本發(fā)明的某些實(shí)施例涉及化合物半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)和制造方法，其包含在化合物半導(dǎo)體和多晶化學(xué)氣相沉積鉆石之間具有低熱邊界電阻的多晶化學(xué)氣相沉積鉆石。本發(fā)明的主要應(yīng)用是大功率電子和光電裝置的熱管理。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體裝置和電路中的熱管理是任何可制造且具有成本效益的電子和光電產(chǎn)品(如光生成和電信號(hào)放大)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)元素。高效熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)是降低這種電子或光電裝置的工作溫度，同時(shí)最大限度地提高性能(功率和速度)和可靠性。這種裝置的實(shí)例是微波電晶體，發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器。根據(jù)操作頻率和功率要求，這些裝置通常由硅(silicon)、砷化鎵(gaas)、磷化銦(inp)制造，且近年來(lái)也由氮化鎵(gan)、氮化鋁(aln)及其他間隙半導(dǎo)體制造。特別地，氮化鎵材料系統(tǒng)產(chǎn)生具有高電子遷移率(高速操作所必需的)、高擊穿電壓(高功率所必需的)和高于砷化鎵，磷化銦或硅的熱導(dǎo)率的微波電晶體，因此有利于在大功率應(yīng)用中使用。氮化鎵也用于制造藍(lán)光和紫外線(xiàn)激光器和發(fā)光二極管。盡管具有高溫性能，但由于通常用于生長(zhǎng)氮化鎵的基板的相對(duì)較低的耐熱性(thermalresistance)，氮化鎵電子和光電子裝置的性能受到限制。這種缺陷在大功率微波及毫米波電晶體以及放大器中最為顯著，其中減少冷卻要求和更長(zhǎng)的裝置壽命都受益于較低的接面溫度(junctiontemperature)，這是非常關(guān)鍵的需求。在大功率藍(lán)光和紫外激光器中也出現(xiàn)了類(lèi)似的需求，其中幾微米寬的激光模槽條(cavitystripe)通過(guò)低導(dǎo)熱性材料將功率耗散到晶片中。

眾所周知，當(dāng)考慮等向行為(isotropicbehaviors)時(shí)，鉆石是人類(lèi)在室溫下已知的最導(dǎo)熱的物質(zhì)。因此，自從1980年代通過(guò)化學(xué)氣相沉積技術(shù)商業(yè)化人造鉆石，半導(dǎo)體工業(yè)一直采用鉆石散熱器和散熱器來(lái)改良熱管理。最佳熱管理的目標(biāo)是使鉆石散熱器或鉆石層緊靠電子或光電裝置中的熱源。這意味著在薄的晶片上構(gòu)建裝置，并安裝在鉆石散熱器、具有鉆石層的涂層裝置上、或?qū)⒀b置外延層(epilayers，即外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體層)轉(zhuǎn)移到鉆石上。

鉆石氮化鎵(gan-on-diamond)技術(shù)和所得到的裝置(描述于美國(guó)專(zhuān)利7,595,507中)涉及具有從化學(xué)氣相沉積鉆石基板小于1微米的氮化鎵外延層的結(jié)構(gòu)。該技術(shù)可將最佳熱導(dǎo)體(鉆石)與基于氮化鎵(gan)和氮化鎵相關(guān)化合物的電子和光電子裝置接合在一起，同時(shí)最小化與例如更常見(jiàn)的半導(dǎo)體-焊料-鉆石(semiconductor-solder-diamond)附著相關(guān)聯(lián)的任何熱障礙方案。由于氮化鎵的固有高臨界電場(chǎng)和寬帶隙(bandgap)，氮化鎵裝置對(duì)于高功率電子和光電子應(yīng)用是比較理想的，例如高功率rf電晶體和放大器、功率管理裝置(肖特基二極管(schottkydiodes)和開(kāi)關(guān)電晶體)以及高功率藍(lán)光和紫外線(xiàn)激光器或發(fā)光二極管。

