CN111900200A - 一种金刚石基氮化镓复合晶片及其键合制备方法 - Google Patents

Abstract

一种金刚石基氮化镓复合晶片及其键合制备方法，该晶片具有氮化镓/成核层/碳化硅/金属中间层/金刚石衬底、氮化镓/金属中间层/金刚石衬底、氮化镓/陶瓷膜层/金属中间层/金刚石衬底等结构，主要制备步骤为：减薄氮化镓的碳化硅衬底，或者将碳化硅衬底完全剥离并减薄氮化镓层；对碳化硅衬底或氮化镓层及金刚石的待键合表面进行抛光和氩等离子体处理；在碳化硅衬底待键合表面沉积金属缓冲层及金膜，或者在氮化镓层待键合表面沉积金属缓冲层和金膜或沉积陶瓷膜层、金属缓冲层和金膜，在金刚石待键合表面沉积金属缓冲层和金膜；先进行氮化镓与金刚石的预键合，再进行二次键合；对金刚石基氮化镓复合晶片进行退火处理。本发明能提高键合强度。

Description

一种金刚石基氮化镓复合晶片及其键合制备方法

技术领域

本发明属于半导体与集成电路技术领域，具体涉及一种金刚石基氮化镓复合晶片及其键合制备方法，可应用于微波射频器件和电力电子器件的制作。

背景技术

氮化镓作为第三代半导体材料，与硅和砷化镓材料相比，具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子速度大、耐高温以及抗辐射能力强等特点，非常适合于高温大功率器件、高频微波器件、紫外和核辐射探测器件的制作，在通信、电力电子等技术领域均具有极高的应用价值。然而，严重的自热效应和低热导率限制了氮化镓器件固有优势的完全发挥，成为制约氮化镓器件进一步向高频、大功率方向发展的技术瓶颈。

金刚石具有很高的热导率，是碳化硅(氮化镓器件常用衬底材料之一)热导率的近五倍，用金刚石作为衬底材料可有效降低氮化镓器件的热阻，显著降低AlGaN/GaN结区温度。近年来国际上已开展的研究表明，采用金刚石衬底的氮化镓器件(金刚石基氮化镓复合器件)与以碳化硅为衬底的氮化镓器件(碳化硅基氮化镓复合器件)相比，由于散热问题的解决，器件输出功率密度、功率附加效率和可靠性均得到明显提高，并使模组尺寸进一步减小。因此，采用金刚石衬底是解决氮化镓器件热管理问题的一种有效方法。金刚石基氮化镓复合器件正发展成为高频和大功率半导体器件的一项主流技术。

目前制备金刚石基氮化镓复合器件主要有三种方法，分别是在氮化镓表面外延生长金刚石、在金刚石表面外延生长氮化镓以及氮化镓与金刚石的键合。对于前两种方法，由于氮化镓与金刚石的热膨胀系数之间有较大失配，在较高温度下进行金刚石或氮化镓的外延生长，外延层中存在较大应力，容易引起晶片翘曲；此外，氮化镓与金刚石的晶格常数也存在较大差异，难以生长出高质量的氮化镓或金刚石外延层。与前两种采用金刚石或氮化镓外延生长方法制备金刚石基氮化镓复合器件不同，第三种方法采用的是氮化镓与金刚石的键合技术，该方法的优点是可以分别采用各自最佳的工艺制备出高质量的氮化镓和金刚石，键合可以在较低温度甚至室温下进行，避免了两种材料由于热膨胀系数和晶格常数失配所带来的问题。采用键合法制备金刚石基氮化镓复合器件，降低界面热阻、减少键合空洞率及提高键合强度是获得高键合质量的关键。

