一种gan基异质结构、制作方法及其应用
技术领域
1.本发明涉及半导体领域，特别是一种gan基异质结构、制作方法及其应用。
背景技术：2.近年来，iii族氮化物半导体器件不仅广泛应用于光学器件，而且广泛应用于电子器件，诸如高电子迁移率晶体管(在下文中，简写为“hemt”)。
3.由于gan在击穿电压和工作频率方面的固有优越性，以及对电力电子和rf应用的需求不断增长，因此gan有望成为制造各种光电、电力电子和rf器件的优选器件。gan基半导体器件具备耐高温、热稳定性、低功耗、高击穿电压和高电子迁移率等优点，使其适用于电力电子、汽车/混合电动车(hev)、无线通信、微型led显示屏的各种应用。然而，由于缺陷密度高，可扩展性有限以及生产成本昂贵等主要技术和经济挑战，使gan基半导体器件在电子和光电设备行业中的应用受到了限制。此外，由于gan缓冲层及其生长模板的导热性差，从而导致gan基半导体器件在工作期间存在不良散热问题。
4.作为大功率gan基半导体器件(例如gan基高电子迁移率晶体管(hemt))随着功率密度的提高，器件的自热效应明显，器件的自热效应将导致温度有一个明显的上升，如果无法快速有效将这部分热量散发出去，将严重影响器件的电学和热学性能，甚至影响器件的安全可靠性。而器件的散热主要通过热传导的方式经由外延层、半导体衬底以及键合层、封装外壳向外传递。由于发热的有源区面积很小，与有源层相近的外延层及半导体衬底的散热能力成为影响器件散热能力的主要因素。
5.鉴于此，散热问题以及器件可靠性问题已成为gan大功率器件制备过程中亟待解决的问题。
技术实现要素：6.针对目前对于gan基半导体器件存在的散热问题及结构稳定性、可靠性等问题，本技术的实施例提出了一种gan基异质结构、制作方法及其应用来解决以上的问题。
7.第一方面，本技术提出了一种gan基异质结构的制作方法，包括以下步骤：
8.在gan衬底上通过射频磁控溅射技术生长立方相bn薄膜层，其中磁控溅射条件包括工作压力、射频功率、第一衬底温度以及施加在gan衬底上的偏压，工作压力包括基础压力和过程压力，基础压力的范围为低于7*10-4
pa，过程压力的范围为5-20mtorr，射频功率的范围为100w-300w，第一衬底温度范围为200-600℃，偏压的范围为0-200v；
9.在立方相bn薄膜层上通过微波等离子体cvd技术生长金刚石薄膜层，其中微波等离子体辅助cvd技术所采用的条件包括腔室压力和第二衬底温度，腔室压力范围为100-175torr，第二衬底温度的范围为800-1150℃。
10.在一些实施例中，在射频磁控溅射技术中的靶材为六方bn，溅射气体为体积比例氩气比氮气为1-5:1的混合气体。在该条件下可生成接近化学计量比的具有立方相的bn薄膜。
11.在一些实施例中，立方相bn薄膜层的生长速率的范围为3-5nm/min。
12.在一些实施例中，微波等离子体辅助cvd技术所采用的微波频率为915mhz，微波功率的范围为4-7kw。
13.在一些实施例中，微波等离子体辅助cvd技术所采用的反应气体为ch4和h2，其中ch4的气体流量为h2的气体流量的1％-6％。在该反应气体及流量比例下，此时在立方相bn薄膜层上生长的金刚石薄膜层厚度均匀，金刚石薄膜层内部颗粒粒径大小较为均匀。
14.在一些实施例中，金刚石薄膜层的生长速率的范围为2-5μm/h。
15.第二方面，本技术的实施例提出了一种gan基异质结构，采用上述的gan基异质结构的制作方法制作而成。
16.在一些实施例中，立方相bn薄膜层的厚度范围为1nm-100nm。立方相bn薄膜可以是非晶、多晶或单晶。
17.在一些实施例中，金刚石薄膜层的厚度范围为1um-100um。金刚石薄膜是耐热等级的多晶或单晶。
18.第三方面，本技术的实施例提出了一种根据上述的gan基异质结构在hemt器件中的应用。
19.本技术的实施例公开了一种gan基异质结构、制作方法及其应用，在gan衬底上生长形成高质量的立方相bn薄膜层，然后在立方相bn薄膜层上生长形成金刚石薄膜层，因此形成gan基异质结构。由于立方相bn薄膜层具有sp3键合的四面体配位，有利于在氮化物半导体形成异质结构。金刚石和立方相bn之间的结构相似性可以避免在生长的异质外延金刚石膜上产生膜应力。由于gan基异质结构中的每一个膜层都具有高导热率，并且各层之间存在共价键合机理，因此产生的热量通过金刚石薄膜层被分布到横向和垂直方向，使得gan基异质结构具有良好的散热性能。gan基异质结构具有的高导热率的结构将解决功率电子和高速设备等一系列应用中的散热问题，并且避免产生膜应力，使其应用的器件具有较好的机械稳定性。
附图说明
