一种采用双金刚石层实现GaN原始衬底转移的方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种采用双金刚石层实现GaN原始衬底转移的方法及应用。方法包括：选择一种GaN晶圆，GaN晶圆具有原始衬底；在GaN晶圆生长面表面生长第一过渡层；在第一过渡层表面沉积第一CVD金刚石膜，作为临时载体；采用化学腐蚀或者激光剥离技术，将GaN原始衬底去除，GaN露出形核面；在GaN晶圆形核面表面生长第二过渡层，作为介电层；在第二过渡层表面沉积第二CVD金刚石膜，作为GaN的导热衬底；选择性刻蚀第一过渡层，保留第二过渡层。本发明专利技术减少了Si晶圆键合工艺的引入，同时由于正反两面都是金刚石膜，能有效缓解GaN薄膜变形从而发生开裂的问题，可有效提升金刚石膜替代GaN原始衬底的质量和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种采用双金刚石层实现GaN原始衬底转移的方法及应用
本专利技术属于半导体制造领域，特别提供了一种实现金刚石基GaN半导体结构的衬底转移方法，更具体地，提供了一种采用双金刚石层实现GaN原始衬底转移的方法及应用。
技术介绍
氮化镓是近年来最具发展潜力的半导体材料。随着基于氮化镓(GaN)材料的微波功率器件向更小尺寸、更大输出功率和更高频率的方向发展，“热”的问题越来越突出，逐渐成为制约这种器件向更高性能提升的瓶颈之一。金刚石薄膜热导率可达2000W/(m·k)(银和铜常温下热导率分别为420W/(m·k)和395W/(m·k))，是一种非常理想的导热衬底材料。采用高热导率金刚石膜作为高频、大功率氮化镓(GaN)基器件的衬底或热沉，可以显著降低氮化镓(GaN)基大功率器件的自加热效应，并有望解决随总功率增加、频率提高出现的功率密度迅速下降的问题。但是要实现金刚石基GaN薄膜结构，目前最可行的方式是采用金刚石膜替代GaN已有的原始衬底。美国专利US005650639A最早提出了一种采用金刚石作为基底的集成电路设计，主要涉及Si-On-diamond结构，后来由Group4公司的Francis等人进一步发展为GaN-On-diamond结构(中国专利CN104285001A，美国专利US9359693B2)。同样的，中国专利CN104157744A也提到了一种基于外延层转移实现金刚石基GaN的方法。上述方法普遍的思路是先在GaN表面通过键和Si晶圆的方式，将GaN保护起来，然后去除原始衬底，再在GaN背面进行金刚石膜的转移。在这种思路中，均用到了晶圆键合技术。这种技术对表面状态及键合设备要求较高，要实现高质量的键合难度很大。此外，如果在后续金刚石转移过程中，如果采用生长CVD金刚石膜的技术路线(该路线实现的金刚石膜导热能力更佳)，则大多数键合工艺将无法承受CVD金刚石膜生长环境。因此，需要发展优化或取消键合工艺的方法。
技术实现思路
为了解决以上问题，本专利技术提出一种采用双金刚石层实现GaN原始衬底转移的方法及应用，以生长的CVD金刚石膜作为临时载体，实现原始衬底的去除，然后再生长另一层CVD金刚石膜作为导热衬底，最后辅助选择性刻蚀的技术实现完整的金刚石基GaN结构的方法。根据本专利技术的第一方面，提供一种采用双金刚石层实现GaN原始衬底转移的方法，所述方法采用双金刚石层，既利用CVD金刚石膜作为临时载体，同时又利用CVD金刚石膜作为转移衬底，由于正反两面都是金刚石膜，有效缓解GaN薄膜变形从而发生开裂的问题，所述方法包括：1.选择一种GaN晶圆，所述GaN晶圆具有原始衬底；2.在GaN晶圆生长面表面生长第一过渡层；3.在所述第一过渡层表面沉积第一CVD金刚石膜，作为临时载体；4.采用化学腐蚀或者激光剥离技术，将GaN原始衬底去除，GaN露出形核面；5.在GaN晶圆形核面表面生长第二过渡层，作为介电层；6.在所述第二过渡层表面沉积第二CVD金刚石膜，作为GaN的导热衬底；7.选择性刻蚀所述第一过渡层，保留第二过渡层，使得作为临时载体的第一CVD金刚石膜剥离，作为导热衬底的第二CVD金刚石膜保留，从而实现金刚石膜替代原始衬底。进一步的，在步骤1中，所述原始衬底为Si基、蓝宝石基或者SiC基。进一步的，采用真空镀膜技术在GaN晶圆生长面表面和形核面表面生长第一过渡层和第二过渡层。进一步的，在步骤2中，所述第一过渡层厚度大于等于1μm，需达到均匀致密的效果，且所述过渡层的材质为Si、Ti、Mo、W单质元素，或者SiO2、TiC化合物，或者前述各项的复合。进一步的，所述第二过渡层的厚度小于等于50nm。进一步的，采用等离子体化学气相沉积系统沉积第一金刚石膜和第二金刚石膜，且所述第一金刚石膜和第二金刚石膜的厚度均为100-300微米。进一步的，采用化学腐蚀或者电化学辅助刻蚀技术来选择性刻蚀所述第一过渡层。根据本专利技术的第二方面，提供一种金刚石基GaN半导体材料的制备方法，包括以下步骤：1.在原始衬底上沉积GaN层；2.采用根据以上任一方面所述的GaN原始衬底转移方法进行衬底转移，形成金刚石基GaN半导体材料。进一步的，在步骤1中，所述原始衬底为Si基、蓝宝石基或者SiC基。根据本专利技术的第三方面，提供一种金刚石基GaN半导体材料，所述金刚石基GaN半导体材料采用根据以上任一方面所述的金刚石基GaN半导体材料的制备方法获得。