发明内容

本发明的目的在于针对氮化镓器件制备存在的问题，提供一种金刚石基氮化镓复合晶片及其键合制备方法，能有效降低氮化镓与金刚石的界面热阻、减少键合空洞率并提高键合强度，从而制备出高性能的金刚石基氮化镓复合晶片，提升氮化镓器件优势的发挥。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种金刚石基氮化镓复合晶片，具有以下a)、b)和c)中的任意一种结构：

a)依次由氮化镓、成核层、碳化硅、金属中间层、金刚石衬底形成的多层结构；

b)依次由氮化镓、金属中间层、金刚石衬底形成的多层结构；

c)依次由氮化镓、陶瓷膜层、金属中间层、金刚石衬底形成的多层结构，所述陶瓷膜层的材料为氮化铝或碳化硅；

所述的金属中间层具有依次设置的金属缓冲层、金膜层及金属缓冲层三层结构；所述金属缓冲层的材料为钨、钼或铝。

作为本发明金刚石基氮化镓复合晶片的一种优选方案，所述的结构a)、b)和c)中金刚石衬底的厚度为100-2000微米；金属缓冲层的厚度为1-20纳米；金膜层的厚度为5-200纳米；所述的结构a)中碳化硅的层厚为5-80微米；所述的结构b)中氮化镓的层厚为1-3微米；所述的结构c)中氮化镓的层厚为1-3微米，陶瓷膜层的厚度为1-15纳米。

本发明还提供一种金刚石基氮化镓复合晶片的键合制备方法，包括以下步骤：

1)用粘接剂将碳化硅衬底氮化镓的氮化镓外延层一侧的表面与临时载片粘接在一起；

2)将碳化硅衬底减薄；或者将碳化硅衬底完全剥离，去除成核层，将氮化镓外延层减薄；

3)对已减薄的碳化硅衬底表面或已减薄的氮化镓外延层的表面进行抛光，并对金刚石表面进行抛光，使碳化硅衬底或氮化镓外延层及金刚石抛光面的粗糙度低于要求值；

4)先后用丙酮、乙醇和去离子水对氮化镓和金刚石进行超声波清洗；

5)以碳化硅衬底或氮化镓外延层的抛光面为氮化镓的待键合表面，以金刚石的抛光面为金刚石的待键合表面，对氮化镓和金刚石的待键合表面进行氩等离子体处理；

6)在已减薄碳化硅衬底的氮化镓待键合表面相继沉积金属缓冲层和金膜层，或者是在已减薄氮化镓外延层的氮化镓待键合表面相继沉积金属缓冲层和金膜层或相继沉积陶瓷膜层、金属缓冲层和金膜层；在金刚石的待键合表面相继沉积金属缓冲层和金膜层；

7)将氮化镓的待键合表面与金刚石的待键合表面相对放置并使它们相互接触，施加压力进行氮化镓与金刚石的第一次键合，即预键合；

8)施加压力对预键合在一起的氮化镓与金刚石进行第二次键合；

9)去除金刚石衬底氮化镓表面的粘接剂和临时载片，制备出金刚石基氮化镓复合晶片；

10)对金刚石基氮化镓复合晶片进行退火处理，完成制备。

作为本发明键合制备方法的一种优选方案，步骤1)所述的粘接剂为光刻胶、苯并环丁烯或502胶；所述临时载片的材料为硅、氧化铝、碳化硅、石英或金刚石，临时载片的表面粗糙度不高于10纳米。

作为本发明键合制备方法的一种优选方案，步骤2)采用机械研磨的方法将碳化硅衬底减薄至5-80微米；或者继续采用感应耦合等离子刻蚀法刻蚀掉剩余的碳化硅衬底，去除成核层，并将氮化镓外延层减薄至1-3微米；

步骤3)所述粗糙度的要求值为2纳米；

步骤6)氮化镓和金刚石的待键合表面所沉积金属缓冲层的厚度分别为1-20纳米，氮化镓和金刚石的待键合表面所沉积金膜层的厚度分别为2.5-100纳米，氮化镓的待键合表面所沉积陶瓷膜层的厚度为1-15纳米。

作为本发明键合制备方法的一种优选方案，步骤5)所述的氩等离子体处理中采用的氩等离子体通过气体放电产生，放电功率为30-200W，氩等离子体的处理时间为0.5-20分钟。

