專利名稱：金剛石襯底上的碳化硅和相關(guān)的器件和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由使之適合于高功率、高溫和高頻應(yīng)用的材料制成的半導(dǎo)體器件。正如熟悉半導(dǎo)體的人們已知的那樣，對于較低的功率和(就Si來說)較低頻率的應(yīng)用，諸如硅(Si)和砷化鎵(GaAs)的材料已經(jīng)在半導(dǎo)體器件方面獲得廣泛應(yīng)用。然而，由于相對小的帶隙(例如，在室溫下對于Si為1.12eV，對于GaAs為1.42)和相對小的擊穿電壓，這些半導(dǎo)體材料還不能在所需的程度上進入高功率高頻率應(yīng)用。
因此，對高功率高溫和高頻應(yīng)用及器件的興趣已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)拵栋雽?dǎo)體材料如碳化硅(在室溫下對于alpha SiC為2.996eV)和III族氮化物(例如，在室溫下對于氮化鎵為3.36eV)。與砷化鎵和硅相比，這些材料具有更高的電場擊穿強度和更高的電子飽和速度。
因為其寬的和直接的帶隙特性，III族氮化物半導(dǎo)體對于許多應(yīng)用而言是候選者，包括太陽盲區(qū)光電探測器、藍光發(fā)射和激光二極管和高溫及高功率電子裝置。因為其在工作在高功率和高溫下的高遷移率晶體管中的應(yīng)用潛力，氮化鎵-鋁鎵氮(GaN/AlGaN)異質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)引起特殊的興趣。
除其他的好處之外，氮化鎵晶體管與砷化鎵相比可以在理論上或在現(xiàn)實中證明數(shù)倍功率密度。這種更高的功率密度允許更小的芯片處理相同大小的功率，反過來又提供了減小芯片尺寸并提高每塊晶片的芯片數(shù)目、并因此降低每芯片成本的機會。換句話說，類似尺寸的器件可以處理更高的功率，從而提供了在需要或必要時尺寸減小的優(yōu)點。
作為對高頻高功率器件的示例性的推動力，移動電話設(shè)備正迅速地成為半導(dǎo)體的大市場，甚至有潛力超過個人計算機。這種增長推動了對于支持基礎(chǔ)的相應(yīng)需求，以提供更大的容量和性能。所期望的變化包括使用越來越高的頻率以獲得適當?shù)念l譜空間，例如，從900MHz到更高的頻率，包括2.1GHz。這種更高的頻率信號相應(yīng)地要求更高的功率水平。
特別感興趣的一種高頻高功率器件是高電子遷移率晶體管(高電子遷移率晶體管HEMT)，以及相關(guān)的器件如調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管(MODFET)，或異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(HFET)。由于在具有不同的帶隙能的兩種不同的半導(dǎo)體材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)處形成二維電子氣(2DEG)，并且其中較小帶隙的材料具有較高的電子親合勢，這些器件在許多情形下提供了工作的優(yōu)點。2DEG是未摻雜的較小帶隙材料中的蓄積層，并包含很高的表面電子濃度，數(shù)量級為每平方厘米(cm-2)1012至1013載流子。另外，源自摻雜的較寬帶隙材料的電子轉(zhuǎn)移到2DEG，由于減小的電離雜質(zhì)散射而允許高電子遷移率。在示例性的III族氮化物HEMTs中，二維電子氣停留在氮化鎵/鋁鎵氮異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面處。
對于高頻應(yīng)用，高載流子濃度和高載流子遷移率的結(jié)合使得HEMT具有很高的跨導(dǎo)和強于金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFETs)的性能優(yōu)點。在氮化鎵/鋁鎵氮(GaN/AlGaN)材料系統(tǒng)中制造的高電子遷移率晶體管有可能產(chǎn)生大量的RF功率，因為其獨特的材料特性組合，包括前述的高擊穿場、寬帶隙、高導(dǎo)帶偏移和高飽和電子漂移速度。
對該領(lǐng)域的最近進展的描述包括但不限于美國專利6,586,781、6,548,333和6,316,793，以及公開的申請20020167023和20030102482，各文獻的內(nèi)容以引用的方式全文結(jié)合在本文中。相關(guān)的出版物包括Pribble等人的Applications of SiC MESFETs and GaN HEMTs inPower Amplifier Design，International Microwave SymposiumDigest，301819-1822(2002)。
這種類型的高功率半導(dǎo)電器件工作在微波頻率范圍，并被用于RF通信網(wǎng)絡(luò)和雷達應(yīng)用，并如上所述，提供了大大地降低復(fù)雜性并因此降低移動電話基站發(fā)射機的成本的潛力。高功率微波半導(dǎo)體器件的其它潛在的應(yīng)用包括替換傳統(tǒng)的微波爐中的較昂貴的微波管和變壓器、提高衛(wèi)星發(fā)射機的壽命和提高個人通信系統(tǒng)基站發(fā)射機的效率。
由于這些器件的輸出功率和工作頻率持續(xù)提高，從器件以及隨后從多個器件芯片和電路產(chǎn)生的相應(yīng)量的熱已經(jīng)并將持續(xù)增加。另外，這種器件的設(shè)計和市場目標包括這種電子元件的尺寸和重量的持續(xù)減小。所以，封裝密度已經(jīng)提高并且將持續(xù)提高。結(jié)果，必須包括一些空間以帶走過量的熱，或者緩和熱對工作中的器件的作用。
