GaN器件结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种GaN器件结构及其制备方法，制备方法包括：提供半导体基底，进行碳化形成碳化硅层，形成外延结构，形成器件电极，形成窗口，在半导体基底背面制备背孔，形成散热腔，液冷自背孔通入并基于散热腔实现散热。本发明专利技术通过基底中的氧化层定义液冷的沟道位置，通过氧化层的刻蚀形成液冷散热通道，通过液冷散热流经器件有效区，大大增强了散热效果，无需传统的衬底背部减薄工艺，金属热沉键合工艺；本发明专利技术可以基于背孔及其布置进一步优化散热效果，并且，背孔还可以同时作为形成散热腔的开口；另外，可以通过正面开窗形成散热腔并实现器件的有效隔离，同时还可以进一步增强散热，提高工艺效率。提高工艺效率。提高工艺效率。

【技术实现步骤摘要】
GaN器件结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体器件制造
，特别是涉及一种GaN器件结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力。
[0003]氮化镓作为第三代宽禁带半导体的典型代表，具有优良的物理和化学特性，非常适于研制高频、高压、高功率的器件和电路。GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有耐压高、输出功率密度高、耐高温以及工作频率高等特点，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景，在军用和民用的微波功率领域有广泛的应用前景。
[0004]其中，GaN材料由于其高迁移率，大禁带宽度等特点，可用于大功率器件。大功率器件在工作时，需对产生的热量进行及时散热，否则会影响器件性能，产生可靠性问题。然而，传统的散热方法是对GaN器件进行衬底减薄，再贴装金属热沉，但减薄工艺繁琐，存在晶圆碎裂等风险，而且减薄后的晶圆始终存在缓冲层等热阻较高材料，降低了整体散热。
[0005]因此，如何提供一种GaN器件结构及制备方法，以解决现有技术中的上述问题实属必要。