作为本发明键合制备方法的一种优选方案，步骤7)在氮化镓和金刚石的待键合表面沉积完各膜层后，在不暴露大气条件下，采用机械加压方式进行氮化镓与金刚石的第一次键合，或者是从镀膜腔体中取出氮化镓和金刚石，在室温和大气环境条件下采用手工加压或重物加压方式快速进行氮化镓与金刚石的第一次键合，施加的压强为0.2-2MPa，加压时间为1-3分钟。

作为本发明键合制备方法的一种优选方案，步骤8)对氮化镓与金刚石进行第二次键合时，氮化镓和金刚石的温度低于150℃，施加的压强为0.5-10MPa，加压时间为1-20分钟。

作为本发明键合制备方法的一种优选方案，步骤9)去除粘接剂和临时载片的方式为：放入丙酮溶液中，采用超声波振动加速粘接剂的溶解。

作为本发明键合制备方法的一种优选方案，步骤10)所述的退火处理在真空环境中或在高纯氮气气氛中进行，退火温度为100-200℃，退火时间为10-60分钟。

相较于现有技术，本发明金刚石基氮化镓复合晶片具有如下的有益效果：

现有技术通常采用钛、铬膜层作为金薄膜粘接层的缓冲层，利用钛或铬膜与碳化硅、氮化镓、金刚石、金薄膜等材料间具有较强的结合力，以提高金薄膜与碳化硅、氮化镓、金刚石的结合强度。但是钛和铬的热导率很低，分别约为21.9W/m·K和93.7W/m·K，用它们作为缓冲层会增加氮化镓与金刚石间的热阻。本发明复合晶片采用钨、钼、铝作为缓冲层，这些金属膜层不仅与碳化硅、氮化镓、金刚石之间有很好的结合力，而且具有较高的热导率(分别约为174W/m·K、138W/m·K、237W/m·K)，用它们作为缓冲层可减小氮化镓与金刚石间的热阻，有利于降低氮化镓器件热点区域的温度。此外，对于本发明采用的将氮化镓外延层减薄后与金刚石进行键合的方案，为了防止金属纳米粘接层中金属原子扩散进入氮化镓而降低器件性能，在减薄了的氮化镓外延层的待键合表面先沉积一层薄的具有较高热导率的氮化铝或碳化硅陶瓷膜层，然后再沉积金属缓冲层和金薄膜，用陶瓷膜层阻挡金属原子进入氮化镓，能够避免金属粘接层的存在对氮化镓器件性能带来的不利影响。

本发明采用了两种技术方案来制备金刚石基氮化镓复合晶片。第一种方案是保留氮化镓的5-80微米厚度的碳化硅衬底，将碳化硅衬底表面作为键合面与金刚石进行键合。这种方案的优点是制备工艺相对简单，键合成功率高，但缺点是由于存在碳化硅衬底及氮化镓外延层较厚，制备出的金刚石基氮化镓复合器件的热阻较高。第二种方案是完全剥离掉碳化硅衬底及成核层，并将氮化镓减薄至1-3微米，将减薄的氮化镓的表面作为键合面与金刚石进行键合。采用该方案制备出的金刚石基氮化镓复合器件的热点区域与金刚石衬底的距离较近，有利于器件散热，但其缺点是制备工艺复杂，技术难度较大，制作成本较高。因此，这两种技术方案各有优缺点，可以根据不同的实际需要来选择不同的技术方案。