過熱可以引起幾個問題。在較高的溫度下導(dǎo)電率降低，同時最大頻率和最大功率二者都降低。更高的溫度也允許降低器件性能的更嚴重的隧穿和漏電，并加速退化和器件失效。更正面地說，改進的熱管理(thermal management)可以在額定器件壽命期間提供更高的頻率工作和更高的功率密度。
由于幾個與晶體生長相關(guān)的原因，塊材(即合理大的尺寸)的單晶III族氮化物實際上不可獲得。因此，III族氮化物器件典型地被制作在其它塊材襯底材料上，最典型地在藍寶石(Al2O3)和碳化硅(SiC)上。藍寶石相對便宜并容易獲得，但卻是不良的導(dǎo)熱體，因此不適合用于高功率工作。另外，在一些器件中，優(yōu)選導(dǎo)電襯底，而藍寶石缺乏被導(dǎo)電摻雜的能力。
碳化硅具有比藍寶石更好的導(dǎo)熱率、與III族氮化物更好的點陣匹配(因此促進更高質(zhì)量的外延層)，并且可以被導(dǎo)電摻雜，同時也非常昂貴。此外，盡管在設(shè)計和說明碳化硅上的GaN/AlGaN HEMTs方面已經(jīng)取得進展(例如，上述的專利和出版公開)，在額定的性能參數(shù)下缺乏一致的可靠性繼續(xù)限制商業(yè)開發(fā)。
因此，需要繼續(xù)改善基于高頻高功率半導(dǎo)體基的微波器件。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，本發(fā)明是一種在寬帶隙半導(dǎo)體材料中制作高功率、高頻率器件的方法，在工作期間具有降低的結(jié)溫度、更高的功率密度，或在額定功率密度下具有提高的可靠性，或這些優(yōu)點的任何組合。在這方面，本發(fā)明包括向碳化硅晶片附加一層金剛石以提高所得到的復(fù)合晶片的熱傳導(dǎo)率，其后減小該復(fù)合晶片的碳化硅部分的厚度，同時保持足夠厚的的碳化硅以支撐其上的外延生長，準備該復(fù)合晶片的碳化硅表面用于其上的外延生長，以及向該晶片的所準備的碳化硅面附加III族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
在另一方面，本發(fā)明是在工作期間表現(xiàn)降低的結(jié)溫度和更高的功率密度以及在額定功率密度下提高的可靠性的高功率、寬帶隙器件。在這方面，本發(fā)明包括具有比碳化硅導(dǎo)熱率更高的用于提供熱沉的金剛石襯底、在金剛石襯底上的單晶碳化硅層、以及在單晶碳化硅層上用于提供器件特性的III族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述單晶碳化硅層比金剛石的晶體點陣匹配更好并用于為寬帶隙材料結(jié)構(gòu)提供支持晶體點陣匹配。
在又另一個方面，本發(fā)明是寬帶隙高電子遷移率晶體管(HEMT)，包括具有比等量的碳化硅的導(dǎo)熱率更高的導(dǎo)熱率的用于提供熱沉的金剛石襯底、在金剛石襯底上用于為III族氮化物外延層提供良好的晶體生長表面的半絕緣碳化硅單晶層(術(shù)語″外延的層″和″外延層″在本文中可互換使用)、在碳化硅襯底上的第一III族氮化物的第一外延層、在第一外延層上用于與所述第一外延層形成異質(zhì)結(jié)的不同III族氮化物的第二外延層、以及至第二外延III族氮化外延層的各源和漏接觸，所述第二外延層的III族氮化物具有比第一外延層的III族氮化物更寬的帶隙，用于在第一和第二外延層的界面處于第一外延層中產(chǎn)生二維電子氣(2DEG)，所述源和漏接觸用于在源和漏之間提供受施加到柵的的電壓控制的電子流動。
在又另一個方面，本發(fā)明是用于半導(dǎo)體器件的晶片前體，包括直徑至少2英寸的單晶碳化硅襯底、在碳化硅襯底第一面上的金剛石層、以及為生長III族氮化物外延層或有源結(jié)構(gòu)而準備的第二面。
在又另一個方面，本發(fā)明是半導(dǎo)體激光器，包括金剛石襯底、在金剛石襯底上的單晶碳化硅層、在碳化硅層上的至少第一覆層、III族氮化物有源部分、以及在有源部分上的至少第二履層。
基于以及結(jié)合附圖的詳細描述，本發(fā)明的前述和其它目的和優(yōu)點以及實現(xiàn)的方式將更清楚。


圖1是說明本發(fā)明的方法的一系列步驟的示意性截面視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)的截面示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一器件的另一截面視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的晶片前體的截面視圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的激光器結(jié)構(gòu)的主要部分的示意性截面視圖。
具體實施例方式
應(yīng)當理解，本文中描述的本發(fā)明的優(yōu)點既非彼此排他的，也非累加的。因此，通過降低結(jié)溫度，可以在給出的額定可靠性下實現(xiàn)更高的功率密度，或者在以前可獲得的額定功率密度下可以提高可靠性，或者可以實現(xiàn)這些(和其它)優(yōu)點的一些組合。
