去离子水分别超声2～3分钟；S12:将蓝宝石衬底在900～1000℃的H2气氛下进行烘烤；S13：以三甲基镓和氨气分别作为Ga源和N源，N2和H2作为载气，530～580℃下采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上低温生长20nm的GaN成核层；S14：继续升温至1050℃生长3.5μm的GaN缓冲层；S15：再升温至1100℃，在氢气氛围下生长100nm的GaN-UID沟道层；S16：保持温度不变，以三甲基铝和氨气分别作为Al源和N源在生长1nm的AlN插入层；S17：最后以三甲基镓、三甲基铝和氨气分别作为Ga源、Al源和N源，N2和H2作为载气MOCVD交替生长25nm的AlGaN势垒层。进一步的，所述外延材料具体为：蓝宝石衬底单面抛光，厚度500μm，GaN成核层厚度20nm，GaN缓冲层厚度3.5μm，本征GaN层厚度100nm，AlN层厚度1nm，AlGaN势垒层厚度20nm。进一步的，步骤S2具体为：S21：取Si晶片作为临时支撑材料，用热塑性粘合剂将所述Si临时支撑材料粘到所述GaN基HEMTs外延材料上，形成蓝宝石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构；S22：用波长248～480nm，脉冲宽度38nsKrF脉冲激光从蓝宝石一面扫描整个样品，激光脉冲的能量密度由焦距40cm的石英透镜调节；S23：加热所述蓝宝石/GaN基HEMTs外延材料Si三层结构，去除蓝宝石衬底，得到GaN基HEMTs外延材料/Si两层结构。进一步的，所述步骤S23中，加热所述蓝宝石衬底到Ga的熔点29℃以上。进一步的，所述步骤S4中低温键合具体为：分别对GaN底表面和金刚石热沉片表面进行抛光并淀积一薄层，薄层上设置有键合粘合剂苯并环丁烯BCB，然后将所述GaN底表面和金刚石热沉片紧密接触进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构，键合、固化温度不超过150℃。进一步的，所述步骤S6具体为：先对所述金刚石热沉/GaN基HEMTs外延材料清洗，再进行欧姆接触，然后离子注入隔离，形成肖特基栅，最后生长Si3N4隔离层。进一步的，所述外延清洗采用三氯化碳、四氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声各3～5分钟，氮气吹干；然后采用磁控溅射Ti/Al/TiAu，N2保护下在850～900℃、50s进行退火；再注He+20KeV，1×1015cm-2和50KeV，1×1014cm-2；然后光刻3μm栅，磁控溅射Ni/Au，剥离形成肖特基栅，最后生长隔离层。进一步的，所述步骤S7制备器件电极具体为：先磁控溅射Ti/Al/TiAu制备源、漏欧姆电极，再He+离子注入隔离，磁控溅射Ni/Au，剥离形成肖特基栅电极；接着PECVD生长Si3N4场板绝缘介质层；然后用ICP刻蚀进行第一次刻孔；然后磁控溅射金属Ni/Au，剥离形成源金属场板；然后在PECVD上生长Si3N4钝化层；然后用ICP刻蚀进行第二次刻蚀接触孔；然后磁控溅射Ni/Au，加厚电极；最后划片封装。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法采用高热导率的金刚石做热沉，散热效果优于传统的衬底；键合方法采用低温工作方式，有效避免了传统的高温键合对材料性能的损伤；蓝宝石衬底激光剥离过程中，先把GaN基HEMTs外延材料倒转到Si临时支撑材料上，有效避免了激光剥离对GaN基HEMTs外延材料性能的影响。；进一步的，蓝宝石衬底在1000℃的H2气氛下进行烘烤，能够除去表面吸附杂质，AlN插入层用来减少AlGaN势垒层三元合金散射，提高二维电子气的迁移率。综上所述，本专利技术所述制备方法工艺简单、容易实现，重复性好。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。【附图说明】图1为实施例1蓝宝石衬底GaN基HEMTs外延材料剖面图；图2为实施例2蓝宝石衬底GaN基HEMTs外延材料向Si临时支撑材料转移示意图；图3为实施例2脉冲激光扫描蓝宝石衬底示意图；图4为实施例2蓝宝石衬底剥离示意图；图5为实施例3GaN基HEMTs外延材料与金刚石热沉衬底键合示意图；图6为实施例3去除Si临时支撑材料示意图；图7为实施例4ICP刻蚀示意图；图8为实施例4制备器件电极、场板、钝化层示意图。其中：1.