与现有技术相比，本发明金刚石基氮化镓复合晶片的键合制备方法具有如下有益效果：现有的晶片键合技术通常采用在晶片的键合表面沉积完金属粘接层后，从镀膜机中取出晶片，再放入键合设备中进行加压键合。由于从镀膜机中取出晶片到将晶片放入键合设备通常需要较长的时间，在此期间金属粘接层表面会吸附较多的气体(如水蒸气)甚至沾染一些灰尘颗粒，影响氮化镓与金刚石键合界面两侧金原子的相互扩散及形成金属键，从而降低了键合质量。本发明将氮化镓与金刚石的键合分两步进行，即在氮化镓和金刚石的待键合表面沉积完各膜层后，在不暴露大气条件下，施加压力进行氮化镓与金刚石的预键合，或者是从溅射镀膜机腔体中取出氮化镓和金刚石，快速地施加压力进行氮化镓与金刚石的预键合，然后再将预键合在一起的氮化镓与金刚石放入键合设备中，进行氮化镓与金刚石的第二次键合。采用预键合方式可以避免金属纳米粘接层表面暴露在空气中或尽量缩短暴露在空气中的时间，减少气体和灰尘颗粒吸附对金属纳米粘接层表面造成的污染，以保证氮化镓和金刚石的待键合面上的两个新鲜的金膜表面能充分地相互接触。此后，为了增加键合强度，再将预键合的样品放入键合设备中进行二次键合，由于两个相互接触的金膜表面很清洁，二次键合只需要施加较低的压力即能够实现具有低空洞率和高键合强度的键合。本发明在沉积金属纳米粘接层之前，用氩等离子体处理待键合表面，能够较彻底地清洁氮化镓及金刚石的待键合表面，增强碳化硅衬底或氮化镓外延层及金刚石衬底与金属纳米粘接层之间的结合力。为增强基于金属纳米粘接层的氮化镓与金刚石键合的粘接强度，本发明对键合完成的金刚石基氮化镓复合晶片进行退火处理，从而增强了金/金键合界面两侧金原子的相互扩散，提高氮化镓与金刚石的键合强度。

本发明从工艺过程以及结构特征上进行改进，采用本发明金刚石基氮化镓复合晶片以及相应的键合制备方法可以实现高性能金刚石基氮化镓器件的制备。

附图说明

图1本发明基于金属纳米层的氮化镓与金刚石键合方法的工艺流程图；

图2实施例1采用本发明键合方法制备出的金刚石基氮化镓复合晶片的一种结构(氮化镓/成核层/碳化硅(5-80微米)/金属缓冲层/金膜/金属缓冲层/金刚石)示意图；

图3实施例2采用本发明键合方法制备出的金刚石基氮化镓复合晶片的一种结构(即氮化镓(1-3微米)/金属缓冲层/金膜/金属缓冲层/金刚石)示意图；

图4实施例3采用本发明键合方法制备出的金刚石基氮化镓复合晶片的一种结构(即氮化镓(1-3微米)/陶瓷膜层/金属缓冲层/金膜/金属缓冲层/金刚石)示意图；

图5经过表面抛光的金刚石衬底的原子力显微镜图；

图6金刚石衬底上沉积了钼缓冲层和金薄膜的原子力显微镜图；

图7经过表面抛光的氮化镓层的原子力显微镜图；

图8氮化镓层上沉积了钼缓冲层和金薄膜的原子力显微镜图；

图9本发明键合法制备的氮化镓/成核层/碳化硅(5-80微米)/金属缓冲层/金膜/金属缓冲层/金刚石多层结构的金刚石基氮化镓复合晶片形貌图；

图10本发明键合法制备的氮化镓(1-3微米)/金属缓冲层/金膜/金属缓冲层/金刚石多层结构的金刚石基氮化镓复合晶片形貌图；

图11本发明键合法制备的金刚石基氮化镓复合晶片的超声波扫描显微镜图。

附图中：1—氮化镓外延层，2—成核层，3—碳化硅衬底，4—金刚石衬底，11—金属缓冲层，12—金膜，13—陶瓷膜层。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明。