20.包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
21.图1为本技术的实施例的gan基异质结构的制作方法的示意图；
22.图2为本技术的实施例的gan衬底的示意图；
23.图3为本技术的实施例在gan衬底生长立方相bn薄膜层的示意图；
24.图4为本技术的实施例的gan基异质结构的示意图；
25.图5为本技术的实施例的gan基异质结构的外观图；
26.图6为本技术的实施例1的gan基异质结构的bn薄膜层的傅里叶变换红外光谱测试结果；
27.图7为本技术的实施例1的gan基异质结构的金刚石薄膜层的扫描电镜图片；
28.图8为本技术的实施例2的gan基异质结构的bn薄膜层的傅里叶变换红外光谱测试
结果；
29.图9为本技术的实施例2的gan基异质结构的bn薄膜层的xps测试结果；
30.图10为本技术的实施例3的gan基异质结构的xrd图；
31.图11为对比例的gan基异质结构的bn薄膜层的傅里叶变换红外光谱测试结果；
32.图12为对比例的gan基异质结构的bn薄膜层的xps测试结果；
33.图13为hemt器件的热力图比对结果，图13a为hemt器件的结构示意图，图13b为使用gan衬底制作hemt器件的热力图；图13c为本技术的实施例的gan基异质结构应用在hemt器件的热力图。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
36.本发明的实施例中提出了一种gan基异质结构的制作方法，如图1所示，包括以下步骤：
37.s1：在gan衬底上通过射频磁控溅射技术生长立方相bn薄膜层；
38.s2：在立方相bn薄膜层上通过微波等离子体辅助cvd技术生长金刚石薄膜层。
39.其中，gan衬底可以选择市面上可获得的自支撑gan衬底，也可以是在蓝宝石、sic、si等衬底上异质外延制作成的gan衬底。在gan衬底生长技术中，氢化物气相外延(hvpe)以其高生长速率(可以达到800μm/h以上)、低成本、可大面积生长和均匀性好等优点，成为gan衬底制作工艺的首选。除此之外，还可以采用氨热法(ammonothermal method)、压生长法(hnpsg)、钠融法(na flux)等其他能够制作工艺，在此不再赘述。如图2所示为gan衬底的示意图。
40.立方相氮化硼(c-bn)具有sp3键的四面体配位，可提供高导热性和大带隙，c-bn的四面体配位有利于与氮化物半导体形成异质结构，因此将裸露的gan衬底用于c-bn的生长。
41.由于金刚石和立方相氮化硼(c-bn)具有相同结构的特征，两者之间晶格常数差异很小(δa＝1.3％)，因此在立方相氮化硼(c-bn)上形成金刚石薄膜层具有明显的优势。另外，微波等离子体辅助cvd(mpacvd)作为生长高质量金刚石薄膜的最经济有效的方法，因此在本技术中采用微波等离子体辅助cvd(mpacvd)技术在立方相bn薄膜层上生长高质量的金刚石薄膜层，最终形成具有良好散热性能以及较小的膜应力的金刚石/c-bn/gan异质结构。
42.如图1中的s1及图3所示，首先进行步骤s1，在gan衬底100上通过射频磁控溅射技术生长立方相bn薄膜层200。
43.本技术的在gan衬底100上生长立方相bn薄膜层200的过程采用射频磁控溅射系统，并且采用的靶材为六方bn，在gan衬底100上施加负偏压，有利于在gan衬底100上形成高质量的立方相bn薄膜层200。在此过程中，磁控溅射条件包括工作压力、射频功率、第一衬底温度以及施加在gan衬底100上的偏压，其中工作压力包括基础压力和过程压力，基础压力为低于7*10-4
pa，过程压力为5-20mtorr，第一衬底温度的范围为200-600℃，偏压的范围为
和h2，调节腔室压力为120torr，第二衬底温度为900℃，微波功率为5kw，最终在立方相bn薄膜层上生长出金刚石薄膜层。如图7所示的扫描电镜照片可知，在此条件下生长得到表面晶粒均匀的金刚石薄膜层，并且晶粒之间结合紧密，说明在c-bn薄膜层上能够生长出结构致密的金刚石薄膜层。
50.实施例2
51.首先提供一gan衬底，将gan衬底置于射频磁控溅射反应室内，在gan衬底上通过射频磁控溅射技术生长立方相bn薄膜层，使用5英寸的六方bn，设置基础压力为低于7*10-4
pa，将衬底温度升高至400℃，通入体积比例氩气比氮气为4:1的混合气体，调整过程压力为15mtorr，控制射频功率为200w，溅射时间30分钟，在衬底上gan施加150v的偏压。在此条件下生长bn薄膜层，并将得到的bn薄膜层进行傅里叶变换红外光谱测试，如图8所示的傅里叶变换红外光谱测试结果可知，在1100cm-1
