一种用于制作GaNHEMT的横向金刚石/GaN/金刚石衬底及制备方法

一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底及制备方法
技术领域
1.本发明属于微电子技术领域，涉及一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底及制备方法。


背景技术：

2.gan作为第三代半导体材料，具有宽禁带、高电子饱和速率、高击穿场强等优异性能，在高频、大功率器件及电路中有广泛的应用。由于极化效应，在极性方向algan/gan界面处会形成二维电子气，能够大幅增强gan器件的电子迁移率，又由于gan本身具有较高的击穿场强，因而可利用该原理制作高电子迁移率(hemt，high electron mobility transistor)器件。
3.近年，gan基功率器件随着功率密度的增加，芯片的热积累效应迅速增加，导致各项性能指标迅速恶化，限制了其大功率特性的充分发挥。常用于外延gan的蓝宝石、sic、si衬底的热导率仅有约40-400w
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，无法满足大功率应用下的散热要求。因此，散热问题成为制约gan基功率器件进一步发展和广泛应用的主要问题之一。金刚石是目前热导率最高的衬底材料，其热导率为1200～2000w
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，可有效解决大功率应用下的散热问题。然而，由于晶格不匹配，在金刚石衬底上外延gan的位错密度很高，晶体质量差，制成的器件漏电严重，同样影响了gan材料大功率特性的发挥。
4.gan最理想的外延沉底是gan同质衬底，有着无晶格失配的特点，因而能够减小位错密度，从而提高晶体质量。然而，gan同质衬底的热导率仅有200w
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，远低于金刚石衬底，无法满足大功率器件的散热需求。目前传统的gan衬底如图1所示，为纯gan晶片。
5.总之，目前用于gan外延的衬底无法兼顾高热导率与低位错密度，这限制了gan功率器件，特别是gan hemt器件发挥其大功率特性。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.本发明实施例提供了一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底的制备方法，包括以下步骤：
8.获取两片多晶金刚石，通过抛光将所述多晶金刚石的其中一面抛光成光滑面；
9.获取gan单晶晶片，通过抛光将所述gan单晶晶片的两面均抛光成光滑面，其中，所述gan单晶晶片的光滑面为非极性面；
10.利用低温键合工艺将两片所述多晶金刚石的光滑面分别与所述gan单晶晶片的两个光滑面进行键合，以得到横向多晶金刚石/gan/多晶金刚石衬底。
11.在本发明的一个实施例中，通过抛光将所述多晶金刚石的其中一面抛光成光滑面，包括：
12.通过分别将两片所述多晶金刚石的其中一面抛光至均方根粗糙度为0.5-3.0nm，以形成光滑面。
13.在本发明的一个实施例中，通过抛光将所述gan单晶晶片的两面均抛光成光滑面，包括：
14.通过抛光将所述gan单晶晶片的两面的均方根粗糙度抛光至1nm以下，以使所述gan单晶晶片的两面均形成光滑面。
15.在本发明的一个实施例中，利用低温键合工艺将两片所述多晶金刚石的光滑面分别与所述gan单晶晶片的两个光滑面进行键合，以得到横向多晶金刚石/gan/多晶金刚石衬底，包括：
16.使用cvd工艺，分别在所述gan单晶晶片和所述多晶金刚石的光滑面上淀积sin键合层；
17.控制温度为150℃以下，在气压低于10-5
pa的低真空度下，施加1-100n压力，持续时间为1-10min，以使得所述gan单晶晶片的两个光滑面分别与两个多晶金刚石的光滑面进行键合；
18.在300-500℃温度条件下，对键合处理后的所述gan单晶晶片和所述多晶金刚石进行热退火处理，其中，热退火时间为10-30min；
19.对热退火处理后的所述gan单晶晶片和所述多晶金刚石进行纵向切片和机械抛光处理，以得到横向多晶金刚石/gan/多晶金刚石衬底。
20.在本发明的一个实施例中，对热退火处理后的所述gan单晶晶片和所述多晶金刚石进行纵向切片和机械抛光处理，以得到横向多晶金刚石/gan/多晶金刚石衬底，包括：
21.使用激光切割工艺对热退火处理后的所述gan单晶晶片和所述多晶金刚石进行纵向切片，以得到若干切片，其中，切片厚度为1-10mm；
22.将所述切片的单面或双面机械抛光至镜面，以得到横向多晶金刚石/gan/多晶金刚石衬底。
23.本发明的另一个实施例提供的一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底，所述衬底由上述任一项实施例所述的制备方法制备形成，所述器件包括：gan单晶晶片、两片多晶金刚石和两片sin键合层，所述多晶金刚石、所述sin键合层、所述gan单晶晶片、所述sin键合层和所述多晶金刚石自左向右依次排布。