在第一方面，本發(fā)明是在寬帶隙材料中制作高功率器件的方法，所述高功率器件在工作期間具有降低的結(jié)溫度、更高的功率密度以及在額定功率密度下具有提高的可靠性。在圖1中示意性地說明了該方法，圖1包括子圖(A)至(E)。圖1說明碳化硅晶片10。在優(yōu)選的并且對于器件結(jié)構(gòu)最有用的實施方式中，碳化硅晶片或襯底10是提供對于III族氮化物外延層和所得到的器件高度合適的襯底的單晶層，所得到的器件是本發(fā)明的重要目的之一。術(shù)語″晶片″在本文中以廣義的方式使用并且不限于普通的形狀和尺寸。
圖1(C)說明在本發(fā)明的方法中的下一步驟，即向碳化硅襯底10附加金剛石層11的步驟。金剛石部分11增加所得到的復(fù)合晶片的導(dǎo)熱率，因為金剛石的導(dǎo)熱率(20瓦每厘米每開爾文(W/cm-K))大約是碳化硅(4.9W/cm-K)的四倍。在優(yōu)選的實施方式中，通過化學(xué)機械拋光步驟(CMP)準備碳化硅，用于金剛石沉積。這可以幫助改善所生長的金剛石的表面形態(tài)，并最優(yōu)選地在SiC的C面進行。
圖1(D)說明下一步驟，即減小復(fù)合晶片的碳化硅部分的厚度的步驟，現(xiàn)在將其概括地表示為12。保持碳化硅的足夠厚度以支持在碳化硅上的外延生長，同時保持碳化硅的所需點陣匹配特性。優(yōu)選地，盡可能減小即最小化該厚度，同時保持足夠的厚度從而為氮化物外延層提供所需的點陣匹配。正如本領(lǐng)域的那些相關(guān)的(″普通的″)技術(shù)人員認識到的那樣，碳化硅的點陣常數(shù)不必與III族氧化物的點陣常數(shù)相等，而是要比金剛石的點陣常數(shù)更接近III族氧化物的點陣常數(shù)。換句話說，并且如上所述，從實際的觀點上看，目前不能獲得大尺寸的III族氮化物單晶襯底。因此，典型地，一些其它的材料被用作襯底，并且由于許多理由，優(yōu)選碳化硅，并且從點陣常數(shù)匹配的觀點看，碳化硅比金剛石更好。因此，熟悉在碳化硅上生長III族氮化物外延層的那些技術(shù)人員將認識到點陣常數(shù)不必相等地匹配，只需要有利地足夠接近以促進所希望的高質(zhì)量單晶生長。
圖1(B)說明用于減小碳化硅部分的厚度的方法之一。在優(yōu)選的實施方式中，對碳化硅襯底10在碳化硅中的預(yù)定深度處注入氧，以形成標示為虛線13的二氧化硅(SiO2)層。在該技術(shù)中，隨后如前面參照圖1(C)所描述的那樣附加金剛石層11。在已經(jīng)沉積金剛石之后，通過在二氧化硅層處分離碳化硅而減小碳化硅部分10的厚度。這導(dǎo)致圖13所說明的結(jié)構(gòu)。該技術(shù)也稱作″SIMOX″(″通過注入氧而分離″)，并且可以包括加熱步驟以進一步促進由注入的氧產(chǎn)生SiO2。
或者，減小碳化硅部分的厚度的步驟可以包括傳統(tǒng)的研磨和拋光步驟。然而，正如熟悉該技術(shù)的人們認識到的那樣，減少SiC的步驟(或多個步驟)需要與該器件制造步驟的其余步驟相容。因此，優(yōu)選地，避免將損傷或挫傷金剛石層或所得到的器件的目的的過度機械步驟。
在注入的材料處分離之后使用其它元素或離子(例如H+)的離子注入在本領(lǐng)域是公知的，并且已經(jīng)被稱作″靈巧切割″(″Smart Cut″)工藝，該工藝最初被開發(fā)用于獲得絕緣體上硅材料。有關(guān)該技術(shù)的背景來源可由以下提出的最近討論獲得Moriceau等人，″New LayerTransfers Obtained by the Smart Cut Process″，Journal Of ElectronicMaterials，Vol.32，No.8，第829-835頁，(2003)，以及Celler等人，″Frontiers of Silicon-on-Insulator″，Journal of Applied Physics，Vol.93，No.9第4955ff頁，(2003)。應(yīng)當理解以示例性而非限制性的目的包括這些文獻。
或者，可以采用熱應(yīng)力技術(shù)進行分離，其中已經(jīng)經(jīng)受注入以及隨后的金剛石生長的晶片按足以在注入部分處分離晶片的速率、但小于晶片將粉碎的冷卻速率而冷卻。如果希望或必要，也可在金剛石生長步驟之間進行該分離。
在優(yōu)選的實施方式中，金剛石層被附加到碳化硅晶片的碳面上，并且為準備復(fù)合晶片12的碳化硅表面的步驟預(yù)留硅面，用于在向晶片的準備的碳化硅面附加III族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)的步驟之后外延生長。因此，異質(zhì)結(jié)構(gòu)被附加到復(fù)合晶片的硅面。在圖1(E)中說明了該步驟，其中在圖1(D)和(E)之間金剛石部分11的取向和減小厚度的碳化硅10已經(jīng)被翻轉(zhuǎn)，使得金剛石11變成具有位于其上的碳化硅層10的襯底。圖1(E)也說明了由兩個不同的III族氮化物形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)(其標示為頂部14)和下部15。圖1也說明了在大多數(shù)實施方式中，在碳化硅層10和異質(zhì)結(jié)構(gòu)層14及15之間將包括緩沖層16。作為典型但非排他性的實例，異質(zhì)結(jié)構(gòu)層由鋁鎵氮(頂層14)和氮化鎵(中間層15)形成，氮化鋁被選作緩沖層16。例如，在上述的專利以及與本發(fā)明共同受讓的美國專利5,393,993、5,210,051和5,523,589中提出了合適的緩沖層、異質(zhì)結(jié)構(gòu)、生長方法和其它相關(guān)的信息，通過引用將這些文獻全文結(jié)合在本文中。