为了解决高频、大功率氮化镓器件的散热问题，将氮化镓器件与具有高热导率的金刚石衬底相结合，本发明采用了一种基于金属纳米层的键合方法来制备金刚石基氮化镓复合晶片，该晶片具有氮化镓/成核层/碳化硅/金属中间层/金刚石衬底、氮化镓/金属中间层/金刚石衬底、氮化镓/陶瓷膜层/金属中间层/金刚石衬底等结构。本发明提出的制备方法分两步进行氮化镓与金刚石的键合，即在氮化镓和金刚石的待键合表面沉积完各膜层后，在不暴露大气条件下，采用机械加压方式进行氮化镓与金刚石的预键合，或者是从镀膜腔体中取出氮化镓和金刚石，在室温和大气环境条件下采用手工加压或重物加压方式快速进行氮化镓与金刚石的预键合，然后用键合设备进行氮化镓与金刚石的二次键合。采用预键合方式可以避免金属纳米粘接层表面暴露在空气中或尽量缩短暴露在空气中的时间，减少气体和灰尘颗粒吸附对金属纳米粘接层表面的污染，以保证两个新鲜的金膜表面相互接触。为了增加键合强度，将经过预键合的样品放入键合设备中进行二次键合，由于两个相互接触的金膜表面很清洁，二次键合只需要施加较低的压力即能够获得低键合空洞率和高粘接强度。在沉积金属缓冲层前，用氩等离子体处理待键合表面，可以清洁待键合表面，增强碳化硅衬底或氮化镓外延层以及金刚石与金属缓冲层之间的结合力，以提高键合质量。采用钨、钼、铝作为缓冲层，这些金属膜层不仅能够与碳化硅、氮化镓、金刚石及金薄膜之间有很好的结合力，而且具有较高的热导率，用它们作为缓冲层有利于降低氮化镓器件热点区域的温度。此外，对于本发明采用的将氮化镓外延层减薄后再与金刚石键合的方案，为了防止金属纳米层中金属原子扩散进入氮化镓而降低器件性能，在减薄了的氮化镓外延层的待键合表面先沉积一层薄的氮化铝或碳化硅陶瓷膜层，然后再沉积金属缓冲层和金薄膜，用陶瓷膜层阻挡金属原子进入氮化镓。为了进一步增加氮化镓与金刚石的粘接强度，对键合完成的金刚石衬底氮化镓进行退火处理，以增强金/金键合界面两侧金原子的相互扩散。

故采用本发明的一种金刚石基氮化镓复合晶片及其键合制备方法能够制备出低空洞率、高键合强度的金刚石基氮化镓复合晶片，能有效解决高频、大功率氮化镓器件的散热问题。

实施例1

参见图1和图2，本发明制备的金刚石基氮化镓复合晶片具有氮化镓/成核层/碳化硅(5-80微米)/金属缓冲层/金膜/金属缓冲层/金刚石的结构，具体制备方法包括以下步骤：

1)用光刻胶将碳化硅衬底氮化镓的氮化镓外延层的表面与硅片(临时载片)粘接在一起；

2)采用机械研磨将碳化硅衬底减薄至40微米；

3)对碳化硅衬底和金刚石进行表面抛光，使碳化硅衬底和金刚石的抛光面的粗糙度低于2纳米；

4)先后用丙酮、乙醇和去离子水对氮化镓和金刚石进行超声波清洗；

5)将氮化镓和金刚石放入溅射镀膜机中，将碳化硅衬底和金刚石的抛光面作为待键合表面，对待键合表面进行氩等离子体处理，等离子体放电功率为50W，处理时间为5分钟；

6)采用溅射沉积法，在碳化硅衬底和金刚石的待键合表面相继沉积2纳米厚的钨缓冲层和10纳米厚的金薄膜；

7)在碳化硅衬底和金刚石的待键合表面沉积完钨缓冲层和金薄膜后，在不暴露大气条件下，将碳化硅衬底的待键合表面与金刚石衬底的待键合表面相对放置并使它们相互接触，采用机械加压方式进行氮化镓与金刚石的预键合，施加压强为0.3MPa的压力并保持3分钟；

8)将预键合后的氮化镓与金刚石放入键合设备中，对氮化镓与金刚石施加5MPa压强并保持5分钟，进行第二次键合，将氮化镓与金刚石衬底键合在一起；

9)将粘接在临时载片上的金刚石衬底氮化镓放入盛有丙酮溶液的容器中，并采用超声波振动来加速粘接剂的溶解，去除金刚石衬底氮化镓表面的粘接剂和临时载片，制备出金刚石基氮化镓复合晶片；