氮化鎵目前在幾種不同的基板上生長(zhǎng)：藍(lán)寶石、硅、碳化硅、氮化鋁、單晶鉆石和氮化鎵基板。除了氮化鎵基板之外，所有其它材料都具有不同于氮化鎵和氮化鋁鎵(algan)的晶格常數(shù)(latticeconstants)。天然鉆石是一種優(yōu)秀的熱導(dǎo)體，但是由于其可用面積、低純度人造鉆石的熱性能降低、以及成本，因此這些應(yīng)用尚不可用。目前，人造鉆石的制造具有不同程度的結(jié)晶度。通過(guò)化學(xué)氣相沉積(cvd)沉積的多晶鉆石適用于半導(dǎo)體工業(yè)，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱率接近于單晶鉆石，其可以提供電隔離、具有低介電損耗、并且可以制成透明的。用于半導(dǎo)體工業(yè)的化學(xué)氣相沉積鉆石基板可以形成為具有標(biāo)準(zhǔn)直徑的圓形晶片。鉆石晶片通過(guò)三種主要方法之一的化學(xué)氣相沉積制造：等離子體增強(qiáng)鉆石化學(xué)氣相沉積，其中解離反應(yīng)物的能量來(lái)自微波源；熱輔助鉆石化學(xué)氣相沉積，其中解離氣體的能量來(lái)自熱絲；以及等離子體使用高直流電壓加速離子。在這些方法中，人造鉆石生長(zhǎng)在非鉆石基板之上，例如硅、氮化硅、碳化硅和不同的金屬。

化學(xué)氣相沉積鉆石生長(zhǎng)過(guò)程在真空室中進(jìn)行，在真空室內(nèi)設(shè)置有在其上生長(zhǎng)鉆石的基板。將基板暴露于解離在基板表面上形成鉆石所需的前驅(qū)氣體分子所需的能量源。鉆石的化學(xué)氣相沉積中所需的前驅(qū)氣體是在氫氣(h2)中稀釋的碳源。典型的碳載氣體是甲烷(ch4)、乙烷(c2h6)、一氧化碳(co)和乙炔(c2h2)，其中甲烷(ch4)是最常用的。高效鉆石沉積所需的氣體組合在氫中含有少量(幾％)的碳載氣成分，并且可以通過(guò)添加氧或氧前驅(qū)體如co或co2來(lái)進(jìn)一步輔助反應(yīng)。根據(jù)碳載氣流量和氫氣流量的莫耳比率(molarratio)，給出了指定氣流配方的最常用參數(shù)。例如，以[ch4]/[h2]的百分比計(jì)，其中[ch4]和[h2]通常以每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方厘米(sccm)測(cè)量的莫耳流速。沉積過(guò)程中的典型基板溫度為550℃至1200℃，沉積速率通常以每小時(shí)微米(μm)測(cè)量。

人造鉆石在非鉆石基板上的生長(zhǎng)包含表面制備階段和成核(nucleation)階段，其中調(diào)整條件以增強(qiáng)主體(非鉆石)基板上的鉆石晶體的生長(zhǎng)。這通常是通過(guò)以受控和可重復(fù)的方式用鉆石粉末接種(與基板劃傷相連)的表面來(lái)完成的。在生長(zhǎng)階段，人造鉆石的顆粒尺寸增加，結(jié)果人造鉆石薄膜在沉積后固有地粗糙。鉆石的成核通常以非常小的鉆石域嵌入非鉆石矩陣中開(kāi)始，其在近基板區(qū)域中的導(dǎo)熱性差。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)討論了各種接種，包含機(jī)械、超聲波和超聲波接種在各種基板和晶片上的成核層。

