一种半导体器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种半导体器件，包括多晶金刚石层，多晶金刚石层上覆盖单晶金刚石薄膜，单晶金刚石薄膜上依次堆叠介质层、缓冲层、势垒层和沟道层。本发明专利技术还公开了一种半导体器件的制备方法，包括以下步骤：在原始衬底上形成有牺牲层；在牺牲层上形成多晶金刚石层；在籽晶层上形成单晶金刚石薄膜；将籽晶层和单晶金刚石薄膜倒置并键合到多晶金刚石层上；将籽晶层从单晶金刚石薄膜上分离；去除原始衬底和牺牲层；在临时衬底上形成缓冲层；在单晶金刚石薄膜上形成介质层，将单晶金刚石薄膜与缓冲层键合；去除临时衬底；在缓冲层上形成势垒层和沟道层。本发明专利技术改善散热性能和稳定性能，提高电学性能，改善器件良率，简化制备工艺，降低生产成本。产成本。产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件及其制法，具体为一种半导体器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]第三代半导体材料由于具有宽禁带、高的载流子迁移率和高的击穿场强，适合用于制作高频大功率、高温半导体器件。例如场效应晶体管(FET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)等，在通信射频领域得到广泛应用。高频器件要求具有小尺寸，但随着器件的尺寸的减小和集成度的逐渐提高，器件的散热问题往往成为限制其功率提升的瓶颈。因此，解决散热问题，对于提高器件功率，实现高频大功率应用具有重大实际意义。
[0003]高频大功率器件通常采用氮化镓、碳化硅或蓝宝石等作为器件衬底。目前市面上也有金刚石作为器件衬底的研究，且多为多晶金刚石。金刚石的热导率高达2200W/mK，是目前热导率最高的材料，且单晶金刚石的热导率高于多晶金刚石，所以将金刚石衬底应用到高频大功率半导体器件中，可以有效地提高器件的导热性能。虽然单晶金刚石的热导率高于多晶金刚石的热导率，但是大尺寸的单晶金刚石制备非常困难且价格昂贵。因此，设计一款散热性能优异、制备工艺简单且价格实惠的器件衬底，对实现高频大功率半导体器件的应用具有重大实际意义。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了克服现有技术的不足，本专利技术目的是提供一种散热效果好、稳定性能好的半导体器件，本专利技术的另一目的是提供一种生产成本低的半导体器件的制备方法。
[0005]技术方案：本专利技术所述的一种半导体器件，包括多晶金刚石层，多晶金刚石层上覆盖单晶金刚石薄膜，单晶金刚石薄膜上依次堆叠介质层、缓冲层、势垒层和沟道层。
[0006]进一步地，考虑到生长成本和散热性能，多晶金刚石层的厚度为100μm～150μm，单晶金刚石薄膜的厚度为200nm～500nm。为了更好利用单晶金刚石薄膜的高导热性能，综合金刚石薄膜和多晶金刚石层的优势，采用多晶金刚石层和单晶金刚石薄膜组成的复合衬底来实现高频大功率GaN器件热源区的快速散热，提高器件性能。
[0007]进一步地，介质层的材质为Si、AlN或SiC，介质层与两边接触的材料之间的晶格、热膨胀系数要匹配。
[0008]进一步地，考虑到缓冲层与两边的材料之间的晶格系数要匹配，能在一定程度上可缓解薄膜中的应力，缓冲层的材质为GaN、AlGaN或InGaN。
[0009]进一步地，势垒层的材质为三元或四元的氮化物化合物半导体合金。
[0010]进一步地，沟道层的材质为GaN、AlGaN或InGaN，沟道层是载流子移动的关键通道，故其选用的材料要能够提高沟道中二维电子气浓度。
[0011]上述半导体器件还包括源极、栅极和漏极，源极、栅极和漏极均位于沟道层上且互相独立。
[0012]上述半导体器件的制备方法，包括以下步骤：
[0013]a、提供一原始衬底，在原始衬底上形成有牺牲层；
[0014]b、在牺牲层上形成多晶金刚石层；
[0015]c、提供一籽晶层，在籽晶层上形成单晶金刚石薄膜；
[0016]d、采用Lift
‑
off法将籽晶层和单晶金刚石薄膜倒置并键合到多晶金刚石层上；
[0017]e、将籽晶层从单晶金刚石薄膜上分离；
[0018]f、去除原始衬底和牺牲层，露出多晶金刚石层；
[0019]g、在临时衬底上形成缓冲层；
[0020]h、采用表面激活键合法在单晶金刚石薄膜上形成介质层，并利用介质层将单晶金刚石薄膜与缓冲层键合；
[0021]i、去除临时衬底，露出缓冲层；
[0022]j、在缓冲层上依次形成势垒层和沟道层。
[0023]进一步地，还包括以下步骤：在沟道层上分别形成源极、栅极和漏极。
[0024]进一步地，原始衬底的材质为蓝宝石、Si或SiC，厚度为150μm～200μm，牺牲层的材质为SiC或AlN，厚度为50nm～100nm。牺牲层起到保护和阻挡的作用，厚度一般不超过500nm。