技术实现思路

[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种GaN器件结构及制备方法，用于解决现有技术中GaN器件难以有效散热以及传统散热工艺复杂等问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种GaN器件结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0008]提供半导体基底，所述半导体基底自下而上包括衬底层、氧化层以及牺牲硅层；
[0009]对所述牺牲硅层进行碳化处理，以得到碳化硅层；
[0010]在所述碳化硅层上形成外延结构，所述外延结构至少包括GaN沟道层及势垒层；
[0011]在所述势垒层的表面所在的平面内定义出有效区，至少在所述有效区中制备器件电极，所述器件电极包括栅极电极、源极电极和漏极电极；
[0012]在所述有效区两侧制备窗口，所述窗口延伸至所述半导体基底中显露所述氧化层的正面，且所述窗口横跨各个器件电极；
[0013]在形成有所述窗口的器件结构表面贴置载片并翻转；
[0014]自所述半导体基底的背面进行刻蚀形成背孔，所述背孔显露所述氧化层的背面；
[0015]基于所述背孔或者所述窗口去除所述有效区处的所述氧化层，以形成散热腔，所述散热腔与所述背孔连通，液冷自所述背孔通入并基于所述散热腔实现GaN器件的散热。
[0016]可选地，所述半导体基底的形成方式包括：提供SOI衬底以构成所述半导体基底。
[0017]可选地，所述半导体基底的形成方式包括：提供硅衬底，再通过离子注入在所述硅衬底中形成所述氧化层，同时得到所述衬底层及所述牺牲硅层。
[0018]可选地，形成所述碳化硅层的方式包括：
[0019]将所述半导体基底置于反应腔中；
[0020]向所述反应腔中通入气源，所述气源包括丙烷和氧气，且丙烷的流量介于45
‑
55sccm之间，氧气的流速介于3
‑
7sccm之间；
[0021]升高所述反应腔内的温度至1200
‑
1300℃之间，并维持15
‑
20分钟，以使所述牺牲硅层转换成形成在所述氧化硅层表面的所述碳化硅层。
[0022]可选地，采用RIE刻蚀及ICP刻蚀中的任意一种方式形成所述窗口，其中，形成所述窗口的过程中各所述器件电极正下方的叠层材料层保留。
[0023]可选地，所述制备方法还包括在形成有所述窗口的正面进行钝化形成表面钝化层的步骤，所述表面钝化层至少连续地覆盖所述窗口的底部及侧壁。
[0024]可选地，形成所述表面钝化层之后还包括至少在所述窗口内的所述表面钝化层上形成金刚石薄膜的步骤，且所述金刚石薄膜还延伸至所述窗口周围的材料层的表面。
[0025]可选地，所述背孔包括第一背孔区及第二背孔区，所述第一背孔区包括至少两个第一背孔，所述第二背孔区包括至少一个第二背孔，所述第二背孔的直径大于所述第一背孔的直径，所述第一背孔的数量大于所述第二背孔的数量，所述第一背孔作为液冷入口，所述第二背孔作为液冷出口。
[0026]可选地，靠近所述窗口的所述第一背孔与所述窗口之间的距离小于所述第一背孔的直径；和/或所述第一背孔的直径介于20
‑
50μm之间；所述第二背孔的直径介于50
‑
100μm之间。
[0027]另外，本专利技术还提供一种GaN器件结构，所述GaN器件结构优选采用本专利技术提供的GaN 器件结构的制备方法制备得到，当然也可以采用其他方式，所述GaN器件结构包括：
[0028]半导体基底，所述半导体基底自下而上包括衬底层、氧化层、碳化硅层，其中，所述氧化层中形成有散热腔；
[0029]外延结构，位于所述碳化硅层上，至少包括GaN沟道层及势垒层；
[0030]器件电极，包括栅极电极、源极电极和漏极电极，所述所述势垒层的表面所在的平面内定义有与所述散热腔相对应的有效区，所述器件电极位于所述有效区；
[0031]窗口，位于所述有效区的两侧，所述窗口延伸至所述半导体基底中显露所述氧化层的正面，且所述窗口横跨各个器件电极；
[0032]背孔，形成在所述半导体基底中且与所述散热腔相连通，液冷自所述背孔通入并基于所述散热腔实现GaN器件的散热。
[0033]可选地，所述GaN器件结构还包括表面钝化层，所述表面钝化层至少连续地覆盖所述窗口的底部及侧壁。
[0034]可选地，所述窗口内的所述表面钝化层上形成有金刚石薄膜，且所述金刚石薄膜还延伸至所述窗口周围的材料层的表面。
[0035]可选地，所述背孔包括第一背孔区及第二背孔区，所述第一背孔区包括至少两个第一背孔，所述第二背孔区包括至少一个第二背孔，所述第二背孔的直径大于所述第一背
孔的直径，所述第一背孔的数量大于所述第二背孔的数量，所述第一背孔作为液冷入口，所述第二背孔作为液冷出口。
[0036]可选地，靠近所述窗口的所述第一背孔与所述窗口之间的距离均小于所述第一背孔的直径；和/或所述第一背孔的直径介于20
‑
50μm之间；所述第二背孔的直径介于50
‑
100μm之间。
[0037]如上所述，本专利技术的GaN器件结构及其制备方法，通过基底中的氧化层定义液冷的沟道位置，通过氧化层的刻蚀形成液冷散热通道，通过液冷散热流经器件有效区，大大增强了散热效果，无需传统的衬底背部减薄工艺，金属热沉键合工艺；本专利技术可以基于背孔及其布置进一步优化散热效果，并且，背孔还可以同时作为形成散热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GaN器件结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：提供半导体基底，所述半导体基底自下而上包括衬底层、氧化层以及牺牲硅层；对所述牺牲硅层进行碳化处理，以得到碳化硅层；在所述碳化硅层上形成外延结构，所述外延结构至少包括GaN沟道层及势垒层；在所述势垒层的表面所在的平面内定义出有效区，至少在所述有效区中制备器件电极，所述器件电极包括栅极电极、源极电极和漏极电极；在所述有效区两侧制备窗口，所述窗口延伸至所述半导体基底中显露所述氧化层的正面，且所述窗口横跨各个器件电极；在形成有所述窗口的器件结构表面贴置载片并翻转；自所述半导体基底的背面进行刻蚀形成背孔，所述背孔显露所述氧化层的背面；基于所述背孔或者所述窗口去除所述有效区处的所述氧化层，以形成散热腔，所述散热腔与所述背孔连通，液冷自所述背孔通入并基于所述散热腔实现GaN器件的散热。2.根据权利要求1所述的GaN器件结构的制备方法，其特征在于，所述半导体基底的形成方式包括：提供硅衬底，再通过离子注入在所述硅衬底中形成所述氧化层，同时得到所述衬底层及所述牺牲硅层；或者，提供SOI衬底以构成所述半导体基底。3.根据权利要求1所述的GaN器件结构的制备方法，其特征在于，形成所述碳化硅层的方式包括：将所述半导体基底置于反应腔中；向所述反应腔中通入气源，所述气源包括丙烷和氧气，且丙烷的流量介于45
‑
55sccm之间，氧气的流速介于3
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7sccm之间；升高所述反应腔内的温度至1200
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1300℃之间，并维持15
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20分钟，以使所述牺牲硅层转换成形成在所述氧化硅层表面的所述碳化硅层。4.根据权利要求1所述的GaN器件结构的制备方法，其特征在于，采用RIE刻蚀及ICP刻蚀中的任意一种方式形成所述窗口，其中，形成所述窗口的过程中，各所述器件电极正下方的叠层材料层保留。5.根据权利要求1所述的GaN器件结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤：在形成有所述窗口器件结构的正面进行钝化形成表面钝化层，所述表面钝化层至少连续地覆盖所述窗口的底部及侧壁。6.根据权利要求5所述的GaN器件结构的制备方法，其特征在于，形成所述表面钝化层之后还包括至少在所述窗口内的所述表面钝化层上形成金刚石薄膜的步骤，且所述金刚石薄膜还延伸至所述窗口周围的材料层的表面。7.根据权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：莫炯炯，郁发新，王志宇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：