附近出现c-bn所对应的峰，在1400cm-1
附近未发现与h-bn相对应的峰，进一步，如图9所示的xps测试结果可知，bn薄膜层中为c-bn，未发现有h-bn相存在。因此在此条件生长得到的bn薄膜层中存在c-bn，未发现有h-bn相存在。
52.将得到形成有立方相bn薄膜层的gan衬底上放置在微波等离子体cvd反应室内，通过微波等离子体cvd技术生长金刚石薄膜层，通入气体流量分别为30sccm和1500sccm的ch4和h2，调节腔室压力为150torr，第二衬底温度为1000℃，微波功率为6kw，最终在立方相bn薄膜层上生长出金刚石薄膜层。在此条件下生长得到金刚石薄膜层表面晶粒均匀，晶粒之间结合紧密，在此条件下能够在c-bn薄膜层上生长出结构致密的金刚石薄膜层。
53.实施例3
54.首先提供一gan衬底，将gan衬底置于射频磁控溅射反应室内，在gan衬底上通过射频磁控溅射技术生长立方相bn薄膜层，使用3英寸的六方bn，设置基础压力为低于7*10-4
pa，将衬底温度升高至350℃，通入体积比例氩气比氮气为3:1的混合气体，调整过程压力为16mtorr，控制射频功率为300w，溅射时间15分钟，在衬底上gan施加120v的偏压。在此条件下生长立方相bn薄膜层。
55.将得到形成有立方相bn薄膜层的gan衬底上放置在微波等离子体cvd反应室内，通过微波等离子体cvd技术生长金刚石薄膜层，通入气体流量分别为30sccm和3000sccm的ch4和h2，调节腔室压力为120torr，第二衬底温度为1150℃，微波功率为5.5kw，最终在立方相bn薄膜层上生长出金刚石薄膜层。如图10所示为表面金刚石薄膜层的xrd结果可知，在c-bn上生长的金刚石纯度高。
56.对比例
57.首先提供一gan衬底，将gan衬底置于射频磁控溅射反应室内，在gan衬底上通过射频磁控溅射技术生长立方相bn薄膜层，控制磁控溅射条件为：基础压力为低于7*10-4
pa，将衬底温度升高至350℃，通入体积比例氩气比氮气为3:1的混合气体，调整过程压力为10mtorr，控制射频功率为350w，溅射时间15分钟，在衬底上gan施加100v的偏压。在此条件下生长bn薄膜层，并将得到的bn薄膜层进行傅里叶变换红外光谱测试，如图11所示的傅里叶变换红外光谱测试结果可知，在1100cm-1
附近出现c-bn所对应的峰，在1400cm-1
附近出现与h-bn相对应的峰，进一步，如图12所示的xps测试结果可知，bn薄膜层中存在c-bn，但是同时在b1s前方出现了一个微弱的较宽的π键伴峰，说明产物中出现了h-bn相。因此在此条件生长得到的bn薄膜层中有少量h-bn相存在。
58.将得到形成有bn薄膜层的gan衬底上放置在微波等离子体cvd反应室内，通过微波等离子体cvd技术生长金刚石薄膜层，通入气体流量分别为30sccm和2000sccm的ch4和h2，调节腔室压力为10torr，第二衬底温度为950℃，微波功率为5.5kw，最终在bn薄膜层上生长出金刚石薄膜层。由于磁控溅射中射频功率过高，导致bn薄膜层中有h-bn相，h-bn相与金刚石的晶体结构不同，晶格常数相差较大，在此条件下很难生长得到结构致密的金刚石薄膜层，从而影响到金刚石的生长。
59.本实施例还提供一种gan基异质结构，该gan基异质结构可以采用上述实施例的制备方法制备，该gan基异质结构包括gan衬底100、立方相bn薄膜层200和金刚石薄膜层300。gan基异质结构中的立方相bn薄膜层200的厚度范围为1nm-100nm，立方相bn薄膜层200可以是非晶、多晶或单晶。gan基异质结构中的金刚石薄膜层300的厚度范围为1um-100um。金刚石薄膜层300是耐热等级的多晶或单晶。最终得到的gan基异质结构的热导率为500-1000w/(m*k)，而gan的热导率为130w/(m*k)，因此结构为金刚石/c-bn/gan的gan基异质结构具有良好的热性能。
60.本技术的gan基异质结构可用于hemt器件中，对hemt器件起到良好的散热效果。针对在hemt器件中使用gan衬底或者本技术的gan基异质结构这两种情况下，对hemt器件表面温度测试得到图13的热力图，图13a为hemt器件的示意图，图13b为使用gan衬底的hemt器件的热力图，图13c为使用本技术的gan基异质结构的hemt器件的热力图，可以明显看出使用本技术的gan基异质结构的hemt器件的散热效果好，因此产生的热量通过金刚石薄膜层被分布到横向和垂直方向，因此热量不会集中在器件中，更不会对器件的电学、力学性能造成太大的影响，从而可以提高器件的可靠性和稳定性。这种高热导率的结构将解决功率电子和高速设备等一系列应用中的散热问题。
