[发明专利]基于金刚石衬底的氮化物半导体器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种基于金刚石衬底的氮化物半导体器件及其制备方法。

背景技术

随着电子产品不断的小型化和高速化，降低器件热阻提高其散热能力变得越来越紧迫。在IC电路中，热量来自很多器件包括晶体管、电阻、电容等，散热能力差会导致温度的快速升高。温度的升高会引起器件性能退化，严重时会导致器件失效，例如器件烧毁或短路。降低热阻，提高散热能力对于大功率和大电流器件而言尤其重要。目前采用的提高器件和系统散热能力的方法主要有：风扇、热沉、半导体制冷片等。由于系统速度提高，功耗增加要达到相同散热能力需要增大热沉面积，增加风扇尺寸和速度等，这与设备和系统的小型化相矛盾。

氮化镓异质结器件是具有高浓度二维电子气的宽禁带半导体器件，因此其具有高的输出功率密度，耐高温、高击穿电压。由于GaN材料化学键能高，材料的物理化学性能稳定，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT具有很强的抗辐照能力。基于以上优点，AlGaN/GaN HEMT器件可广泛应用于雷达、通信及航空航天等高频高功率器件领域，且在电力电子器件领域也具有极大应用潜力。对于RF系统，如雷达和通信系统，采用GaN晶体管可以获得很好的性能，但是其工作性能也受到热阻的极大影响。而大部分热阻来自于基底材料与GaN晶体管连接处的热电偶结合部位。而基于金刚石衬底的氮化镓晶体管，由于金刚石热阻小，散热能力好，能大幅减小器件热阻提高散热能力，进而提高系统性能。基于金刚石衬底上氮化镓的RF系统能够获得更高功率、更高效率和更小尺寸。

目前制备金刚石（diamond）衬底上氮化镓（GaN）的主要方法有圆片键合。圆片键合具体方法如图1所示：

第一步，将牺牲保护层3’贴合到氮化物半导体层2’(如GaN层)顶部；

第二步，通过湿法或干法刻蚀去除衬底1’(优选为硅衬底)；

第三步，将金刚石衬底4’与氮化物半导体层2’键合；

第四步，去除牺牲保护层3’，得到金刚石衬底上氮化物材料。

在第三步进行键合前首先要用厚度为纳米量级的介质涂料对氮化物半导体层进行处理，该方法会导致界面处的热阻较大，降低器件性能。

因此，针对上述技术问题及改进方法，有必要提供一种基于金刚石衬底的氮化物半导体器件及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于克服以上制备金刚石衬底上氮化镓材料的不足，提供一种新的基于金刚石衬底的氮化物半导体器件及其制备方法。本发明解决了氮化物半导体层和金刚石衬底界面处热阻大的问题，具有热阻小、导热性能好、表面平整度大的优点。

本发明的技术思路是：在抛光的金刚石衬底上生长氮化物半导体层，氮化物半导体层的生长方法采用HVPE(氢化物气相外延法)和MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积法)相结合。抛光的衬底表面生长氮化物半导体得到材料平整度高；采用HVPE(氢化物气相外延法)和MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积法)相结合生长氮化物半导体材料的速度快、厚度大。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于金刚石衬底的氮化物半导体器件的制备方法，所述方法包括以下步骤：

S1、提供金刚石衬底；

S2、在金刚石衬底上采用HVPE生长第一氮化物半导体层；

S3、在第一氮化物半导体层上采用MOCVD生长第二氮化物半导体层。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1后还包括：

S02、对金刚石衬底进行平整化处理。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S02具体为：

对金刚石衬底表面进行抛光处理。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S02具体为：

在金刚石衬底上生长石墨烯层。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S02具体为：

对金刚石衬底表面进行抛光处理；

在抛光后的金刚石衬底表面上生长石墨烯层。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2之后还包括：

对第一氮化物半导体层进行抛光处理。

作为本发明的进一步改进，所述“抛光处理”包括化学抛光、机械抛光、化学机械抛光。

作为本发明的进一步改进，所述金刚石衬底为单晶结构或多晶结构。

作为本发明的进一步改进，所述金刚石衬底的制备方法为PVD或CVD。