[发明专利]基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法，氮化镓晶体管自上而下包括有源区功能层、势垒层、缓冲层、衬底及散热区，散热区嵌入在衬底内，位于有源区功能层下方，紧邻热源区，通过ICP刻蚀工艺和外延定向生长金刚石厚膜形成，具有区域应力小和高的热输运能力特性，近而有效实现氮化镓晶体管的高效散热能力。本发明解决了大功率氮化镓器件有源区热积累，极大提高了器件最大输出功率。

技术领域

本发明属于功率半导体器件热管理开发技术领域，特别是一种基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法。

背景技术

作为新一代固态微波功率器件的代表，GaN半导体具有高二维电子气浓度、高击穿场强、高的电子饱和速度等特点，在微波大功率器件应用领域有较第一、二代半导体材料显著的性能优势。然而，随着器件小型集成化的发展，现阶段在GaN基功率器件的研制和应用进程中，GaN器件在高功率状态下的可靠性面临严峻挑战，导致其大功率性能优势远未充分发挥。其主要原因之一是GaN微波功率芯片在工作时存在自热效应，且随功率的增大而增加，加大了在输出大功率的同时芯片有源区的热积累效应，使器件的性能和可靠性下降。

现有解决方法是去除SiC或其它衬底，使得GaN层可以有效地外延或异质键合高热导率的金刚石衬底，然而这类方法在GaN缓冲层和金刚石衬底之间存在导热性差的粘合层，该粘合层均匀性难以控制，且由于GaN材料和衬底之间的热膨胀系数差异可能导致晶片弯曲和的外延层断裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管及制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管，自上而下依次包括有源区功能层、势垒层、缓冲层、衬底和散热区，所述散热区嵌入在衬底内，位于有源区功能层下方，距离缓冲层5-30微米。

一种基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、对SiC衬底的势垒层进行保护层生长，生长方法为溅射或蒸发，保护层为SiN材料，保护层厚度为100-200nm；

步骤2、利用临时键合和抛光工艺相结合，进行SiC衬底的背面减薄，减薄后的衬底厚度控制在150-200微米，随后去掉键合载片；

步骤3、采用光刻和厚镍电镀相结合工艺，进行SiC衬底背面的散热区的图案化制备；

步骤4、采用ICP刻蚀工艺进行SiC衬底背面的散热区的刻蚀，刻蚀的内孔距离缓冲层5-30um；

步骤5、进行金刚石厚膜的定向生长，采用CVD工艺，生长厚度和衬底表面一致，形成SiC衬底内的散热区；

步骤6、利用抛光和腐蚀工艺相结合，进行SiC衬底背面的镍金属掩膜抛光去除和SiN保护层的腐蚀去除，实现片内嵌入金刚石复合衬底的制备；

步骤7、完成氮化镓晶体管正面工艺，得到氮化镓晶体管。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明利用刻蚀和定向外延生长技术在SiC衬底形成高效散热区，达到其高效散热能力；其刻蚀采用等离子体技术保证SiC衬底刻蚀的面形貌的平整度和粗糙度，随后采用CVD工艺进行高热导率金刚石厚膜的定向生长，两者结合即保证高质量的接触界面，又保证高导热金刚石材料的生长，最终形成芯片内部的高效散热区，实现氮化镓晶体管芯片级热管理技术开发，提升氮化镓晶体管的芯片内部的高效散热特性。

附图说明

图1是本发明的基于刻蚀和定向外延的片内嵌入金刚石散热氮化镓晶体管结构示意图。