[发明专利]一种低界面热阻的氮化镓/金刚石复合散热层的制备方法

说明书

本发明公开了一种低界面热阻的氮化镓/金刚石复合散热层的制备方法，将抛光的自支撑氮化镓晶圆作为衬底，放置于磁控溅射镀膜装置的旋转样品台上；将腔室抽真空后通入氩气和氮气，使用高纯靶材作为射频溅射靶，在该衬底抛光表面沉积一层介质层薄膜；然后使用MPCVD设备配合偏压增强形核技术对介质层表面进行预处理；关闭偏压后，在经过预处理的介质层表面沉积高热导率的金刚石散热层，从而得到一种具有金刚石散热层的氮化镓晶片结构。本发明通过调控偏压和金刚石生长工艺制备氮化镓/金刚石复合散热层，界面热阻大小可控，具有界面热阻低、结合良好、金刚石薄膜热导率高的特点，对于促进高频高功率氮化镓功率器件的应用推广具有显著意义。

技术领域

本发明涉及一种低界面热阻的氮化镓/金刚石复合散热层的制备方法，属于半导体材料技术领域。

背景技术

氮化镓禁带宽度可达3.4eV，是传统Si半导体材料的3倍，是一种优良的宽禁带半导体材料，相比于Si器件拥有更小的晶体管尺寸，更低的导通电阻和电容，更快的工作频率和响应速度。氮化镓对电离辐射的抗性较高，化学性质稳定，使其能够在更加恶劣的环境下服役，作为高温大功率器件、高频微波器件展现出优良前景。理论上氮化镓功率密度可达10⁵ W/cm², 但实际使用过程中由于其自身热效应问题导致氮化镓基高电子迁移率晶体管器件的功率密度仅为 3~5 W/mm，其自身优势远未充分发挥。主要原因是过大的功率耗散导致器件升温，而传统的低热导率衬底和散热途径的散热能力有限，阻碍热量向周围环境扩散，使器件的静态I-V特性衰减。金刚石具有已知材料中最高的热导率，可达2100W/m·K。随着化学气相沉积（CVD）金刚石制备技术的迅速发展，目前人工合成的CVD金刚石热导率已经达到天然金刚石水平，且制备效率及成本极大降低，成为下一代高功率电子器件的优良封装材料之一。

在氮化镓晶圆背面沉积金刚石，可以实现高功率氮化镓器件与高热导率金刚石的结合，进一步提升氮化镓器件的功率密度。氮化镓在高温氢等离子体环境下易分解，需要在金刚石与氮化镓之间插入SiN_x和AlN等介质层进行保护，但是非金刚石介质层衬底表面的金刚石形核和生长是其中的关键。中国发明专利CN 104328390 A“一种GaN/金刚石膜复合片的制备方法”中，利用喷射电弧等离子体激活的碳原子基团CH^*、CH₂^*和CH₃^*对氮化镓衬底进行轰击，实现氮化镓衬底表面湮没钝化、金刚石膜快速形核，虽然在氮化镓上实现高导热金刚石膜直接生长，但是在等离子体轰击作用下造成了氮化镓衬底的损坏。中国发明专利CN 107523828 A“一种GaN与金刚石复合散热结构的制备方法”中，利用旋涂纳米金刚石悬浮液在带有过渡层的氮化镓晶片表面建立辅助形核点，虽然沉积了高热导率金刚石层，但是形核层和过渡层间的结合强度较差，影响界面热阻。此外，纳米颗粒静电播种和籽晶播种可以获得较高的形核密度（ACS Nano，Vol 4，2010, 4824；ACS Appl. Mater. Interfaces，Vol 11，2019, 40826），但该方法需要通过调节工艺参数来严格控制金刚石纳米颗粒的分布，工艺复杂，且较易在金刚石和介质层界面处形成孔洞，不利于氮化镓/金刚石复合层的散热。

偏置增强成核工艺并制备高质量的多晶金刚石膜。偏置成核过程来调节非金刚石衬底（SiN_x、AlN）表面上的金刚石形核和生长过程，因此，调整偏压可以调节过渡区，从而调节氮化镓/金刚石界面的界面热阻。

发明内容

本发明旨在提供一种低界面热阻的氮化镓/金刚石复合散热层的制备方法，通过偏压增强形核技术增加金刚石的形核位点，促进后续多晶金刚石散热涂层的生长并提升多晶金刚石的质量和膜基结合力，通过调节偏压和金刚石生长工艺降低界面热阻，从而获得低界面热阻的氮化镓/金刚石复合散热层。