基于氮化鎵的高電子遷移率電晶體(gan-basedhemts)中增加的高功率密度使熱管理非常重要。具有高導(dǎo)熱性的化學(xué)氣相沉積多晶鉆石與現(xiàn)有技術(shù)的碳化硅基板相比，在裝置接面附近提供了優(yōu)異的除熱能力。最新的鉆石氮化鎵高電子遷移率電晶體已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的裝置特性[d.c.dumkaetal.,ieeeelectronlett.49(20),1298(2013)]，并可擴(kuò)展到4英寸晶圓[d.francisetal.,diamondrel.mater.19(2-3),229(2010)]。這種鉆石氮化鎵技術(shù)從硅或碳化硅上的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(mocvd)生長(zhǎng)的氮化鋁鎵/氮化鎵外延層開(kāi)始，并且涉及沉積薄的介電接種層(dielectricseedinglayer，例如非晶碳化硅、硅、氮化硅、氮化鋁、氧化鎂、氮化硼或氧化鈹)和暴露的氮化鎵上的化學(xué)氣相沉積鉆石，在去除天然氮化鎵生長(zhǎng)基板和過(guò)渡層之后[d.c.dumkaetal.,ieeeelectronlett.49(20),1298(2013)；d.francisetal.,diamondrel.mater.19(2-3),229(2010)]。介電接種層既用作鉆石材料的成核層，也用作鉆石生長(zhǎng)期間的氮化鎵的保護(hù)層。因此，介電接種層必須足夠厚以實(shí)現(xiàn)這些功能。然而，鉆石生長(zhǎng)的介電中間層和初始成核層在氮化鎵/鉆石接面處產(chǎn)生有效的熱邊界電阻(tbreff)，這是限制鉆石全部熱效益的主要熱障[j.w.pomeroyetal.,appl.phys.lett.104(8),083513(2014)]。

迄今為止，鉆石在氮化鎵上的直接生長(zhǎng)是有問(wèn)題的。這主要是由于原子氫與暴露的氮化鎵的反應(yīng)以及隨后的氮化鎵基板的退化(degradation)和還原(reduction)。用于規(guī)避本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的問(wèn)題的典型方法是在如上所述用作氮化鎵的保護(hù)層和鉆石成核層的氮化鎵的頂部上生長(zhǎng)介電中間層。雖然這種方法在保護(hù)氮化鎵層方面已經(jīng)取得了成功，但是它引入了多個(gè)熱邊界，這些熱邊界對(duì)總體熱耐性產(chǎn)生負(fù)面影響，并且具有高導(dǎo)電性基板的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。另外，對(duì)氮化鎵和鉆石之間的介電中間層的要求將額外的表面制備和沈積步驟引入到制程中，這增加了制程的復(fù)雜性和成本。

實(shí)現(xiàn)鉆石與氮化鎵的密切整合的一個(gè)重大挑戰(zhàn)在于平衡由于氮化鎵和鉆石接面處的各種層面引起的熱邊界電阻(tbr)的降低，其實(shí)現(xiàn)了適當(dāng)?shù)慕臃N水平以牢固地粘附到成核層，并且當(dāng)在其上沉積化學(xué)氣相沉積鉆石時(shí)為下面的氮化鎵提供足夠的保護(hù)，以便不會(huì)不利地影響氮化鎵外延層結(jié)構(gòu)的電子性能。本發(fā)明人已經(jīng)研究了介電中間層厚度對(duì)氮化鎵/鉆石接面處的有效熱邊界電阻(tbreff)的影響。本發(fā)明人之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在化學(xué)氣相沉積鉆石生長(zhǎng)期間，需要至少約35納米厚度的介電中間層來(lái)保護(hù)氮化鎵基板。然而，這導(dǎo)致氮化鎵和鉆石之間的有效熱邊界電阻為下限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明人開(kāi)發(fā)了一種鉆石種子技術(shù)，其允許完全消除介電接種層，同時(shí)仍允許在化合物半導(dǎo)體基板上生長(zhǎng)鉆石而不損壞化合物半導(dǎo)體材料。該方法使用超納米結(jié)晶體超聲處理來(lái)形成具有受控厚度的基本上無(wú)空隙的納米結(jié)晶鉆石成核層。這導(dǎo)致半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)包含：化合物半導(dǎo)體材料層；以及多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料層，其中所述多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料層系通過(guò)直接接合到所述化合物半導(dǎo)體材料層的納米結(jié)晶鉆石層來(lái)接合到所述化合物半導(dǎo)體材料層，所述納米結(jié)晶鉆石層具有5至50納米之范圍的厚度，并且配置來(lái)使通過(guò)化合物半導(dǎo)體材料層與多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料層之間的接面處的瞬態(tài)熱反射所測(cè)量的有效熱邊界電阻(tbreff)不超過(guò)50m²k/gw。

