[发明专利]一种利于提高散热性的氮化镓外延生长方法

说明书

本发明公开了一种利于提高散热性的氮化镓外延生长方法，包括以下步骤：步骤1：取Cu(111)单晶作为衬底；步骤2：对衬底进行表面氮化处理；步骤3：在氮化处理后的衬底上，低温外延生长氮化镓缓冲层；步骤4：对缓冲层进行退火处理；步骤5：在退火处理后的缓冲层上，持续高温外延生长氮化镓单晶薄膜；步骤6：降温，获得氮化镓外延薄膜。本发明提供的利于提高散热性的氮化镓外延生长方法，解决了氮化镓器件中散热性差这一难题，有助于氮化镓在高频高功率场景下的应用。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种利于提高散热性的氮化镓外延生长方法。

背景技术

氮化镓作为宽禁带半导体材料，其具禁带宽度大，载流子迁移率高等优点，因此氮化镓特别适用于制作高耐压、高功率密度、高可靠性的功率电子或微波器件，也可广泛运用于新能源汽车、半导体照明等领域。

目前氮化镓的商业化生长一般采用氢化物气相外延(HVPE)，主要是因为HVPE法生长的速度快且单晶质量较好，而工艺步骤相对简单，经济效益好。现阶段氮化镓材料的HVPE生长有两大类途径：一种途径是同质外延，即在氮化镓单晶衬底上进行外延生长，其优点是氮化镓外延层质量高，位错低，能够充分发挥氮化镓的材料性能，但目前氮化镓衬底稀缺，价格昂贵，严重制约了氮化镓的工业生产与应用，且氮化镓的导热性较差(其导热系数几乎与散热性不佳的硅相当)，这制约了氮化镓在大功率电器上面的应用。另一种途径是异质外延，选用的衬底一般为蓝宝石、硅或者碳化硅衬底，但由于氮化镓与上述三种衬底间存在大的晶格失配和热失配，因此氮化镓外延层存在较大的位错、缺陷和应力，不容易长厚，且生长结束时在降温过程中容易开裂，此外蓝宝石、硅虽然成本较低，但散热性差，不利于氮化镓在高功率上的应用。碳化硅虽然导热好(导热系数为370W/(m·K))，但目前成本也高，比单晶硅片贵约1000倍，且与氮化镓热失配严重，致使氮化镓存在较大的应力，影响氮化镓性能的发挥。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前行业采用的HVPE方法中，无论是同质外延，还是异质外延，普遍存在衬底成本高及导热性差等弊端，制约了氮化镓器件的大规模应用，本发明提供了解决上述问题的一种利于提高散热性的氮化镓外延生长方法，解决了氮化镓器件中散热性差这一难题，有助于氮化镓在高频高功率场景下的应用。

本发明通过下述技术方案实现：

一种利于提高散热性的氮化镓外延生长方法，包括以下步骤：

步骤1：取Cu(111)单晶作为衬底；

步骤2：对衬底进行表面氮化处理；

步骤3：在氮化处理后的衬底上，低温外延生长氮化镓缓冲层；

步骤4：对缓冲层进行退火处理；

步骤5：在退火处理后的缓冲层上，持续高温外延生长氮化镓单晶薄膜；

步骤6：降温，获得氮化镓外延薄膜。

由于Cu的导热系数为401W/(m·K)，具有极好的散热性能。本发明通过在导热性好的Cu衬底上进行氮化处理，有利于表面形成成核中心，增加低温氮化镓缓冲层与Cu衬底的黏附。氮化镓缓冲层是为了缓解氮化镓的高温生长层与Cu衬底的晶格失配，有助于提升高温氮化镓生长层的晶体质量，降低位错密度。氮化镓缓冲层的退火处理是为了使缓冲层发生一定的重结晶，削弱晶界特征，降低缓冲层的表面粗糙度，为后续高温氮化镓的外延生长奠定基础。在生长结束时，随着缓慢地降温，由于Cu的延展性很好，可充分释放氮化镓外延层的内部应力，降低了薄膜的裂片率。此外，Cu(111)的表面三维能量势垒比(110)或者(100)的表面三维能量势垒要大，因而在Cu(111)表面生长氮化镓的会优先形成多层台阶，这种多层台阶利于氮化镓的成核、释放应力和降低位错。

相比较现有的氮化镓生长技术，本发明具有成本低、导热性好、良率高等特点，解决了现阶段氮化镓基芯片器件中散热性差、制备成本高等难题。