然而，作為額外的考慮，應(yīng)當選擇用于制作緩沖層(如果有的話)以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)層的各種CVD源氣體和設(shè)備使之與金剛石相容。換句話說，應(yīng)當選擇該源氣體、設(shè)備和相關(guān)的細節(jié)以避免與金剛石的任何不希望的反應(yīng)或?qū)饎偸挠绊憽?br> 如果希望，該金剛石可以被退火以提高其絕緣特性?？梢栽谏LIII族氮化物外延層之前在爐內(nèi)或在金剛石沉積室內(nèi)，或者在外延生長之前或在外延層生長期間在外延層反應(yīng)器內(nèi)進行退火。當在退火期間使用氨(NH3)、氫(H2)和氮(N2)作為環(huán)境氣體時，已經(jīng)觀察到改善的結(jié)果。這種改善的原因仍不清楚，因此本發(fā)明人不希望在這方面受任何特定理論的限制。
在一些實施方式中，金剛石層可以被粘結(jié)到碳化硅上，這些技術(shù)通常在本領(lǐng)域是公知的。簡要地總結(jié)，典型地，粘結(jié)包括在施加壓力和熱的同時將所希望的材料放置成彼此接觸。然而，在更優(yōu)選的實施方式中，通過化學(xué)氣相沉積金剛石被沉積在碳化硅上。近年來，金剛石的化學(xué)氣相沉積已經(jīng)變得越來越容易地可在市場上獲得，從諸如PIDiamond Inc.of Santa Clara，California或Delaware Diamond Knives(″DDK″)of Wilmington，Delaware的來源可獲得示例性的服務(wù)和設(shè)備。因為包含金剛石是由于其熱性能，并且因為碳化硅提供了晶格匹配，金剛石可以沉積為多晶形式。盡管單晶金剛石將提供某種程度上更好的熱管理益處，像所有的單晶一樣，通常它與多晶材料相比制作更難或更復(fù)雜。因此，使用多晶金剛石在某種程度上更便于執(zhí)行。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的那樣，金剛石的化學(xué)氣相沉積典型地是通過激發(fā)氫和碳氫化合物氣體的混合物而產(chǎn)生的，在沉積反應(yīng)器內(nèi)有熱或電能。能量、源材料和相關(guān)的參數(shù)都可以按照合適的或希望的方式調(diào)節(jié)，例如www.pldiamond.com和www.ddk.com。在任何可能的情況下，與包含大約百分之一13C的自然界存在的同位素分布相比，優(yōu)選同位素純金剛石(即全部為12C)。
此外，金剛石/SiC界面應(yīng)當具有最小的熱阻，因而在使用諸如粘結(jié)的工藝時，應(yīng)當最小化或消除金剛石和SiC之間的任何孔隙。
金剛石被沉積到足以支持附加的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的厚度，同時避免不能提供進一步的功能方面的益處的附加材料。換句話說，一旦已經(jīng)包括了足夠數(shù)量的金剛石從而為特定的晶片或器件提供所需要的或所希望的熱特性和機械支持，僅僅附加金剛石不提供進一步的優(yōu)點或功能方面的益處。在優(yōu)選實施方式中，對于本發(fā)明尤其適用的那類異質(zhì)結(jié)構(gòu)III族氮化物器件，合適的金剛石層厚度在大約100至300微米之間(B5m)。
然而，因為典型地器件按多步驟的工藝制造，本發(fā)明可以進一步包括沉積性能彼此不同的兩層(或更多層)金剛石層(或一層金剛石和另一第二材料層)。添加附加層(或多層)的目的是為最終的器件提供具有導(dǎo)熱率特性的層，同時為制造目的而存在的附加(即使臨時性的)層可以隨后被去除。因此，在這方面，本方法包括在半絕緣的碳化硅上沉積一層半絕緣的金剛石從而為高頻器件提供半絕緣的襯底。隨后，在半絕緣層上沉積第二層金剛石(或其它材料)從而在晶片處理期間提供額外的機械穩(wěn)定性。為機械穩(wěn)定性而添加的該附加部分不必是半絕緣的，因為在這方面本方法包括采用第二金剛石(或其它材料)層進一步處理晶片(例如任何合適的或普通的步驟)，并隨后在器件完成時去除第二層的一部分(或全部)。例如，可以添加第二層從而在處理和得到異質(zhì)結(jié)器件的多個外延生長步驟期間提供機械穩(wěn)定性，然后，可以在開出穿過晶片或器件的通路孔的步驟之前去除該第二層。
所沉積的第二層可以包括為補償目的而選擇的其它材料。例如，只要不與其它的方法步驟或所得的器件工作抵觸，可以選擇較廉價的材料?；蛘?，可以選擇一定程度上較容易去除的材料，例如二氧化硅、氮化硅、多晶的氮化鋁、或者碳化硅。
在金剛石層處于原位的情形下，本方法其次包括為其上的外延生長準備復(fù)合晶片的相反碳化硅表面，然后向準備的面(當已經(jīng)在C面上沉積金剛石時將是Si面)上添加包括異質(zhì)結(jié)的III族氮化物外延層(典型地為幾層)。優(yōu)選地，該SiC表面通過另一個CMP步驟來準備。
圖2和3說明有利地包含本發(fā)明的器件。只要可能在圖2和3中與圖1中對應(yīng)的元素有著相同的參考數(shù)字。因此，圖2說明在工作期間表現(xiàn)出降低的結(jié)溫度和更高的功率密度以及在額定功率密度下提高的可靠性的高功率、高頻率的寬帶隙器件，概括地標示為20。在這些方面，本發(fā)明包括用于提供熱沉的金剛石襯底11，金剛石襯底導(dǎo)熱率比碳化硅大并且因而帶走比等量的SiC更多的熱量。單晶碳化硅層10位于金剛石襯底11上，用于提供與寬帶隙材料結(jié)構(gòu)的晶體點陣匹配，該單晶碳化硅層比金剛石的晶體匹配更好。由括號21表示的III族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)位于單晶碳化硅層上，用于提供器件特性。圖2也說明了優(yōu)選地被結(jié)合到本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中的氮化鋁緩沖層16。因此，應(yīng)當理解，當各層被稱作位于另一層″上″，該術(shù)語可包括兩層地直接接觸和位于另一層的上方并且之間具有中間層的情形。