本發(fā)明的實(shí)施例提供了直接的鉆石化合物半導(dǎo)體(例如氮化鎵)接面，其間沒(méi)有設(shè)置介電中間層并且不損壞化合物半導(dǎo)體。因此，可以?xún)?yōu)化裝置結(jié)構(gòu)的熱及電子特性。此外，通過(guò)消除對(duì)鉆石和化合物半導(dǎo)體層之間的介電中間層的要求，可以通過(guò)少量表面制備和沉積步驟來(lái)簡(jiǎn)化制程。

制造如上所述的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的方法包含：提供包含化合物半導(dǎo)體材料層的基板；在化合物半導(dǎo)體材料層上形成厚度在5至50納米范圍內(nèi)的納米結(jié)晶鉆石種子層；以及使用化學(xué)氣相沉積(cvd)技術(shù)在所述種子層上生長(zhǎng)一層多晶化學(xué)氣相沉積鉆石。

已知可以使用納米結(jié)晶鉆石粉末的膠態(tài)懸浮液和施加聲波功率形成合適的種子層，其具有選擇的粒度、沉積時(shí)間和聲波功率以實(shí)現(xiàn)所需的有效熱邊界電阻(tbreff)，同時(shí)確保種子層在化學(xué)氣相沉積鉆石生長(zhǎng)期間用作有效的保護(hù)屏障，使得下面的化合物半導(dǎo)體不被過(guò)度損壞。此外，令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，這樣的種子層不能防止化學(xué)氣相沉積鉆石層與化合物半導(dǎo)體基板的粘合。這是非常令人驚訝的，因?yàn)槿藗儠?huì)認(rèn)為在基板上提供相對(duì)厚的納米結(jié)晶種子顆粒層將防止化學(xué)氣相沉積鉆石層粘附到化合物半導(dǎo)體基板上。也就是說(shuō)，人們會(huì)認(rèn)為化學(xué)氣相沉積鉆石層將接合到納米結(jié)晶種顆粒層，但是納米結(jié)晶種子顆粒將不會(huì)接合到下面的化合物半導(dǎo)體基板。雖然不受理論束縛，但是看起來(lái)如果使化合物半導(dǎo)體層足夠平坦和光滑，并且使用納米尺寸的鉆石種子顆粒，則納米尺寸的鉆石顆粒將靜電粘合到化合物半導(dǎo)體層?？梢砸赃@種方式形成令人驚訝之厚的納米尺寸的鉆石顆粒層。與較大微米尺寸的鉆石種子顆粒相比，其不以這種方式靜電鍵合。此外，再次沒(méi)有被理論束縛，似乎納米結(jié)晶鉆石種子層的氣相滲透可能在鉆石生長(zhǎng)的早期階段發(fā)生，導(dǎo)致納米結(jié)晶種子顆粒接合到下面的化合物半導(dǎo)體基板且彼此形成相干接合(coherentbonded)納米結(jié)晶鉆石層，且基本上不會(huì)損壞下面的化合物半導(dǎo)體基板。

附圖說(shuō)明

為了更好地理解本發(fā)明并且示出如何實(shí)施本發(fā)明，現(xiàn)在將通過(guò)參考附圖的方式來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中：

圖1示出了用于測(cè)量化合物半導(dǎo)體材料層和多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料層之間的接面處的有效熱邊界電阻(tbreff)的瞬態(tài)熱電反射測(cè)量裝置的示意圖；

圖2標(biāo)出了在鉆石晶片上的反射光譜，證明了在532納米的探針激光波長(zhǎng)處的反射變化和表面溫度調(diào)制之間的線(xiàn)性近似的有效性；