蓝宝石衬底；2.GaN成核层；3.GaN缓冲层；4.本征GaN层；5.二维电子层；6.AlN层；7.AlGaN势垒层；8.Si临时支撑材料；9.粘合剂苯并环丁烯(BCB)；10.金刚石热沉衬底；11.源欧姆电极；12.漏欧姆电极；13.肖特基栅电极；14.场板绝缘介质层；15.金属场板；16.钝化层。【具体实施方式】一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在蓝宝石衬底1上MOCVD生长GaN基HEMTs外延材料；请参阅图1所示，所述蓝宝石衬底GaN基HEMTs外延材料，蓝宝石衬底(0001)单面抛光，厚度500μm，GaN成核层2厚度20nm,G本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在蓝宝石衬底上MOCVD生长GaN基HEMTs外延结构；S2：采用激光剥离技术对步骤S1所述蓝宝石衬底进行剥离；S3：刻蚀、抛光GaN底表面外延层，同时抛光金刚石热沉片；S4：将步骤S2制备的所述GaN底表面和步骤S3制备的所述金刚石热沉片表面进行抛光并淀积薄层，薄层上键合粘合剂，进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构；S5：去除所述步骤S4得到的金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构中的Si晶片的临时支撑材料，得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料两层结构；S6：ICP刻蚀GaN基HEMTs外延材料，进行器件隔离；S7：制备器件电极。

【技术特征摘要】
1.一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在蓝宝石衬底上MOCVD生长GaN基HEMTs外延结构；S2：采用激光剥离技术对步骤S1所述蓝宝石衬底进行剥离；S3：刻蚀、抛光GaN底表面外延层，同时抛光金刚石热沉片；S4：将步骤S2制备的所述GaN底表面和步骤S3制备的所述金刚石热沉片表面进行抛光并淀积薄层，薄层上键合粘合剂，进行低温键合、固化得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构；S5：去除所述步骤S4得到的金刚石/GaN基HEMTs外延材料/Si三层结构中的Si晶片的临时支撑材料，得到金刚石/GaN基HEMTs外延材料两层结构；S6：ICP刻蚀GaN基HEMTs外延材料，进行器件隔离；S7：制备器件电极。2.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：S11：蓝宝石衬底清洗，丙酮、去离子水分别超声2～3分钟；S12:将蓝宝石衬底在900～1000℃的H2气氛下进行烘烤；S13：以三甲基镓和氨气分别作为Ga源和N源，N2和H2作为载气，530～580℃下采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上低温生长20nm的GaN成核层；S14：继续升温至1050℃生长3.5μm的GaN缓冲层；S15：再升温至1100℃，在氢气氛围下生长100nm的GaN-UID沟道层；S16：保持温度不变，以三甲基铝和氨气分别作为Al源和N源在生长1nm的AlN插入层；S17：最后以三甲基镓、三甲基铝和氨气分别作为Ga源、Al源和N源，N2和H2作为载气MOCVD交替生长25nm的AlGaN势垒层。3.根据权利要求2所述的一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，所述外延材料具体为：蓝宝石衬底单面抛光，厚度500μm，GaN成核层厚度20nm，GaN缓冲层厚度3.5μm，本征GaN层厚度100nm，AlN层厚度1nm，AlGaN势垒层厚度20nm。4.根据权利要求1所述的一种金刚石热沉衬底GaN基HEMTs制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：S21：取Si晶片作为临时支撑材料，用热塑性粘合剂将所述Si临时支撑材料粘到所述GaN基HEMTs外延材料上，形成蓝宝石/GaN基HEMTs...

【专利技术属性】
技术研发人员：王进军，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61