一种制备金刚石基衬底氮化镓晶体管的方法技术

一种制备金刚石基衬底氮化镓晶体管器件的方法，属于半导体工艺技术领域。首先在GaN正面沉积一定厚度的介电层后沉积金刚石膜，然后去除原始衬底和GaN形核层，之后在剩余GaN表面沉积高质量GaN器件层，获得金刚石基GaN晶片，最终在金刚石基氮化镓晶片上制备晶体管器件，从而获得基于金刚石衬底的氮化镓晶体管器件。本发明专利技术方法不仅解决了如何将GaN晶片转移至临时载体的问题，而且降低了转移过程中氮化镓晶片破裂的风险；同时得到的金刚石基GaN晶片属于同质外延生长的晶片，GaN层质量更高，界面结合力更强，大大降低界面热阻，充分发挥金刚石膜高导热性能的潜力。这种金刚石基氮化镓晶片可以用于解决高功率器件的热扩散问题。

A Method of Preparing GaN Transistor on Diamond Substrate

A method for preparing a GaN transistor device on a diamond substrate belongs to the field of semiconductor technology. First, diamond films are deposited on the front of GaN after a certain thickness of dielectric layer is deposited, then the original substrate and GaN nucleation layer are removed. Then, high quality GaN device layer is deposited on the remaining GaN surface to obtain diamond-based GaN wafers. Finally, transistor devices are fabricated on diamond-based GaN wafers, and GaN transistor devices based on diamond substrate are obtained. The method of the invention not only solves the problem of how to transfer GaN wafer to temporary carrier, but also reduces the risk of gallium nitride wafer rupture during the transfer process; meanwhile, the diamond-based GaN wafer is a homogeneous epitaxial growth wafer, with higher quality of the GaN layer and stronger interfacial bonding force, which greatly reduces the interfacial thermal resistance and gives full play to the potential of high thermal conductivity of the diamond film. The diamond-based GaN wafer can be used to solve the thermal diffusion problem of high power devices.