圖3示出了具有不同厚度的介電接種層的鉆石氮化鎵晶片的標(biāo)準(zhǔn)化瞬態(tài)反射，其使用兩種鉆石生長(zhǎng)方法：熱絲(hf)化學(xué)氣相沉積；以及微波(mw)等離子體化學(xué)氣相沉積(插圖示出了樣本層結(jié)構(gòu)的示意圖)。

圖4顯示氮化鎵/鉆石接面的有效熱邊界電阻作為介電接種層厚度的函數(shù)，對(duì)應(yīng)的電晶體峰值通道溫升在右垂直軸上表示；

圖5示出了超納米結(jié)晶種子層的透射電子顯微照片(tem)橫截面，其指示具有可辨別的鉆石種子且沒(méi)有接面空隙的明確定義的納米結(jié)晶鉆石接面；以及

圖6示出了包含化合物半導(dǎo)體材料層、納米結(jié)晶鉆石層和微米結(jié)晶鉆石層的三層結(jié)構(gòu)的示意圖。

具體實(shí)施方式

在描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例之用于實(shí)現(xiàn)低熱邊界電阻的鉆石氮化鎵產(chǎn)品的改良種子技術(shù)之前，下面給出了用于探測(cè)這種產(chǎn)品之熱邊界電阻的新測(cè)量技術(shù)的描述。

測(cè)量技術(shù)包含瞬態(tài)熱電反射方法來(lái)表征鉆石上的鉆石有效熱邊界電阻。這種完全非接觸式技術(shù)不需要任何額外的沉積，并且可以在裝置制造之前在生長(zhǎng)晶片上使用。晶圓熱電阻的快速評(píng)估使得鉆石氮化鎵晶圓制造商能夠改善電晶體熱性能的生長(zhǎng)條件。

納秒瞬態(tài)熱反射法是一種基于激光的泵浦探針(laser-basedpump-probe)技術(shù)[j.w.pomeroyetal.,ieeeelectrondevicelett.35(10),1007(2014)]。使用高于氮化鎵帶隙的10納秒、355納米脈沖激光(nd：yag的三次諧波)作為泵浦光束來(lái)沖擊加熱氮化鋁鎵/氮化鎵(algan/gan)表面。該溫度升高引起了與線(xiàn)性溫度相關(guān)的表面反射的變化。使用532納米cw激光(nd：yag的二次諧波)作為探針光束來(lái)監(jiān)測(cè)時(shí)域中的反射(以及溫度)變化。由于熱擴(kuò)散到氮化鎵層和鉆石基板中，表面溫度會(huì)松弛，從而可以從溫度瞬變(temperaturetransient)中提取包含效熱邊界電阻在內(nèi)的熱性能。兩個(gè)激光束同軸地引導(dǎo)到標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡，以方便晶片映像。放大的硅光電檢測(cè)器用于記錄從樣本表面反射的探針激光的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖1所示。

在特定條件下，當(dāng)探頭激光波長(zhǎng)在總反射光譜的最大值或最小值附近時(shí)部分相干的內(nèi)部反射(coherentinternalreflections)，反射變化可能不與表面溫度調(diào)制成正比。這里選擇的探針激光波長(zhǎng)(532納米)不會(huì)落入這些“非線(xiàn)性”區(qū)域，如圖2所示。60℃的溫升相當(dāng)于反射的10納米波長(zhǎng)偏移，使用氮化鎵折射率的波長(zhǎng)[[n.a.sanfordetal.,j.appl.phys.94(5),2980(2003)]和溫度[n.watanabe,etal.,j.appl.phys.104(10),106101(2008)]的依賴(lài)性。在這些測(cè)量中，在反射變化和表面溫度升高之間的線(xiàn)性近似有效的區(qū)域內(nèi)，最高溫度調(diào)制小于60℃。此外，在具有和不具有金傳感器的晶片上獲得相同的熱反射衰減[j.w.pomeroyetal.,ieeeelectrondevicelett.35(10),1007(2014)]，證實(shí)反應(yīng)確實(shí)來(lái)自表面溫度。