按照與圖1(E)類似的方式，異質(zhì)結(jié)構(gòu)21的最基本形式是由諸如鋁鎵氮層14和氮化鎵層15的兩個不同的III族氮化物層形成。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，圖2和3本質(zhì)上是示意性的，可以按希望或必要結(jié)合更多的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括雙異質(zhì)結(jié)、勢壘HEMTs(barrierHEMTs)、多量子阱(MQWs)和超晶格結(jié)構(gòu)。同樣，應(yīng)當理解當單個術(shù)語″層″被用于描述III族氮化物器件的一部分時，它可以包括通常包括在該器件中用于制造和工作目的二者的多層。
此外，熟悉III族氮化物的技術(shù)人員將認識到諸如AlGaN的三元化合物可以更描述性地表示成AlxGa1-xN，其中0＜x＜1，并且鋁和鎵的各自摩爾百分數(shù)(由x和1-x表示)可以被調(diào)節(jié)以提供希望的或必要的性能。三元的III族氮化物可以按相同的方式表示，例如InxAlyGa1-x-yN，其中0＜x+y＜1。由這些材料中的任何材料形成的多層、結(jié)和器件可利用本發(fā)明提供的益處。當目的是表示較大范圍的可能性時，這些分子式也可以被寫成″大于或等于″的形式(0≤x≤1)，例如AlxGax-1N，其中(0≤x≤1)可以表示AlN或GaN或AlGaN，這取決于x的值。
在優(yōu)選實施方式中，金剛石襯底11可以是多晶的，因為這通常提供了較廉價和低消耗的制造，并因而有助于提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。
因為許多高頻器件要求半絕緣襯底，在這些實施方式中碳化硅層10是半絕緣的，并且如果必要，取決于綜合特性，金剛石襯底11也可以是半絕緣的。半絕緣碳化硅的本質(zhì)及使用在共同受讓的美國專利6,218,680、6,403,982、6,396,080、6,639,247、和6,507,046中以示意性的(而非限制性的)方式提出，各文獻的內(nèi)容以引用的方式全文結(jié)合在本文中。
典型地，碳化硅具有選自3C、4H、6H和15R多型碳化硅的多型，因為這些最容易獲得并適合于電子器件。合適的襯底可從Cree公司，Durham，NC(www.cree.com)在市場上購得。
通過向異質(zhì)結(jié)構(gòu)21添加歐姆接觸24及26和肖特基接觸25(圖2)，可以制作場效應(yīng)晶體管。特別是，通過控制形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)21的外延層的成分和摻雜，可以制作高頻率高電子遷移率晶體管(HEMT)。
因為器件20的金剛石襯底11提供了高導(dǎo)熱率，該器件可以被有利地封裝在高導(dǎo)熱率材料中(即與之一起或相鄰)。正如本文中使用的那樣，術(shù)語″封裝″按其通常含義來使用，指其中包含獨立的半導(dǎo)體器件以將其結(jié)合在較大的電路或最終用途的器件中的容器或結(jié)構(gòu)。實際上，因為器件的熱膨脹受金剛石的熱膨脹系數(shù)控制，在希望或必要時封裝可以進一步地包括或由金剛石形成，以最小化或消除來自熱膨脹不匹配的材料的應(yīng)力，并利用器件的導(dǎo)熱率優(yōu)點。
在這點上，HEMTs和相關(guān)器件的溝道，尤其在柵區(qū)，趨于產(chǎn)生工作期間的絕大部分熱量。因此，本發(fā)明在從溝道散熱和用作熱沉兩方面尤其有用。
圖3在一定程度上更詳細地說明高電子遷移率晶體管(HEMT)，并概括地表示為30。如上所述，晶體管30由金剛石襯底11形成，用于提供熱沉(或散熱器)。半絕緣碳化硅層10位于金剛石襯底11上，用于為III族氮化物外延層提供有利的晶體生長表面。典型地或優(yōu)選地由諸如氮化鋁的其它III族氮化物形成的緩沖層16位于碳化硅層10上，并提供從碳化硅向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的晶體過渡。異質(zhì)結(jié)構(gòu)由位于緩沖層16上的第一外延層15和位于第一外延層15上由括號31表示的第二外延層(或多層)形成，用于在外延層15和31之間形成異質(zhì)結(jié)。在該實施方式中，第二外延層31的III族氮化物具有比第一外延層15的第一III族氮化物更寬的帶隙，用于在第一和第二外延層15和31的界面處在第一外延層中產(chǎn)生二維電子氣(2DEG)。各個源34、柵35和漏36接觸提供了受施加到柵接觸35的電壓控制的、在源34和漏36之間的電子流。