10)在真空环境中对金刚石基氮化镓复合晶片进行退火处理，退火温度为150℃，退火时间为40分钟。

实施例2

参见图1和图3，本发明制备的金刚石基氮化镓复合晶片具有氮化镓(1-3微米)/金属缓冲层/金膜/金属缓冲层/金刚石的结构，具体制备方法包括以下步骤：

1)用苯并环丁烯(BCB)将碳化硅衬底氮化镓的氮化镓外延层的表面与碳化硅晶片(临时载片)粘接在一起；

2)采用机械研磨将碳化硅衬底减薄至30微米，然后采用感应耦合等离子刻蚀法，刻蚀掉剩余的碳化硅衬底，去除成核层，并将氮化镓外延层减薄至2微米；

3)对氮化镓外延层和金刚石进行表面抛光，使氮化镓和金刚石的抛光面的粗糙度低于2纳米；

4)先后用丙酮、乙醇和去离子水对氮化镓和金刚石进行超声波清洗；

5)将氮化镓和金刚石放入溅射镀膜机中，将氮化镓和金刚石的抛光面作为待键合表面，对待键合表面进行氩等离子体处理，等离子体放电功率为100W，处理时间为2分钟；

6)采用溅射沉积法，在氮化镓和金刚石的待键合表面相继沉积3纳米厚的钼缓冲层和15纳米厚的金薄膜；

7)从溅射镀膜机中取出氮化镓和金刚石，在1分钟时间内快速将氮化镓的待键合表面与金刚石衬底的待键合表面相对放置并使之相互接触，采用重物加压方式对氮化镓与金刚石施加0.5MPa压强并保持2分钟进行第一次键合，即预键合；

8)将预键合后的氮化镓与金刚石放入键合设备中，对氮化镓与金刚石施加10MPa压强并保持3分钟，进行第二次键合，将氮化镓与金刚石衬底键合在一起；

9)将粘接在临时载片上的金刚石衬底氮化镓放入盛有丙酮溶液的容器中，并采用超声波振动来加速粘接剂的溶解，去除金刚石衬底氮化镓表面的粘接剂和临时载片，制备出金刚石基氮化镓复合晶片；

10)在高纯氮气环境中对金刚石基氮化镓复合晶片进行退火处理，退火温度为180℃，退火时间为20分钟。

实施例3

参见图1和图4，本发明制备的金刚石基氮化镓复合晶片具有氮化镓(1-3微米)/陶瓷膜层/金属缓冲层/金膜/金属缓冲层/金刚石的结构，具体制备方法包括以下步骤：

1)用502胶将碳化硅衬底氮化镓的氮化镓外延层的表面与石英片(临时载片)粘接在一起；

2)采用机械研磨将碳化硅衬底减薄至50微米，然后采用感应耦合等离子刻蚀法，刻蚀掉剩余的碳化硅衬底，去除成核层，并将氮化镓外延层减薄至3微米；

3)对氮化镓外延层和金刚石进行表面抛光，使氮化镓和金刚石的抛光面的粗糙度低于2纳米；

4)先后用丙酮、乙醇和去离子水对氮化镓和金刚石进行超声波清洗；

5)将氮化镓和金刚石放入溅射镀膜机中，将氮化镓和金刚石的抛光面作为待键合表面，对待键合表面进行氩等离子体处理，等离子体放电功率为150W，处理时间为1分钟；

6)采用溅射沉积法，在氮化镓待键合表面相继沉积2纳米厚的氮化铝膜、4纳米厚的铝缓冲层和50纳米厚的金薄膜，在金刚石待键合表面相继沉积4纳米厚的铝缓冲层和50纳米厚的金薄膜；

7)从溅射镀膜机中取出氮化镓和金刚石，在1分钟时间内快速将氮化镓的待键合表面与金刚石衬底的待键合表面相对放置并使它们相互接触，采用手工加压方式对氮化镓与金刚石施加1MPa压强并保持1分钟进行第一次键合，即预键合；

8)将预键合后的氮化镓与金刚石放入键合设备中，对氮化镓与金刚石施加8MPa压强并保持4分钟，进行第二次键合，将氮化镓与金刚石衬底键合在一起；

9)将粘接在临时载片上的金刚石衬底氮化镓放入盛有丙酮溶液的容器中，并采用超声波振动来加速粘接剂的溶解，去除金刚石衬底氮化镓表面的粘接剂和临时载片，制备出金刚石基氮化镓复合晶片；