【技术实现步骤摘要】
一种制备金刚石基衬底氮化镓晶体管的方法
本专利技术属于半导体工艺
，特别是涉及一种制备金刚石基衬底氮化镓晶体管的方法。
技术介绍
近年来，以GaN为代表的第三代半导体材料具有高二维电子气浓度、高击穿场强、高的电子饱和速度等特点。在白光LED、短波长激光器、紫外探测器以及高温大功率器件中具有广泛的应用前景。但是GaN基晶体管器件的优良功率性能并未充分发挥，其主要原因是氮化镓功率器件在输出大功率时会产生大量的热，但是这些大量的热量无法快速扩散出去，导致器件稳定性和可靠性严重降低。目前氮化镓材料主要外延生长在碳化硅、蓝宝石、硅等衬底上，这些衬底材料的热导率较低，严重制约GaN器件的散热效果，限制了GaN器件的性能。因此，寻找高导热材料作为氮化镓器件衬底成为解决散热问题的途径。目前，金刚石是自然界中热导率最高的材料，所以金刚石基氮化镓比蓝宝石基氮化镓、硅基氮化镓及碳化硅基氮化镓具有更好的散热优势。目前制备金刚石基氮化镓器件主要有两种方法：键合法和直接外延生长法。其中美国的第四团队实验室的FrancisD和加利福尼亚大学的WasserbauerJ在《DiamondandRelatedMaterials》杂志中报道了利用原子键合技术，获得了氮化镓-金刚石晶片，并且讨论了热膨胀差异引起晶片的翘曲和变形，同时认为如何在减小晶圆变形和降低热膨胀失配及提高键合成功率等方面还存在挑战。中国电子科技集团也利用键合技术实现了氮化镓外延层转移并获得了金刚石基GaN晶片，其主要步骤是在临时载体正面旋涂粘结剂，将Si基GaN和临时载体正面键合，将硅衬底去除，在金刚石正面生长介质层，激活金刚石正面；在室温下实现以临时载体为支撑的GaN圆片和金刚石的键合再退火，用粘结剂去除液分离金刚石与临时载体，使GaN外延层转移到金刚石上。该方法的缺点是界面热阻高，不利于充分发挥金刚石衬底高导热性能；键合均匀性较低，容易产生键合盲点，导致器件稳定性和安全性难以保障。而布里斯托大学的DongLiu和元素6公司的DanielFrancis和FiroozFaili等人在《ScriptaMaterialia》报道了一种利用LPCVD在氮化镓上沉积一层30nm的介电层后，用不同粒度的纳米金刚石粉为晶种，在氮化镓上沉积金刚石，但是没有考虑去除原始衬底后氮化镓变形和热膨胀系数失配引起的应力集中，以及晶种引入对氮化镓的损坏，在界面处形成连续的通孔，导致氮化镓存在裂痕。布里斯托大学的HuaruiSun和RolandB.Simon和元素6公司的DanielFrancis在《APPLIEDPHYSICSLETTERS》中报道一种在氮化镓背面沉积金刚石的方法，主要报道了通过减小过渡层厚度和金刚石形核层厚度来降低界面热阻的方法，文中未提出如何安装临时载体以及原始衬底去除后氮化镓破损情况。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备基于金刚石衬底的氮化镓晶体管器件的方法。其目的是避免氮化镓表面沉积金刚石膜后对氮化镓的损伤，这种方法不仅可以大幅度提高金刚石基氮化镓晶片的制备成功率，还可以降低转移过程中氮化镓晶片破裂的风险；同时得到的金刚石基GaN晶片属于同质外延生长晶片，高质量的GaN层和界面的良好结合可以大大降低界面热阻，充分发挥金刚石膜高导热性能的潜力。这种金刚石基氮化镓晶片可以用于解决高功率器件的热扩散问题。一种制备金刚石基衬底氮化镓晶体管器件的方法，其特征是在于首先在GaN正面沉积一定厚度的介电层后沉积金刚石膜，然后去除原始衬底和GaN形核层，之后在剩余GaN表面沉积高质量GaN器件层，获得金刚石基GaN晶片，最终在金刚石基氮化镓晶片上制备晶体管器件，从而获得基于金刚石衬底的氮化镓晶体管器件。进一步地，本专利技术具体实施步骤为：(1)用稀释的盐酸清洗一个非自支撑的氮化镓晶片，并且利用丙酮和无水乙醇依次超声清洗，然后用去离子水冲洗，干燥；(2)在氮化镓晶片表面利用磁控溅射技术沉积介电层SiNx；(3)将沉积介电层后的晶片在1％～30％的金刚石乙醇悬浮液中超声引晶处理；(4)将引晶处理后的GaN/SiN介电层面向上放入微波等离子体腔室内，先利用CVD法在氮化镓正面沉积50～500μm厚的金刚石膜；(5)将沉积金刚石膜的GaN晶片取出，采用激光剥离技术将氮化镓晶片的蓝宝石原始衬底去除；(6)将暴露的GaN晶片选择性刻蚀掉一定厚度的GaN形核层；(7)在去除原始衬底和氮化镓形核层后的GaN/金刚石晶片表面沉积高质量GaN器件层；(8)在金刚石基氮化镓晶片上制备晶体管器件，从而获得基于金刚石衬底的氮化镓晶体管器件。进一步地，所述步骤(2)在沉积介电层SiNx过程中，沉积参数为：硅为靶材，沉积功率80w～150w，本底真空小于4.0×10-4Pa，氮气流量10～30sccm，氩气流量10～30sccm，反应腔压0.1Pa～0.8Pa，介电层厚度为10nm～1000nm。进一步地，步骤(3)所述超声功率为30W～100W，超声时间为1-5分钟。进一步地，所述步骤(4)先在GaN正面利用CVD沉积厚度为50μm～500μm的金刚石薄膜时，沉积参数：沉积温度为：600～900℃，CH4/H2为0.1％～10％，氩气流量3.0slm～5.0slm，腔压为2.5～4.0Pa，功率8～10kw。进一步地，所述步骤(5)采用波长为248nm的KrF脉冲激光从蓝宝石背面入射，利用激光能量对GaN和蓝宝石界面处进行加热，加热温度不低于30℃，加热使Ga熔化，消除残留的Ga。进一步地，所述步骤(6)利用反应等离子体刻蚀选择性刻蚀掉一定厚度的GaN形核层，将GaN层去除至剩余100nm～1000nm。进一步地，所述步骤(7)在暴露的GaN表面利用MOCVD法沉积高质量氮化镓器件层，其中沉积参数为：以三甲基镓为镓源，NH3为氮源，并以H2和N2或者两种气体的混合气体为载气，沉积温度为800～1200℃，在暴露的GaN表面同质外延沉积高质量的GaN器件层。本专利技术与现有的技术相比，其显著优点：1)打破了在金刚石衬底上难以外延生长氮化镓的限制。2)在氮化镓表面沉积金刚石后获得的晶片均匀性好，氮化镓层不易破裂或者起膜。3)采用在氮化镓背面再沉积氮化镓器件层的方式可以避免因沉积金刚石导致氮化镓器件层的损坏，达到器件层的无损效果。4)打破原有在氮化镓表面直接沉积金刚石膜沉积质量差及过渡层厚的限制，使界面热阻大幅度降低。附图说明图1是蓝宝石基GaN晶片示意图，图2是沉积SiNx介电层后的蓝宝石基GaN晶片示意图，图3是具有SiNx介电层的GaN晶片表面沉积金刚石膜示意图，图4是原始衬底剥离后的GaN晶片示意图，图5是剥离原始衬底后并进一步刻蚀氮化镓形核层后的GaN晶片示意图，图6是在GaN表面同质外延高质量GaN器件层示意图，图7是在金刚石基氮化镓上制备晶体管器件的示意图。具体实施方式下面结合附图进一步描述本专利技术的技术解决方案。实施例：1、样品准备：首先利用盐酸清洗一个蓝宝石基GaN晶片(硅基、碳化硅基氮化镓晶片均可)，再用丙酮进行超声清洗，之后用乙醇超声清洗，最后用去离子水进行冲洗，保证表面无乙醇残留，然后放入甩干机中进行甩干。2、在氮化镓晶片表面利用磁控溅射法沉积介电层SiNx，沉积参数为：硅为靶材，沉积功率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备金刚石基衬底氮化镓晶体管器件的方法，其特征是在于首先在GaN正面沉积一定厚度的介电层后沉积金刚石膜，然后去除原始衬底和GaN形核层，之后在剩余GaN表面沉积高质量GaN器件层，获得金刚石基GaN晶片，最终在金刚石基氮化镓晶片上制备晶体管器件，从而获得基于金刚石衬底的氮化镓晶体管器件。