24.在本发明的一个实施例中，所述多晶金刚石的横向尺寸为0.5-5mm。
25.在本发明的一个实施例中，所述gan单晶晶片的横向尺寸为10-30mm。
26.在本发明的一个实施例中，所述sin键合层的横向尺寸为40-200nm。
27.在本发明的一个实施例中，所述多晶金刚石、所述sin键合层、所述gan单晶晶片、所述sin键合层和所述多晶金刚石所形成的衬底厚度为1-10mm。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果：
29.1、本发明由于采用多晶金刚石作衬底的一部分，增强了衬底的散热能力。
30.2、由于gan单晶位错方向平行于衬底，本发明将其用于外延工艺，特别是gan同质外延工艺，外延出的晶体将具有更加理想的晶体质量。
31.3、由于本发明能将多晶金刚石/gan/多晶金刚石结构进行多次切片，因此能够大量制备。
32.4、由于本发明所获得的衬底两面均可以进行外延生长，可以自由选择ga面或n面外延。
33.5、本发明所制备的衬底改善了传统gan外延衬底的散热能力，并能提高外延gan的质量，并进一步提高了器件的工作寿命和稳定性，从而为器件在大功率下的工作奠定了基础，可用于制作高频、大功率gan基hemt器件。
34.通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
35.图1为现有技术提供的一种gan晶片的结构示意图；
36.图2为本发明实施例提供的一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底的制备方法的流程示意图；
37.图3为本发明实施例提供的一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底的制备方法的过程示意图；
38.图4为本发明实施例提供的一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底的结构示意图。
具体实施方式
39.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
40.实施例一
41.请参见图2、图3和图4，图2为本发明实施例提供的一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底的制备方法的流程示意图，图3为本发明实施例提供的一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底的制备方法的过程示意图，图4为本发明实施例提供的一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底的结构示意图。本发明提供一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
42.步骤1、请参见图3a，获取两片多晶金刚石，通过抛光将多晶金刚石的其中一面抛光成光滑面。
43.在一个具体实施例中，通过抛光将多晶金刚石的其中一面抛光成光滑面，包括：
44.通过分别将两片多晶金刚石的其中一面抛光至均方根粗糙度为0.5-3.0nm，以形成光滑面。
45.具体地，选用两片0.5-5mm厚的多晶金刚石，将两片多晶金刚石各自一面抛光至均方根粗糙度(rms)为0.5-3.0nm，形成光滑面，选用多晶金刚石的厚度将决定最终衬底中多晶金刚石的横向尺寸。
46.步骤2、请参见图3(a)，获取gan单晶晶片，通过抛光将gan单晶晶片的两面均抛光成光滑面，其中，gan单晶晶片的光滑面为非极性面。
47.在一个具体实施例中，通过抛光将gan单晶晶片的两面均抛光成光滑面，包括：
48.通过抛光将gan单晶晶片的两面的均方根粗糙度抛光至1nm以下，以使gan单晶晶片的两面均形成光滑面。
49.具体地，选用10-30mm厚的非极性gan单晶晶片，通过抛光，将gan单晶晶片的两面的rms降低至1nm以下，形成上下两侧的光滑面，选用gan单晶晶片的厚度将决定最终衬底中gan单晶的横向尺寸。
50.步骤3、利用低温键合工艺将两片多晶金刚石的光滑面分别与gan单晶晶片的两个光滑面进行键合，以得到横向多晶金刚石/gan/多晶金刚石衬底。
51.在一个具体实施例中，步骤3包括：
52.步骤3.1、请参见图3(b)，使用cvd(chemical vapor deposition，化学气相沉积)工艺，分别在所gan单晶晶片和多晶金刚石的光滑面上淀积sin键合层。
53.具体地，使用cvd工艺，分别在gan单晶和多晶金刚石的光滑面上淀积20-100nm厚的sin键合层。
54.步骤3.2、控制温度为150℃以下，在气压低于10-5pa的低真空度下，施加1-100n压力，持续时间为1-10min，以使得gan单晶晶片的两个光滑面分别与两个多晶金刚石的光滑面紧密贴合，实现预键合；
55.步骤3.3、在300-500℃温度条件下，对键合处理后的gan单晶晶片和多晶金刚石进行热退火处理，其中，热退火时间为10-30min。
56.具体地，将温度提升至300-500℃，持续时间10-30min，以进行热退火。