在某些實施方式中，第一外延層15包括氮化鎵，而第二外延層31包括鋁鎵氮。更優(yōu)選的，氮化鎵層15是未摻雜的，而鋁鎵氮層31例如采用硅(Si)摻雜成n型。如圖3中進一步說明的那樣，第二外延層31包括兩個、更優(yōu)選地三個鋁鎵氮層，分別以40、41和42說明。因此，在更優(yōu)選的實施方式中，第二外延層31包括鋁鎵氮的摻雜層41和鋁鎵氮的未摻雜層40，未摻雜層40鄰近氮化鎵的未摻雜層15。在又另一個實施方式中，在摻雜的AlGaN層41頂部提供另一個AlGaN的未摻雜層42。這種結(jié)構(gòu)在美國專利6,583,454中提出及描述，該專利與本發(fā)明共同受讓并以引用的方式全文結(jié)合在本文中。在氮化鎵層和摻雜的鋁鎵氮層之間使用未摻雜的鋁鎵氮層被稱作調(diào)制摻雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并通過使鋁鎵氮層中的摻雜劑物理地隔離于未摻雜的氮化鎵層，提高二維電子氣中的電子遷移率。
正如美國專利6,583,454中提出的那樣，也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當鈍化層43被包含在由層15和31形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的上方時，晶體管30工作更高效。正如在″454專利″中提出的那樣，鈍化材料可以是二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，只要它具有相關(guān)的鈍化特性。
正如之前包含的公開的申請20020167023中提出的那樣，在利用本發(fā)明的同時，晶體管也可包含勢壘層用于在所得到的器件中減小柵漏(gate leakage)，或者用于所希望的目的的其它層(例如改善對p型材料的接觸性能的層)。
正如參照圖2的實施方式，圖3的晶體管30可以被封裝在高導(dǎo)熱率材料中，可能包括金剛石或含金剛石的封裝。
盡管此處具體地按照高電子遷移率晶體管進行討論，但本發(fā)明在其它的器件中也提供了優(yōu)點，對此，改善的熱管理提供了優(yōu)點。這類其它的器件可包括激光器，其中之一在圖5中以45示意性說明。半導(dǎo)體激光器的一般理論和工作對于本領(lǐng)域的那些合理的(″普通″)技術(shù)人員而言是公知的，不需要在此詳細討論，除了應(yīng)注意所述激光器典型地由以各個包覆層47和50為界的有源層46形成。優(yōu)選地選擇用于包覆層的材料特性，尤其是其帶隙和折射率，使得有源層在包覆層之間形成勢阱。此外，為了共振的目的，包覆層47及50的折射率優(yōu)選地使得它們促進光被限制在有源層中。正如在前述的實施方式中那樣，金剛石襯底以11說明，碳化硅層以10說明，并且在必要時包括合適的緩沖層16。通常，但不一定排他地，激光器和發(fā)光二極管(LEDs)更可能包括更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，諸如多量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的晶片前體的示意圖。該晶片前體概括地以52標示并被包括在此處，因為碳化硅中的大單晶襯底晶片，即2英寸或3英寸或100毫米直徑(或等價的公制尺寸)的單晶襯底晶片的可得性也為利用本發(fā)明的方法而獲得該尺寸的金剛石層用于此處描述的熱沉提供了之前不能獲得的機會。在這方面，本發(fā)明是直徑至少2英寸的單晶碳化硅襯底53。金剛石層54位于碳化硅襯底53的一面上，而以概括55示出的III族氮化物有源結(jié)構(gòu)位于晶片53的相反面上。襯底碳化硅晶片53優(yōu)選地直徑至少約2英寸(5厘米(cm))，更優(yōu)選地直徑至少3英寸(7.5cm)，最優(yōu)先地直徑至少4英寸(10cm)。正如參照本發(fā)明的其它實施方式提出的那樣，III族氮化物有源結(jié)構(gòu)55包括至少一個異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且晶片前體52也可在碳化硅襯底之間和在襯底和異質(zhì)結(jié)構(gòu)55之間包括合適的緩沖層。為了簡明，沒有在圖4中單獨地說明緩沖層。正如在之前的實施方式中那樣，碳化硅可以具有選自3C、4H、6H和15R碳化硅多型的多型。
在最優(yōu)選的實施方式中，晶片在碳化硅襯底上包括多個獨立的有源結(jié)構(gòu)。
此處對于使用金剛石作為熱沉材料和使用碳化硅作為襯底材料已經(jīng)基本上描述了本發(fā)明。然而，也可以在更寬的方面理解本發(fā)明，其中結(jié)合使用較高導(dǎo)熱率材料層和具有與III族氮化物更好的晶體點陣匹配的較低導(dǎo)熱率材料，以產(chǎn)生最終的復(fù)合晶片。在這方面較高導(dǎo)熱率的材料可包括金屬和諸如氮化硼(BN)，尤其是立方氮化硼(cBN)的半導(dǎo)體，而更優(yōu)選的晶體襯底材料可以選自由硅、氮化鎵、氮化鋁、鋁鎵氮、氧化鎂(MgO)、鋁酸鎂(MgAl2O4)、鎵酸鋰(LiGaO2)、鋁酸鋰(LiAlO2)、氧化鋅(ZnO)、鋁酸鎳(NiAl2O4)和藍寶石構(gòu)成的組，AlGaN是更優(yōu)選的。正如在前述的實施方式中那樣，較高導(dǎo)熱率的材料作為襯底晶片的一部分有利地提高了最終的復(fù)合晶片的導(dǎo)熱率。
立方氮化硼(″cBN″)有望在其可被制成半絕緣的能力方面、以及由于按類似于金剛石的方式處理以用于本發(fā)明而具有優(yōu)點。氮化硼也具有比碳化硅更高的導(dǎo)熱率(13W/cm-K)。
對于諸如激光器和LEDs的器件，金屬熱沉由于反射和光提取(light-extraction)的目的而是有利的。合適的候選金屬料包括Ni、Cr、Mn、W、Pt和這些金屬的相關(guān)合金。正如上述對于金剛石熱沉注意到的那樣，使用這些金屬或合金的任一種或更多種應(yīng)當與最終器件的總體制造、結(jié)構(gòu)和工作相容。