10)在高纯氮气环境中对金刚石基氮化镓复合晶片进行退火处理，退火温度为120℃，退火时间为60分钟。

实施例4

参见图1和图4，本发明制备的金刚石基氮化镓复合晶片具有氮化镓(1-3微米)/陶瓷膜层/金属缓冲层/金膜/金属缓冲层/金刚石的结构，具体制备方法包括以下步骤：

1)用光刻胶将碳化硅衬底氮化镓的氮化镓外延层的表面与金刚石晶(临时载片)片粘接在一起；

2)采用机械研磨将碳化硅衬底减薄至10微米，然后采用感应耦合等离子刻蚀法，刻蚀掉剩余的碳化硅衬底，去除成核层，并将氮化镓外延层减薄至1.5微米；

3)对氮化镓和金刚石进行表面抛光，使氮化镓和金刚石的抛光面的粗糙度低于2纳米；

4)先后用丙酮、乙醇和去离子水对氮化镓和金刚石进行超声波清洗；

5)将氮化镓和金刚石放入溅射镀膜机中，将氮化镓和金刚石的抛光面作为待键合表面，对待键合表面进行氩等离子体处理，等离子体放电功率为80W，处理时间为3分钟；

6)采用溅射沉积法，在氮化镓待键合表面相继沉积3纳米厚的碳化硅膜、5纳米厚的钨缓冲层和8纳米厚的金薄膜，在金刚石的待键合表面相继沉积5纳米厚的钨缓冲层和8纳米厚的金薄膜；

7)从溅射镀膜机中取出氮化镓和金刚石，在1分钟时间内快速将氮化镓的待键合表面与金刚石衬底的待键合表面相对放置并使它们相互接触，采用重物加压方式对氮化镓与金刚石施加1.5MPa压强并保持1分钟进行第一次键合，即预键合；

8)将预键合后的氮化镓与金刚石放入键合设备中，对氮化镓与金刚石施加3MPa压强并保持10分钟，进行第二次键合，将氮化镓与金刚石衬底键合在一起；

9)将粘接在临时载片上的金刚石衬底氮化镓放入盛有丙酮溶液的容器中，并采用超声波振动来加速粘接剂的溶解，去除金刚石衬底氮化镓表面的粘接剂和临时载片，制备出金刚石基氮化镓复合晶片；

10)在真空环境中对金刚石基氮化镓复合晶片进行退火处理，退火温度为200℃，退火时间为10分钟。

参见图5、图6、图7和图8，可以看出，经过表面抛光的金刚石衬底和氮化镓层都有很低的表面粗糙度，分别为0.509纳米和0.265纳米，即使在它们的键合面上沉积了钼缓冲层和金薄膜后，表面粗糙度仍然很低，分别为0.685纳米和0.438纳米，有利于实现氮化镓与金刚石的高质量键合。

图9和图10分别是用键合法制备的具有氮化镓/成核层/碳化硅(5-80微米)/金属缓冲层/金膜/金属缓冲层/金刚石结构和氮化镓(1-3微米)/金属缓冲层/金膜/金属缓冲层/金刚石结构的金刚石基氮化镓复合晶片形貌，这两个样品都达到了10MPa以上的键合强度。

图11是一个用键合法制备的金刚石基氮化镓复合晶片的超声波扫描显微镜照片，可以明显地看出，氮化镓与金刚石的键合界面无任何空洞存在。

本发明实现了基于金属纳米中间层的金刚石基氮化镓复合晶片结构，采用分两步键合的氮化镓与金刚石键合方法，能够减小键合空洞率，增加键合强度，并降低氮化镓与金刚石间的热阻，达到提高氮化镓与金刚石键合质量的目的，可制备出高性能金刚石基氮化镓器件。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均会落入权利要求书所涵盖的保护范围。

Claims (10)