圖3標(biāo)出了一系列氮化鎵-鉆石晶片的時(shí)間解析的標(biāo)準(zhǔn)化反射變化，每個(gè)具有28納米至100納米的介電接種層的標(biāo)稱(chēng)厚度(nominalthickness)，以及通過(guò)熱絲(hf)生長(zhǎng)的鉆石基板、化學(xué)氣相沉積或微波(mw)等離子體化學(xué)氣相沉積。隨著熱量更有效地?cái)U(kuò)散到鉆石基板中，瞬態(tài)中快速衰減(因此表面溫度)表示較低的有效熱邊界電阻。該測(cè)量對(duì)有效熱邊界電阻最敏感，因?yàn)榈?鉆石接面是主要的熱障。然而，鉆石基板的影響也有助于溫度瞬態(tài)，如第3圖中的長(zhǎng)時(shí)間尺度所示。瞬態(tài)超過(guò)500納秒的分離表明，不透明的鉿(hf)鉆石具有比半透明的微波(mw)鉆石更小的熱導(dǎo)率。

使用有限元熱模型(elementthermalmodel)擬合測(cè)量的瞬變，并將提取的有效熱邊界電阻繪制為圖4中的介電中間層厚度的函數(shù)。有效熱邊界電阻與介電層厚度大致呈線(xiàn)性關(guān)系；這些偏差可能是由于晶圓與晶圓之間不同的鉆石成核面的貢獻(xiàn)。使用多指電晶體熱模型[j.w.pomeroyetal.,ieeeelectrondevicelett.35(10),1007(2014)]，計(jì)算對(duì)應(yīng)于每個(gè)有效熱邊界電阻的峰值信道溫升，并顯示在右垂直軸上。這突出了減少有效熱邊界電阻降低裝置熱阻的重要性。通過(guò)將有效熱邊界電阻從50m²k/gw降低到12m²k/gw，電晶體通道溫升可以降低30％。然而，已發(fā)現(xiàn)使用標(biāo)準(zhǔn)鉆石接種技術(shù)需要至少約35納米厚度的陶瓷中間層，以在化學(xué)氣相沉積鉆石生長(zhǎng)期間保護(hù)氮化鎵基板。從圖4可以看出，這導(dǎo)致有效熱邊界電阻的下限為約20至25m²k/gw。

鑒于上述，本發(fā)明人已經(jīng)研究了在化合物半導(dǎo)體基板和其上形成多晶化學(xué)氣相沉積鉆石層生長(zhǎng)之間提供更好接面的不同方法。在這樣做時(shí)，本發(fā)明人開(kāi)發(fā)了一種優(yōu)化的鉆石種子技術(shù)，其允許完全消除介電接種層，同時(shí)仍然允許化合物半導(dǎo)體基板上的鉆石生長(zhǎng)而不損壞化合物半導(dǎo)體。該方法使用聲波處理(sonication)及/或電化學(xué)沉積納米及/或超納米結(jié)晶鉆石以形成受控厚度的實(shí)質(zhì)上無(wú)空隙的鉆石成核層。這導(dǎo)致半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)包含：化合物半導(dǎo)體材料層；以及多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料層，其中所述多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料層通過(guò)直接接合到所述化合物半導(dǎo)體材料層的納米結(jié)晶鉆石層來(lái)接合到所述化合物半導(dǎo)體材料層，所述納米結(jié)晶鉆石層具有5至50納米的范圍的厚度，并且配置為使通過(guò)化合物半導(dǎo)體材料層與多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料層之間的接面處的瞬態(tài)熱反射所測(cè)量的有效熱邊界電阻(tbreff)不超過(guò)50m²k/gw、40m²k/gw或30m²k/gw。