正如前述的實施方式中那樣，在這種復(fù)合晶片中制作器件的方法包括減小復(fù)合晶片的較低導(dǎo)熱率部分的厚度，同時維持較低導(dǎo)熱率部分的足夠厚度以支持在其上的所希望的外延生長。較低導(dǎo)熱率表面也被準備用于外延生長，隨后，合適的III族氮化物外延層，并且典型地為異質(zhì)結(jié)構(gòu)被附加到晶片較低導(dǎo)熱率部分的所準備的面上。
在附圖和說明書中，已經(jīng)提出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，盡管已經(jīng)采用了特定術(shù)語，但它們只是按照一般和描述性的含義而使用的，而非為了限制，本發(fā)明的范圍在權(quán)利要求書中限定。
權(quán)利要求
1.一種在寬帶隙材料中制作高功率器件的方法，所述高功率器件在工作期間具有降低的結(jié)溫度、更高的功率密度以及在額定功率密度下具有提高的可靠性，該方法包括向較低導(dǎo)熱率材料的晶片附加較高導(dǎo)熱率材料層，從而提高所得的復(fù)合晶片的導(dǎo)熱率，其中較低導(dǎo)熱率材料與III族氮化物的晶體點陣匹配比較高導(dǎo)熱率材料與III族氮化物的晶體點陣匹配更好；隨后減小復(fù)合晶片的較低導(dǎo)熱率部分的厚度，同時保持較低導(dǎo)熱率部分的厚度足以支持在其上的外延生長；準備復(fù)合晶片的較低導(dǎo)熱率表面用于在其上的外延生長；以及向晶片的所準備的較低導(dǎo)熱率面附加至少一個III族氮化物外延層。
2.如權(quán)利要求1的方法，包括附加選自由金屬、氮化硼和金剛石構(gòu)成的組的較高導(dǎo)熱率材料。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中所述較低導(dǎo)熱率材料選自由硅、氮化鎵、氮化鋁、鋁鎵氮、氧化鋅、鋁酸鋰、鎵酸鋰、氧化鎂、鋁酸鎂、鋁酸鎳和藍寶石構(gòu)成的組。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中所述附加至少一個III族氮化物外延層的步驟包括附加至少一個III族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求2的方法，包括附加厚度在約100至300微米之間的金剛石層。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中所述減小較低導(dǎo)熱率部分的厚度的步驟包括對該較低導(dǎo)熱率部分研磨和拋光。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中所述減小較低導(dǎo)熱率部分的厚度的步驟包括在沉積金剛石的步驟之前，對較低導(dǎo)熱率部分注入至較低導(dǎo)熱率部分中的預(yù)定深度，從而在較低導(dǎo)熱率部分中形成注入層；其后沉積金剛石；以及其后通過在注入層處分離該較低導(dǎo)熱率部分而減小較低導(dǎo)熱率部分的厚度。
8.如權(quán)利要求7的方法，包括采用氧或氫對所述較低導(dǎo)熱率部分注入，從而形成注入層，其后在注入層處分離該較低導(dǎo)熱率部分。
9.如權(quán)利要求1的方法，包括通過化學(xué)氣相沉積在所述較低導(dǎo)熱率部分上沉積金剛石。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中所述附加較高導(dǎo)熱率材料的步驟包括附加選自由鎳、鎢、鉬及其合金構(gòu)成的組的金屬。
11.如權(quán)利要求1的方法，包括向碳化硅晶片附加金剛石層以提高所得到的復(fù)合晶片的導(dǎo)熱率；其后減小復(fù)合晶片的碳化硅部分的厚度，同時保持碳化硅的厚度足以支持在其上的外延生長；準備復(fù)合晶片的碳化硅表面用于在其上的外延生長；以及向晶片的所準備的碳化硅面附加III族氮化物外延層。
12.如權(quán)利要求11的方法，包括在碳化硅晶片的C面上生長金剛石層，并向晶片的Si面附加異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求4的方法，其中所述準備SiC表面的步驟包括對SiC表面拋光。
14.如權(quán)利要求11的方法，其中所述減小SiC部分的厚度的步驟包括對該SiC部分研磨和拋光。
15.如權(quán)利要求11的方法，包括在半絕緣碳化硅層上沉積半絕緣金剛石層，從而為高頻器件提供半絕緣襯底；其后在半絕緣層上沉積第二層金剛石，從而提供在晶片處理期間的額外的機械穩(wěn)定性。
16.如權(quán)利要求11的方法，包括與碳化硅相反地向金剛石層附加不同于金剛石的第二材料層。
17.一種寬帶隙材料中的高功率器件，所述高功率器件在工作期間具有降低的結(jié)溫度、更高的功率密度以及在額定功率密度下具有提高的可靠性，所述器件包括在較低導(dǎo)熱率材料的晶片的一面上的較高導(dǎo)熱率材料層，從而提高所得到的復(fù)合晶片的導(dǎo)熱率，其中較低導(dǎo)熱率材料與III族氮化物的晶體點陣匹配比較高導(dǎo)熱率材料與III族氮化物的晶體點陣匹配更好；以及在所述晶片的與所述較導(dǎo)熱率材料之間的所述面相反的面上的至少一個III族氮化物外延層。
18.如權(quán)利要求17的器件，其中所述較高導(dǎo)熱率材料選自由金屬、氮化硼和金剛石構(gòu)成的組。