本专利技术的有益效果：本专利技术采用双金刚石层的设计方案，既利用CVD金刚石膜作为临时载体，同时又利用金刚石膜作为转移衬底。本专利技术减少了Si晶圆键合工艺的引入，同时由于正反两面都是金刚石膜，能有效缓解GaN薄膜变形从而发生开裂的问题，可有效提升金刚石膜替代GaN原始衬底的质量和效率。附图说明：图1示出根据本专利技术的采用双金刚石层实现GaN原始衬底转移的方法流程图；图2A示出带有原始衬底的GaN薄膜；图2B示出在GaN薄膜表面生长第一过渡层；图2C示出在过渡层表面生长第一CVD金刚石膜作为临时载体；图2D示出去除GaN原始衬底；图2E示出在GaN形核面镀制第二过渡层；图2F示出在过渡层表面生长第二CVD金刚石膜作为导热衬底；图2G示出选择性刻蚀去除作为临时载体的第一CVD金刚石膜。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。金刚石基GaN半导体材料具有非常显著的性能优势，实现该结构的方式主要是衬底转移替换。常规转移普遍用到键合Si晶圆作为临时载体，该方法既对键合工艺及设备要求极高，且在后续金刚石膜生长过程中易出现键合脱离的问题。这种键合技术一是对于表面处理要求非常高，键合率不够理想，二是这种键合技术很难抵御后续的CVD金刚石膜生长环境，造成键合脱落，损坏GaN生长面。本方案中，摈弃真空键合转移工艺，直接在GaN正面生长CVD金刚石膜作为临时载体，然后将GaN原始衬底去除，随后在介电层的保护下再在GaN背面生长另一层CVD金刚石膜；随后，通过电化学选择性刻蚀技术，将第一层CVD金刚石膜去除，获得完整的金刚石基GaN结构。参照图1以及图2A至2G，本专利技术的采用双金刚石层实现GaN原始衬底转移的方法具体实施步骤如下：在步骤101中，选择带有衬底的GaN晶圆，结构如图2A所示。依次采用丙酮、酒精及去离子水清洗，风干，原始衬底可以是Si基、蓝宝石基或SiC基。在步骤102中，采用真空镀膜技术在GaN晶圆生长面表面镀制第一过渡层1，如图2B所示。该过渡层既起到抵御等离子体轰击、保护GaN的作用，同时又有利于CVD金刚石膜的生长。真空镀膜技术包括磁控溅射、低压化学气相沉积、激光脉冲沉积技术等真空镀膜技术。该第一过渡层可为Si、Ti、W、Mo等材质，或者SiO2，TiC等化合物，或者其中的复合。过渡层厚度1-3μm。在步骤103中，采用化学气相沉积技术，在带有第一过渡层的GaN表面生长一定厚度的第一CVD金刚石膜，作为临时载体，如图2C所示。化学气相沉积方法包括微波CVD，热丝CVD，以及其它CVD金刚石镀膜技术。金刚石膜厚度100-300微米，沉积温度600-800℃。在步骤104中，采用化学腐蚀或者激光剥离技术，将GaN原始衬底去除，留下带有金刚石临时载体的GaN薄膜，GaN背面(形核面)露出，如图2D所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用双金刚石层实现GaN原始衬底转移的方法，其特征在于，所述方法采用双金刚石层，既利用CVD金刚石膜作为临时载体，同时又利用CVD金刚石膜作为转移衬底，由于正反两面都是金刚石膜，有效缓解GaN薄膜变形从而发生开裂的问题，所述方法包括：步骤1，选择一种GaN晶圆，所述GaN晶圆具有原始衬底；步骤2，在GaN晶圆生长面表面生长第一过渡层；步骤3，在所述第一过渡层表面沉积第一CVD金刚石膜，作为临时载体；步骤4，采用化学腐蚀或者激光剥离技术，将GaN原始衬底去除，GaN露出形核面；步骤5，在GaN晶圆形核面表面生长第二过渡层，作为介电层；步骤6.在所述第二过渡层表面沉积第二CVD金刚石膜，作为GaN的导热衬底；步骤7，选择性刻蚀所述第一过渡层，保留第二过渡层，使得作为临时载体的第一CVD金刚石膜剥离，作为导热衬底的第二CVD金刚石膜保留，从而实现金刚石膜替代原始衬底。

【技术特征摘要】
1.一种采用双金刚石层实现GaN原始衬底转移的方法，其特征在于，所述方法采用双金刚石层，既利用CVD金刚石膜作为临时载体，同时又利用CVD金刚石膜作为转移衬底，由于正反两面都是金刚石膜，有效缓解GaN薄膜变形从而发生开裂的问题，所述方法包括：步骤1，选择一种GaN晶圆，所述GaN晶圆具有原始衬底；步骤2，在GaN晶圆生长面表面生长第一过渡层；步骤3，在所述第一过渡层表面沉积第一CVD金刚石膜，作为临时载体；步骤4，采用化学腐蚀或者激光剥离技术，将GaN原始衬底去除，GaN露出形核面；步骤5，在GaN晶圆形核面表面生长第二过渡层，作为介电层；步骤6.在所述第二过渡层表面沉积第二CVD金刚石膜，作为GaN的导热衬底；步骤7，选择性刻蚀所述第一过渡层，保留第二过渡层，使得作为临时载体的第一CVD金刚石膜剥离，作为导热衬底的第二CVD金刚石膜保留，从而实现金刚石膜替代原始衬底。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中，所述原始衬底为Si基、蓝宝石基或者SiC基。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用真空镀膜技术在GaN晶圆生长面表面和形核面表面生长第一过渡层和第二过渡层。4.根据...

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