不包含鉆石材料和化合物半導(dǎo)體材料之間的附加介電中間層的該裝置結(jié)構(gòu)避免了對(duì)化合物半導(dǎo)體晶片進(jìn)行高溫并且可能影響產(chǎn)量和/或成本的附加陶瓷沉積步驟的要求。此外，對(duì)于包含薄介電中間層的裝置結(jié)構(gòu)，通過(guò)消除額外的介電中間層，這開(kāi)啟了進(jìn)一步降低鉆石材料和化合物半導(dǎo)體材料之間的有效熱邊界電阻向下降到理論最小值3m²k/gw的機(jī)會(huì)，或者至少與上述大于10m²k/gw的數(shù)值相匹配，例如在20至30m²k/gw的范圍內(nèi)。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以使用納米結(jié)晶鉆石粉末的膠體懸浮液和施加聲波功率形成合適的種子層，其具有選擇的粒度、沉積時(shí)間和聲波功率以實(shí)現(xiàn)所需的有效熱邊界電阻(tbreff)，同時(shí)還確保種子層在化學(xué)氣相沉積鉆石生長(zhǎng)期間用作有效的保護(hù)屏障，使得下面的化合物半導(dǎo)體不被過(guò)度損壞。一種替代方案是使用電化學(xué)方法，其控制鉆石/晶片相對(duì)電位以產(chǎn)生均勻和共形沉積。此外，令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，這樣的種子層不能防止化學(xué)氣相沉積鉆石層與化合物半導(dǎo)體基板的粘合。

雖然之前已經(jīng)描述了包含膠體懸浮液、納米結(jié)晶鉆石粉末和聲波功率或電化學(xué)沉積的施加技術(shù)用于高成核密度鉆石的種子和生長(zhǎng)，但是用于提高鉆石化合物半導(dǎo)體接面之鉆石熱障電阻(thermalbarrierresistance)的方法之前沒(méi)有被證明。本發(fā)明人已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種涂布化合物半導(dǎo)體基板的方法，其允許調(diào)整分散在半導(dǎo)體基板上的種子堆疊的厚度和密度，從而控制與先前實(shí)現(xiàn)的結(jié)果相比形成這種堆疊的熱邊界電阻。通過(guò)調(diào)整例如時(shí)間、聲波功率和接種介質(zhì)，本發(fā)明人已經(jīng)證明了對(duì)疊層的厚度和分散體的密度的控制，以便優(yōu)化與這種氮化鎵和鉆石之間的層有關(guān)的熱邊界電阻。特別地，本發(fā)明人通過(guò)用相對(duì)較厚的(于接種術(shù)語(yǔ)中)和用于成核的導(dǎo)熱超納米和/或納米結(jié)晶鉆石涂層替代介電中間層，消除了兩個(gè)熱接面和一個(gè)熱挑戰(zhàn)的成核/保護(hù)層。

多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料層可以通過(guò)具有5至50納米、10至40納米或15至30納米范圍內(nèi)的層厚度的納米結(jié)晶鉆石接合到化合物半導(dǎo)體材料層?？梢允褂寐菪疃确治鰜?lái)建立超納米結(jié)晶種子層(一個(gè)實(shí)例中種子層的厚度為約25納米)。

圖5示出了超納米結(jié)晶種子層的透射電子顯微照片(tem)的橫截面，其指示具有可辨別的鉆石種子且沒(méi)有接面空隙的明確定義的納米結(jié)晶鉆石接面。納米結(jié)晶鉆石層可具有不超過(guò)10％、8％、6％或4％的透射電子顯微鏡影像測(cè)量的空隙體積分?jǐn)?shù)?；蛘吡硗?，在包含至少200納米×100納米的面積的代表性樣本中，納米結(jié)晶鉆石層可以沒(méi)有大于20納米、15納米、10納米或5納米厚度的空隙。優(yōu)選地，在包含至少200納米×100納米的面積的代表性樣本中，納米結(jié)晶鉆石層在透射電子顯微鏡影像中沒(méi)有可見(jiàn)空隙。

如上所述的種子層使多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料定向沉積在化合物半導(dǎo)體基板上而不需要介電中間層。雖然本發(fā)明可應(yīng)用于一系列化合物半導(dǎo)體，但根據(jù)某些實(shí)施方案，化合物半導(dǎo)體材料層包含iii-v族化合物半導(dǎo)體材料，例如氮化鎵。