61.本技术的实施例公开了一种gan基异质结构、制作方法及其应用，在gan衬底上生长形成高质量的立方相bn薄膜层，然后在立方相bn薄膜层上生长形成金刚石薄膜层，因此形成gan基异质结构。由于立方相bn薄膜层具有sp3键的四面体配位，有利于在氮化物半导体形成异质结构。金刚石和立方相bn之间的结构相似性可以避免在生长的异质外延金刚石膜上产生膜应力。由于gan基异质结构中的每一个膜层都具有高导热率，并且各层之间存在共价键合机理，因此产生的热量通过金刚石薄膜层被分布到横向和垂直方向，使得gan基异质结构具有良好的散热性能。gan基异质结构具有的高导热率的结构将解决功率电子和高速设备等一系列应用中的散热问题，并且避免产生膜应力，使gan基异质结构制作而成的器件具有较好的机械稳定性。
62.以上描述了本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
63.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。措词
‘
包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词“一”或“一个”并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参
考符号不应当被解释为限制范围。
技术特征：1.一种gan基异质结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：在gan衬底上通过射频磁控溅射技术生长立方相bn薄膜层，其中磁控溅射条件包括工作压力、射频功率、第一衬底温度以及施加在所述gan衬底上的偏压，所述工作压力包括基础压力和过程压力，所述基础压力的范围为低于7*10-4
pa，所述过程压力的范围为5-20mtorr，所述射频功率的范围为100w-300w，所述第一衬底温度范围为200-600℃，所述偏压的范围为0-200v；在所述立方相bn薄膜层上通过微波等离子体cvd技术生长金刚石薄膜层，其中微波等离子体辅助cvd技术所采用的条件包括腔室压力和第二衬底温度，所述腔室压力范围为100-175torr，所述第二衬底温度的范围为800-1150℃。2.根据权利要求1所述的gan基异质结构的制作方法，其特征在于，在所述射频磁控溅射技术中的靶材为六方bn，溅射气体为体积比例氩气比氮气为1-5:1的混合气体。3.根据权利要求1所述的gan基异质结构的制作方法，其特征在于，所述立方相bn薄膜层的生长速率的范围为3-5nm/min。4.根据权利要求1所述的gan基异质结构的制作方法，其特征在于，所述微波等离子体辅助cvd技术所采用的微波频率为915mhz，微波功率的范围为4-7kw。5.根据权利要求1所述的gan基异质结构的制作方法，其特征在于，所述微波等离子体辅助cvd技术所采用的反应气体为ch4和h2，其中ch4的气体流量为h2的气体流量的1％-6％。6.根据权利要求1所述的gan基异质结构的制作方法，其特征在于，所述金刚石薄膜层的生长速率的范围为2-5μm/h。7.一种gan基异质结构，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的gan基异质结构的制作方法制作而成。8.根据权利要求7所述的gan基异质结构，其特征在于，所述立方相bn薄膜层的厚度范围为1nm-100nm。9.根据权利要求7所述的gan基异质结构，其特征在于，所述金刚石薄膜层的厚度范围为1μm-100μm。10.一种根据权利要求7-9中任一项所述的gan基异质结构在hemt器件中的应用。
技术总结本发明公开了一种GaN基异质结构、制作方法及其应用，通过在GaN衬底上通过射频磁控溅射技术生长立方相BN薄膜层；在立方相BN薄膜层上通过微波等离子体辅助CVD技术生长金刚石薄膜层，最终制作出GaN基异质结构。金刚石和立方相BN之间的结构相似性可以避免在生长的异质外延金刚石膜上产生膜应力。由于GaN基异质结构中的每一个膜层都具有高导热率，并且各层之间存在共价键合机理，因此产生的热量通过金刚石薄膜层被分布到横向和垂直方向，使得GaN基异质结构具有良好的散热性能。GaN基异质结构具有的高导热率，可解决功率电子和高速设备等一系列应用中的散热问题，并且避免产生膜应力，使器件具有较好的机械稳定性，应用在HEMT器件中具有良好的散热效果。器件中具有良好的散热效果。器件中具有良好的散热效果。
技术研发人员：张粉红 李熙规
受保护的技术使用者：化合积电（厦门）半导体科技有限公司
技术研发日：2022.05.20
技术公布日：2022/11/1