19.如權(quán)利要求17的器件，其中所述較低導(dǎo)熱率材料選自由硅、氮化鎵、氮化鋁、鋁鎵氮、氧化鋅、鋁酸鋰、鎵酸鋰、氧化鎂、鋁酸鎂、鋁酸鎳和藍寶石構(gòu)成的組。
20.如權(quán)利要求17的器件，包括至少一個III族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
21.一種寬帶隙高電子遷移率晶體管(HEMT)，包括用于提供熱沉的金剛石襯底，具有大于碳化硅的導(dǎo)熱率；位于所述金剛石襯底上的半絕緣單晶碳化硅層，用于為III族氮化物外延層提供有利的晶體生長表面；位于所述碳化硅上的緩沖層，用于在碳化硅和III族氮化物之間提供增強的晶體過渡；位于所述緩沖層上的第一III族氮化物的第一外延層；以及位于所述第一外延層上的不同的III族氮化物的第二外延層，用于與所述第一外延層形成異質(zhì)結(jié)，并且所述第二外延層的所述III族氮化物具有比所述第一外延層的所述第一III族氮化物更寬的帶隙，從而在所述第一和第二外延層的界面處在第一外延層中產(chǎn)生二維電子氣；以及到所述第二外延III族氮化物層的相應(yīng)的源接觸、柵接觸和漏接觸，用于在源和漏之間提供受施加到柵的電壓控制的電子流。
22.如權(quán)利要求21的HEMT，其中所述第一外延層包括氮化鎵，并且所述第二外延層包括摻雜的鋁鎵氮層和未摻雜的鋁鎵氮層，所述未摻雜的鋁鎵氮層鄰近所述未摻雜的氮化鎵層。
23.如權(quán)利要求21的HEMT，其中所述第一外延層包括氮化鎵，并且所述第二外延層包括鋁鎵氮層和未摻雜的氮化鋁層，所述未摻雜的氮化鋁層鄰近所述未摻雜的氮化鎵層。
24.如權(quán)利要求21的HEMT，還包括用于所述金剛石襯底的機械襯底，用于向所述HEMT提供附加的機械支持。
25.如權(quán)利要求21的HEMT，其中所述金剛石襯底由至少兩個其性質(zhì)彼此不同的分立的金剛石層形成。
26.如權(quán)利要求27的一種寬帶隙高電子遷移率晶體管(HEMT)，其中所述緩沖層是位于所述碳化硅襯底上的III族氮化物緩沖層；所述第一外延層是位于所述緩沖層上的氮化鎵外延層；以及所述第二外延層是位于所述氮化鎵外延層上的鋁鎵氮外延層，用于與所述氮化鎵外延層形成異質(zhì)結(jié)，所述鋁鎵氮具有比所述氮化鎵外延層更寬的帶隙，用于在所述氮化鎵和鋁鎵氮外延層的界面處在所述氮化鎵外延層中產(chǎn)生二維電子氣。
27.如權(quán)利要求26的HEMT，其中所述氮化鎵層是未摻雜的，并且所述鋁鎵氮層是n型摻雜的。
28.如權(quán)利要求26的HEMT，其中所述緩沖層包括氮化鋁。
29.如權(quán)利要求26的HEMT，其中所述鋁鎵氮層由摻雜層和未摻雜層形成，未摻雜的鋁鎵氮層鄰近所述未摻雜的氮化鎵層，所述歐姆接觸至所述摻雜層。
30.如權(quán)利要求26的HEMT，其中所述鋁鎵氮層由兩層未摻雜層之間的一層摻雜層形成，所述未摻雜層之一鄰近所述未摻雜氮化鎵層，并且所述未摻雜層中的另一個與所述相應(yīng)的歐姆接觸相接觸。
31.如權(quán)利要求26的HEMT，還包括在所述異質(zhì)結(jié)上方的鈍化層。
32.如權(quán)利要求21或權(quán)利要求26的HEMT，被封裝在高導(dǎo)熱率材料中。
33.一種用于半導(dǎo)體器件的晶片前體，包括直徑至少兩英寸的單晶碳化硅襯底；以及在所述碳化硅襯底的第一面上的金剛石層；其中所述碳化硅襯底的相反面準備用于在其上的III族氮化物外延生長。
34.如權(quán)利要求33的晶片前體，其中所述碳化硅襯底的直徑為至少三英寸。
35.如權(quán)利要求33的晶片前體，其中所述碳化硅襯底的直徑為至少100mm。
36.如權(quán)利要求33的晶片前體，其中所述III族氮化物有源結(jié)構(gòu)包括至少一個異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
37.如權(quán)利要求50的晶片前體，包括在所述碳化硅襯底上在所述襯底和所述異質(zhì)結(jié)之間的緩沖層。
38.一種半導(dǎo)體激光器，包括金剛石襯底；位于所述金剛石襯底上的單晶碳化硅層；位于所述碳化硅層上的至少第一包覆層；位于所述至少一個包覆層上的III族氮化物有源部分；以及位于所述有源部分上的至少第二包覆層。
39.如權(quán)利要求38的半導(dǎo)體激光器，還包括所述碳化硅層和所述第一包覆層之間的緩沖層。
40.如權(quán)利要求38的半導(dǎo)體激光器，包括多晶金剛石襯底。
全文摘要
本申請公開了一種在寬帶隙半導(dǎo)體材料中制作高功率、高頻率器件的方法，在工作期間具有降低的結(jié)溫度、更高的功率密度和在額定功率密度下具有提高的可靠性，以及所得到的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和器件。該方法包括向碳化硅晶片附加一層金剛石以提高所得到的復(fù)合晶片的熱傳導(dǎo)率，其后減小該復(fù)合晶片的碳化硅部分的厚度，同時保持足夠厚的碳化硅以支撐其上的外延生長，準備該復(fù)合晶片的碳化硅表面用于其上的外延生長，以及向該晶片的所準備的碳化硅面附加III族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L29/778GK1910737SQ200580002968
公開日2007年2月7日 申請日期2005年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月22日
發(fā)明者亞當·W·薩克斯勒 申請人:克里公司