種子層上生長(zhǎng)的多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料層可以具有至少5微米、10微米、20微米、30微米、50微米、80微米、100微米、200微米、300微米或500微米的厚度。當(dāng)種子層包含納米結(jié)晶鉆石顆粒時(shí)，種子層上生長(zhǎng)的覆蓋多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料優(yōu)選包含微米級(jí)晶粒(grains，即多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料層包含尺寸大于1微米的晶粒)，并且優(yōu)選為微波等離子體化學(xué)氣相沉積鉆石材料，因?yàn)檫@種類(lèi)型的多晶化學(xué)氣相沉積鉆石材料具有比熱絲多晶化學(xué)氣相沉積鉆石和/或納米多晶化學(xué)氣相沉積鉆石更高的熱導(dǎo)率。

圖6示出了如上所述的三層結(jié)構(gòu)的示意圖，其包含化合物半導(dǎo)體材料層70，納米結(jié)晶鉆石層72和微米結(jié)晶鉆石層74。

制造如上所述的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的方法包含：提供包含化合物半導(dǎo)體材料層的基板；在所述基板的表面上形成層厚度為5～50納米、10～40納米、或15～30納米的納米結(jié)晶鉆石種子層；以及使用化學(xué)氣相沉積(cvd)技術(shù)在所述種子層上生長(zhǎng)多晶化學(xué)氣相沉積鉆石層。

種子層可以使用平均顆粒尺寸不超過(guò)15納米或10納米和/或不小于1納米的納米結(jié)晶鉆石粉末形成。在接種步驟中使用的納米結(jié)晶鉆石粉末的d90顆粒尺寸可以不超過(guò)40納米、30納米或20納米。此外，可使用納米結(jié)晶鉆石粉末的膠體懸浮液形成種子層，并且可控制諸如沉積時(shí)間和聲波功率的沉積參數(shù)以實(shí)現(xiàn)所需的有效熱邊界電阻(tbreff)。

制備化合物半導(dǎo)體基板的一種方法是將硅晶片上的氮化鎵鍵合到載體硅晶片，然后蝕刻出離開(kāi)接合晶片的生長(zhǎng)硅晶片。在移除生長(zhǎng)硅晶片之后，暴露氮化鎵材料的背面。然后將該暴露的表面浸入到具有納米鉆石晶種的罐中，并將整個(gè)罐超聲波接種10分鐘。通過(guò)調(diào)整接種的確切時(shí)間來(lái)調(diào)整種子層的厚度。這個(gè)確切的時(shí)間取決于顆粒的密度和尺寸。然后將化合物半導(dǎo)體基板從罐中取出并旋轉(zhuǎn)干燥以除去不良附著的種子。酒精干燥后得到的晶片準(zhǔn)備進(jìn)行鉆石沉積。

納米結(jié)晶層用作化合物半導(dǎo)體基板的成核層和保護(hù)層。這導(dǎo)致低的熱邊界電阻與良好的氮化鎵電子性質(zhì)的保留相接合，亦即由于納米結(jié)晶鉆石種子層的存在，氮化鎵不會(huì)被化學(xué)氣相沉積鉆石生長(zhǎng)制程過(guò)度損壞。因此，本發(fā)明提供了第一次成功證明將鉆石直接附接到氮化鎵而不損壞氮化鎵的合成途徑。例如，化合物半導(dǎo)體外延層結(jié)構(gòu)可以具有一個(gè)或多個(gè)以下特性，同時(shí)直接接合到鉆石散熱層：電荷遷移率(chargemobility)至少為1200cm²v^-1s^-1、400cm²v^-1s^-1或1600cm²v^-1s^-1；片電阻(sheetresistance)不超過(guò)700ω/平方、600ω/平方或500ω/平方；漏電流不超過(guò)10^-5安培、10^-6安培、10^-7安培；以及最大功率至少為5w/mm、6w/mm或7w/mm。

雖然已經(jīng)參考實(shí)施例具體示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對(duì)形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改變。