[0025]工作原理：利用大尺寸的多晶金刚石层的支撑性能和导热性能以及单晶金刚石薄膜更高的热导率，将器件热源区的热量通过单晶金刚石薄膜快速传递到其底部的多晶金刚石层(基底)以及器件底部的散热装置上，实现快速导热，改善散热性能和稳定性能，从而提高高频大功率器件的电学性能，改善器件良率。
[0026]有益效果：本专利技术和现有技术相比，具有如下显著性特点：分别在不同的衬底上先生长所述多晶金刚石层和所述单晶金刚石薄膜，再通过剥离、键合工艺形成最终的复合衬底，该复合衬底可以改善器件的散热性能和稳定性能，提高高频大功率器件的电学性能，改善器件良率，极大地简化了制备工艺，有利于降低生产成本。
附图说明
[0027]图1是本专利技术步骤b所得产品的结构示意图；
[0028]图2是本专利技术步骤c所得产品的结构示意图；
[0029]图3是本专利技术步骤d所得产品的结构示意图；
[0030]图4是本专利技术步骤f所得产品的结构示意图；
[0031]图5是本专利技术步骤g所得产品的结构示意图；
[0032]图6是本专利技术步骤h所得产品的结构示意图；
[0033]图7是本专利技术步骤i所得产品的结构示意图；
[0034]图8是本专利技术步骤j所得产品的结构示意图；
[0035]图9是本专利技术的结构示意图。
具体实施方式
[0036]实施例1
[0037]金刚石复合衬底的制备方法，如图1～4所示，具体包括以下步骤：
[0038]步骤a：提供一原始衬底10，在原始衬底10上形成牺牲层11，如图1所示。原始衬底
10的材质可以为蓝宝石、Si或SiC，原始衬底10的厚度为150μm～200μm。牺牲层11的材质为SiC或AlN，牺牲层11的厚度为50nm～100nm。
[0039]步骤b：采用化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺形成牺牲层11，如图1所示。采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)工艺在牺牲层11上制备多晶金刚石层1，具体工艺条件为：甲烷浓度(CH4/H2)为1％，沉积气压为5.0kPa，温度为800℃，功率为2kW。制得的多晶金刚石层1的厚度为100μm～150μm，优选为100μm。
[0040]步骤c：提供一籽晶层12，采用化学气相沉积工艺在籽晶层12上形成单晶金刚石薄膜2，如图2所示。采用HPHT合成金刚石作为籽晶层12。籽晶层12的表面要求平整均匀，形状规则。采用MPCVD工艺生长的无色透明，无杂质并且晶体质量高的单晶金刚石薄膜2，即单晶金刚石薄膜2的均匀性、平整度、晶格质量、热导率好。单晶金刚石薄膜2的厚度为200nm～500nm，优选为200nm。制备单晶金刚石薄膜2的工艺条件为：压强为120Torr，功率为2kW，甲烷流量为60sccm，氢气流量为500sccm，氮气流量为2sccm。
[0041]步骤d：将籽晶层12和单晶金刚石薄膜2倒置并键合到多晶金刚石层1上，如图3所示。多晶金刚石层1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体器件，其特征在于：包括多晶金刚石层(1)，所述多晶金刚石层(1)上覆盖单晶金刚石薄膜(2)，所述单晶金刚石薄膜(2)上依次堆叠介质层(3)、缓冲层(4)、势垒层(5)和沟道层(6)。2.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于：所述多晶金刚石层(1)的厚度为100μm～150μm，所述单晶金刚石薄膜(2)的厚度为200nm～500nm。3.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于：所述介质层(3)的材质为Si、AlN或SiC。4.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于：所述缓冲层(4)的材质为GaN、AlGaN或InGaN。5.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于：所述势垒层(5)的材质为三元或四元的氮化物化合物半导体合金。6.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于：所述沟道层(6)的材质为GaN、AlGaN或InGaN。7.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于：还包括源极(7)、栅极(8)和漏极(9)，所述源极(7)、栅极(8)和漏极(9)均位于沟道层(6)上且互相独立。8.根据权利要求1～7任一所述的一种半导体器件的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：辜艺敏，张赟，倪贤锋，范谦，顾星，
申请(专利权)人：东南大学苏州研究院，
类型：发明
国别省市：