57.步骤3.4、对热退火处理后的gan单晶晶片和多晶金刚石进行纵向切片和机械抛光处理，以得到横向多晶金刚石/gan/多晶金刚石衬底。
58.在一个具体实施例中，步骤3.4包括步骤3.41-步骤3.42，其中：
59.步骤3.41、请参见图3(c)，使用激光切割工艺对热退火处理后的gan单晶晶片和多晶金刚石进行纵向切片，以得到若干切片，其中，切片厚度为1-10mm
60.具体地，将热处理后所制成的结构使用激光切割工艺进行纵向切片，切片厚度为1-10mm，切片厚度将决定最终制成衬底的厚度。
61.步骤3.42、请参见图3(d)，将切片的单面或双面机械抛光至镜面，以得到横向多晶金刚石/gan/多晶金刚石衬底。
62.具体地，将切片水平放置，单面或双面机械抛光至镜面，得到横向多晶金刚石/gan/多晶金刚石衬底。
63.本发明由于采用多晶金刚石作衬底的一部分，增强了衬底的散热能力。
64.由于gan单晶位错方向平行于衬底，本发明将其用于外延工艺，特别是gan同质外延工艺，外延出的晶体将具有更加理想的晶体质量。
65.由于本发明能将多晶金刚石/gan/多晶金刚石结构进行多次切片，因此能够大量制备。
66.由于本发明所获得的衬底两面均可以进行外延生长，可以自由选择ga面或n面外延。
67.本发明所制备的横向金刚石/gan/金刚石衬底，可以提高器件的导热能力，避免热效应对器件性能的负面影响，从而提高了器件的功率密度。同时若将该结构用于同质外延
gan，将能够降低外延片的位错。
68.本发明所制备的横向金刚石/gan/金刚石衬底可用来制作gan高电子迁移率晶体管器件。
69.实施例二
70.本实施例在上述实施例的基础上提供了一种制备1mm厚的单面抛光横向金刚石/gan/金刚石衬底的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
71.步骤一，如图3(a)，选用两片0.5mm厚的多晶金刚石，使用等质量的30％h2o2与去离子水的混合液作为抛光液，粒度为w0.5的金刚石粒为磨粒。设置抛光速度为20r/min，抛光压力为0.6mpa，两片多晶金刚石片各自一面抛光至0.5nm均方根粗糙度(rms)，形成光滑面；
72.步骤二，如图3(a)，选用10mm厚的非极性gan单晶晶片，使用0.8％h2o2溶液作为抛光液，粒度为w0.5的sio2为磨粒。设置抛光速度为60r/min，抛光压力为0.10mpa，将gan单晶晶片的两面的rms降低至0.5nm，形成上下两侧的光滑面；
73.步骤三，如图3(b)，将两片多晶金刚石的光滑面分别与gan单晶晶片的两侧的光滑面进行低温键合工艺；
74.3a)使用cvd工艺，设置反应室温度为675℃，反应室压力为320mtorr，向反应室中同时通入流量为20sccm的氨气、流量为40sccm的硅源(sih2cl2)，进行两次该工艺，分别在gan单晶晶片的两个光滑面上淀积20nm厚的sin键合层；设置反应室温度为750℃，保持反应室压力为150mtorr，向反应室中同时通入流量为22sccm的氨气、流量为98sccm的硅源(sih2cl2)，在两片多晶金刚石各自的光滑面上淀积20nm厚的sin键合层；
75.3b)控制温度为50℃，在气压为10-7
pa的真空度下，施加10n压力，持续1min，使得gan单晶晶片的两个光滑面分别与两个多晶金刚石的光滑面紧密贴合，实现预键合；
76.3c)将温度提升至300℃，持续时间10min，进行热退火；
77.步骤四，如图3(c)，将所制成的样品使用激光切割工艺进行纵向切片，使用激光波长为355nm，设置切片厚度为1mm，切割功率为50w，激光脉冲频率为30hz，扫描速度为0.2mm/min，循环扫描至将切片完全切下；
78.步骤五，如图3(d)，将切片水平放置，单面机械抛光至镜面，得到横向多晶金刚石/gan/多晶金刚石衬底。
79.实施例三
80.本实施例在上述实施例的基础上提供了一种制备5mm厚的单面抛光横向金刚石/gan/金刚石衬底的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
81.步骤一，如图3(a)，选用两片2mm厚的多晶金刚石，使用等质量的30％h2o2与去离子水的混合液作为抛光液，粒度为w0.5的金刚石粒为磨粒。设置抛光速度为40r/min，抛光压力为0.8mpa，两片多晶金刚石片各自一面抛光至1.5nm均方根粗糙度，形成光滑面；
82.步骤二，如图3(a)，选用20mm厚的非极性gan单晶晶片，使用0.8％h2o2溶液做为抛光液，粒度为w0.5的sio2为磨粒。设置抛光速度为75r/min，抛光压力为0.15mpa，将gan单晶晶片的两面的rms降低至0.7nm，形成上下两侧的光滑面；
83.步骤三，如图3(b)，将两片多晶金刚石的光滑面分别与gan单晶晶片的两侧的光滑面进行低温键合工艺：
84.3a)使用cvd工艺，设置反应室温度为750℃，反应室压力为320mtorr，向反应室中
同时通入流量为20sccm的氨气、流量为40sccm的硅源(sih2cl2)，进行两次该工艺，分别在gan单晶晶片的两个光滑面上淀积50nm厚的sin键合层；设置反应室温度为825℃，保持反应室压力为150mtorr，向反应室中同时通入流量为22sccm的氨气、流量为98sccm的硅源(sih2cl2)，在两片多晶金刚石各自的光滑面上淀积50nm厚的sin键合层；