【技术特征摘要】
1.一种制备金刚石基衬底氮化镓晶体管器件的方法，其特征是在于首先在GaN正面沉积一定厚度的介电层后沉积金刚石膜，然后去除原始衬底和GaN形核层，之后在剩余GaN表面沉积高质量GaN器件层，获得金刚石基GaN晶片，最终在金刚石基氮化镓晶片上制备晶体管器件，从而获得基于金刚石衬底的氮化镓晶体管器件。2.如权利要求1所述一种新型的制备基于金刚石衬底的氮化镓晶体管器件的方法，其特征在于具体实施步骤为：(1)用稀释的盐酸清洗一个非自支撑的氮化镓晶片，并且利用丙酮和无水乙醇依次超声清洗，然后用去离子水冲洗，干燥；(2)在氮化镓晶片表面利用磁控溅射技术沉积介电层SiNx；(3)将沉积介电层后的晶片在1％～30％的金刚石乙醇悬浮液中超声引晶处理；(4)将引晶处理后的GaN/SiN介电层面向上放入微波等离子体腔室内，先利用CVD法在氮化镓正面沉积50～500μm厚的金刚石膜；(5)将沉积金刚石膜的GaN晶片取出，采用激光剥离技术将氮化镓晶片的蓝宝石原始衬底去除；(6)将暴露的GaN晶片选择性刻蚀掉一定厚度的GaN形核层；(7)在去除原始衬底和氮化镓形核层后的GaN/金刚石晶片表面沉积高质量GaN器件层；(8)在金刚石基氮化镓晶片上制备晶体管器件，从而获得基于金刚石衬底的氮化镓晶体管器件。3.如权利要求2所述一种制备金刚石基衬底氮化镓晶体管器件的方法，其特征在于步骤(2)在沉积介电层SiNx过程中，沉积参数为：硅为靶材，沉积功率80w～150w，本底真空小于4.0×10-4Pa，氮气流量10...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成明，贾鑫，魏俊俊，刘金龙，陈良贤，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11