[发明专利]化合物半导体装置结构及其制造方法

说明书

本发明揭露了一种半导体装置结构，其包含：单晶化合物半导体材料层；以及多晶化学气相沉积钻石材料层，其中该多晶化学气相沉积钻石材料层经由厚度小于25nm、厚度变化不大于15nm的接合层与该单晶化合物半导体材料层接合，其中通过该单晶化合物半导体材料层与该多晶化学气相沉积钻石材料层之间的接口处的瞬态热反射所测量的有效热边界电阻(TBR_eff)小于25m²K/GW，在该半导体装置结构上测量的变化幅度不超过12m²K/GW，并且其中该单晶化合物半导体材料层具有以下特征之一或两者：电荷迁移率至少为1200cm²V^‑1s^‑1；以及片电阻不超过700□/平方。

技术领域

本发明的某些实施例涉及化合物半导体装置结构和制造方法，其包含在化合物半导体和多晶化学气相沉积钻石之间具有低热边界电阻的多晶化学气相沉积钻石。本发明的主要应用是大功率电子和光电装置的热管理。

背景技术

半导体装置和电路中的热管理是任何可制造且具有成本效益的电子和光电产品(如光生成和电信号放大)的关键设计元素。高效热设计的目标是降低这种电子或光电装置的工作温度，同时最大限度地提高性能(功率和速度)和可靠性。这种装置的实例是微波电晶体，发光二极管和半导体激光器。根据操作频率和功率要求，这些装置通常由硅(silicon)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)制造，且近年来也由氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)及其他间隙半导体制造。特别地，氮化镓材料系统产生具有高电子迁移率(高速操作所必需的)、高击穿电压(高功率所必需的)和高于砷化镓，磷化铟或硅的热导率的微波电晶体，因此有利于在大功率应用中使用。氮化镓也用于制造蓝光和紫外线激光器和发光二极管。尽管具有高温性能，但由于通常用于生长氮化镓的基板的相对较低的耐热性(thermalresistance)，氮化镓电子和光电子装置的性能受到限制。这种缺陷在大功率微波及毫米波电晶体以及放大器中最为显著，其中减少冷却要求和更长的装置寿命都受益于较低的接面温度(junction temperature)，这是非常关键的需求。在大功率蓝光和紫外激光器中也出现了类似的需求，其中几微米宽的激光模槽条(cavity stripe)通过低导热性材料将功率耗散到晶片中。

众所周知，当考虑等向行为(isotropic behaviors)时，钻石是人类在室温下已知的最导热的物质。因此，自从1980年代通过化学气相沉积技术商业化人造钻石，半导体工业一直采用钻石散热器和散热器来改良热管理。最佳热管理的目标是使钻石散热器或钻石层紧靠电子或光电装置中的热源。这意味着在薄的晶片上构建装置，并安装在钻石散热器、具有钻石层的涂层装置上、或将装置外延层(epilayers，即外延生长的半导体层)转移到钻石上。

钻石氮化镓(GaN-on-diamond)技术和所得到的装置(描述于美国专利7,595,507中)涉及具有从化学气相沉积钻石基板小于1微米的氮化镓外延层的结构。该技术可将最佳热导体(钻石)与基于氮化镓(GaN)和氮化镓相关化合物的电子和光电子装置接合在一起，同时最小化与例如更常见的半导体-焊料-钻石(semiconductor-solder-diamond)附着相关联的任何热障碍方案。由于氮化镓的固有高临界电场和宽带隙(bandgap)，氮化镓装置对于高功率电子和光电子应用是比较理想的，例如高功率RF电晶体和放大器、功率管理装置(肖特基二极管(Schottky diodes)和开关电晶体)以及高功率蓝光和紫外线激光器或发光二极管。