85.3b)控制温度为100℃，在气压为10-6
pa的真空度下，施加150n压力，持续5min，使得gan单晶晶片的两个光滑面分别与两个多晶金刚石的光滑面紧密贴合，实现预键合；
86.3c)将温度提升至450℃，持续时间15min，进行热退火；
87.步骤四，如图3(c)，将所制成的样品使用激光切割工艺进行纵向切片，使用激光波长为266nm，设置切片厚度为5mm，切割功率为90w，激光脉冲频率为60hz，扫描速度为0.6mm/min，循环扫描至将切片完全切下；
88.步骤五，如图3(d)，将切片水平放置，单面机械抛光至镜面，得到横向多晶金刚石/gan/多晶金刚石衬底。
89.实施例四
90.本实施例在上述实施例的基础上提供了一种制备1mm厚的单面抛光横向金刚石/gan/金刚石衬底的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
91.步骤一，如图3(a)，选用两片5mm厚的多晶金刚石，使用等质量的30％h2o2与去离子水的混合液作为抛光液，粒度为w0.5的金刚石粒为磨粒。设置抛光速度为60r/min，抛光压力为1.0mpa，两片多晶金刚石片各自一面抛光至3.0nm均方根粗糙度，形成光滑面；
92.步骤二，如图3(a)，选用30mm厚的非极性gan单晶晶片，使用0.8％h2o2溶液作为抛光液，粒度为w0.5的sio2为磨粒。设置抛光速度为90r/min，抛光压力为0.20mpa，将gan单晶晶片的两面的rms降低至1.0nm，形成上下两侧的光滑面；
93.步骤三，如图3(b)，将两片多晶金刚石的光滑面分别与gan单晶晶片的两侧的光滑面进行低温键合工艺：
94.3a)使用cvd工艺，设置反应室温度为825℃，反应室压力为320mtorr，向反应室中同时通入流量为20sccm的氨气、流量为40sccm的硅源(sih2cl2)，进行两次该工艺，分别在gan单晶晶片的两个光滑面上淀积100nm厚的sin键合层；设置反应室温度为875℃，保持反应室压力为150mtorr，向反应室中同时通入流量为22sccm的氨气、流量为98sccm的硅源(sih2cl2)，在两片多晶金刚石各自的光滑面上淀积100nm厚的sin键合层；
95.3b)控制温度为150℃，在气压为10-5
pa的真空度下，施加500n压力，持续10min，使得gan单晶晶片的两个光滑面分别与两个多晶金刚石的光滑面紧密贴合，实现预键合；
96.3c)将温度提升至500℃，持续时间30min，进行热退火；
97.步骤四，如图3(c)，将所制成的样品使用激光切割工艺进行纵向切片，使用激光波长为157nm，设置切片厚度为10mm，切割功率为120w，激光脉冲频率为90hz，扫描速度为1.0mm/min，循环扫描至将切片完全切下；
98.步骤五，如图3(d)，将切片水平放置，双面机械抛光至镜面，得到横向多晶金刚石/gan/多晶金刚石衬底。
99.实施例五
100.请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底的结构示意图。本发明提出一种用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金
刚石衬底，该用于制作gan hemt的横向金刚石/gan/金刚石衬底由上述实施例所述的制备方法制备形成，该横向金刚石/gan/金刚石衬底包括：多晶金刚石1、sin键合层2、gan单晶晶片3、sin键合层4、多晶金刚石5，多晶金刚石1、sin键合层2、gan单晶晶片3、sin键合层4、多晶金刚5自左向右依次排布，多晶金刚石1和多晶金刚石5能够增强衬底的散热能力，改善器件在大功率下的工作性能；sin键合层2和sin键合层4用于多晶金刚石1、多晶金刚石2分别与gan单晶晶片3的键合工艺；gan单晶晶片3选用非极性外延的gan单晶晶片，若用于同质外延生长gan，将能提高外延层的晶体质量，且由于切片后调整了方向，因此衬底表面的gan为极性面，可用于制作hemt器件。
101.优选地，多晶金刚石1和多晶金刚石5的横向尺寸均为0.5-5mm。
102.优选地，gan单晶晶片3的横向尺寸为10-30mm。
103.优选地，sin键合层2和sin键合层4的横向尺寸均为40-200nm。
104.优选地，多晶金刚石1、sin键合层2、gan单晶晶片3、sin键合层4、多晶金刚5所形成的衬底厚度为1-10mm。
105.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
106.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特数据点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特数据点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
107.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。