[发明专利]基于金刚石衬底的氮化物结构、制备方法及半导体器件

说明书

本发明公开了一种基于金刚石衬底的氮化物结构、制备方法及半导体器件，所述氮化物结构包括金刚石衬底；位于所述金刚石衬底上的至少一层IV族原子层；位于所述至少一层IV族原子层上的氮化物外延层。本发明解决了在金刚石衬底上生长氮化物外延层失配大，氮化物外延层和金刚石衬底界面处热阻大，工艺复杂的问题。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种基于金刚石衬底的氮化物结构、制备方法及半导体器件。

背景技术

GaN高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)作为功率放大器，可应用于雷达系统、移动通信系统与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的潜力，具有非常广阔的应用前景。但是，目前GaN微波通信系统的性能与可靠性受到自热效应引起的高工作温度的限制。因此，高效的热管理对于降低器件发热与工作区温度是非常重要的。在GaN HEMT系统中采用大体积的金属热沉可以提供具有高热导率的背底，降低系统的温度。热传导在高热导率的材料与热源非常接近时最有效，但是因栅极的尺寸较小，仅有微米级，热沉与器件栅极区域的距离大大超过了栅极的尺寸，热源到热传导部件之间不能完成有效的热传递。采用这种方式不能降低HEMT栅极热源附近的温度。在类似栅极这些小几何形状周边的热传导的最好方式是将热量通过更大面积或体积传导出去，只有在高热导率的衬底之上直接沉积半导体外延层，并制作器件，才能形成良好的热传导，因此，采用和氮化镓结合紧密的高热导衬底，能获得极佳的耐热和散热性能，有望实质性改善目前高功率射频系统的散热限制。

金刚石热阻小，其热导率是SiC的3倍。可作为GaN外延层的衬底，大幅提高器件散热能力。金刚石衬底上生长GaN的困难之处在于二者晶体结构不同，金刚石为立方结构，而GaN为六方结构，晶格失配造成二者界面处存在较多的材料缺陷，影响器件的性能。此外，金刚石与与GaN之间的热膨胀系数存在差异。这种不同的热膨胀系数会引起金刚石衬底的翘曲，增加在金刚石衬底上制作器件的工艺难度。因此直接在金刚石衬底上制备GaN外延层是非常困难的。

目前在金刚石衬底上生长氮化镓多采用圆片键合的方法，该方法先将GaN外延生长在其他衬底上，然后通过键合的方法将GaN外延层转移到金刚石衬底上。但该方法中，金刚石与GaN外延层之间存在着键合层，会导致金刚石与GaN半导体层处的热阻增大，降低器件性能。

还有一种在金刚石上制备AlGaN/GaN外延层的方法，采用金属有机物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)方法将AlGaN/GaN HEMT结构的外延层沉积在Si衬底之上，在AlGaN/GaN之上形成氮化硅支撑衬底，将AlGaN/GaN外延层倒放在支撑衬底之上。将Si衬底剥离之后在AlGaN/GaN外延层上采用MOCVD沉积金刚石薄膜，最终去除支撑衬底，形成在金刚石衬底之上的AlGaN/GaN外延层。但此种方法中，由于金刚石薄膜较薄，会导致外延片翘曲过大，需要抛光等手段降低金刚石衬底的翘曲，工艺复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于金刚石衬底的氮化物结构、制备方法及半导体器件，以解决在金刚石衬底上生长氮化物外延层失配大，氮化物外延层和金刚石衬底界面处热阻大，工艺复杂的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种氮化物结构，包括：

金刚石衬底；

位于所述金刚石衬底上的至少一层IV族原子层；

位于所述至少一层IV族原子层上的氮化物外延层。

进一步的，所述IV族原子为Si原子；所述氮化物外延层的材料为AlN，AlGaN或GaN。

进一步的，所述氮化物外延层和少一层IV族原子层之间还包括依次层叠的V族原子层和III族原子层。