1.一种金刚石基氮化镓复合晶片，其特征在于，具有以下a)、b)和c)中的任意一种结构：

a)依次由氮化镓、成核层、碳化硅、金属中间层、金刚石衬底形成的多层结构；

b)依次由氮化镓、金属中间层、金刚石衬底形成的多层结构；

c)依次由氮化镓、陶瓷膜层、金属中间层、金刚石衬底形成的多层结构，所述陶瓷膜层的材料为氮化铝或碳化硅；

所述的金属中间层具有依次设置的金属缓冲层、金膜层及金属缓冲层三层结构；所述金属缓冲层的材料为钨、钼或铝。

2.根据权利要求1所述的刚石基氮化镓复合晶片，其特征在于：所述的结构a)、b)和c)中金刚石衬底的厚度为100-2000微米；金属缓冲层的厚度为1-20纳米；金膜层的厚度为5-200纳米；所述的结构a)中碳化硅的层厚为5-80微米；所述的结构b)中氮化镓的层厚为1-3微米；所述的结构c)中氮化镓的层厚为1-3微米，陶瓷膜层的厚度为1-15纳米。

3.一种金刚石基氮化镓复合晶片的键合制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用粘接剂将碳化硅衬底氮化镓的氮化镓外延层一侧的表面与临时载片粘接在一起；

2)将碳化硅衬底减薄；或者将碳化硅衬底完全剥离，去除成核层，将氮化镓外延层减薄；

3)对已减薄的碳化硅衬底表面或已减薄的氮化镓外延层的表面进行抛光，并对金刚石表面进行抛光，使碳化硅衬底或氮化镓外延层及金刚石抛光面的粗糙度低于要求值；

4)先后用丙酮、乙醇和去离子水对氮化镓和金刚石进行超声波清洗；

5)以碳化硅衬底或氮化镓外延层的抛光面为氮化镓的待键合表面，以金刚石的抛光面为金刚石的待键合表面，对氮化镓和金刚石的待键合表面进行氩等离子体处理；

6)在已减薄碳化硅衬底的氮化镓待键合表面相继沉积金属缓冲层和金膜层，或者是在已减薄氮化镓外延层的氮化镓待键合表面相继沉积金属缓冲层和金膜层或相继沉积陶瓷膜层、金属缓冲层和金膜层；在金刚石的待键合表面相继沉积金属缓冲层和金膜层；

7)将氮化镓的待键合表面与金刚石的待键合表面相对放置并使它们相互接触，施加压力进行氮化镓与金刚石的第一次键合，即预键合；

8)施加压力对预键合在一起的氮化镓与金刚石进行第二次键合；

9)去除金刚石衬底氮化镓表面的粘接剂和临时载片，制备出金刚石基氮化镓复合晶片；

10)对金刚石基氮化镓复合晶片进行退火处理，完成制备。

4.根据权利要求3所述金刚石基氮化镓复合晶片的键合制备方法，其特征在于：步骤1)所述的粘接剂为光刻胶、苯并环丁烯或502胶；

所述临时载片的材料为硅、氧化铝、碳化硅、石英或金刚石，临时载片的表面粗糙度不高于10纳米。

5.根据权利要求3所述金刚石基氮化镓复合晶片的键合制备方法，其特征在于：步骤2)采用机械研磨的方法将碳化硅衬底减薄至5-80微米；或者继续采用感应耦合等离子刻蚀法刻蚀掉剩余的碳化硅衬底，去除成核层，并将氮化镓外延层减薄至1-3微米；

步骤3)所述粗糙度的要求值为2纳米；

步骤6)氮化镓和金刚石的待键合表面所沉积金属缓冲层的厚度分别为1-20纳米，氮化镓和金刚石的待键合表面所沉积金膜层的厚度分别为2.5-100纳米，氮化镓的待键合表面所沉积陶瓷膜层的厚度为1-15纳米。

6.根据权利要求3所述金刚石基氮化镓复合晶片的键合制备方法，其特征在于：步骤5)所述的氩等离子体处理中采用的氩等离子体通过气体放电产生，放电功率为30-200W，氩等离子体的处理时间为0.5-20分钟。

7.根据权利要求3所述金刚石基氮化镓复合晶片的键合制备方法，其特征在于：步骤7)在氮化镓和金刚石的待键合表面沉积完各膜层后，在不暴露大气条件下，采用机械加压方式进行氮化镓与金刚石的第一次键合，或者是从镀膜腔体中取出氮化镓和金刚石，在室温和大气环境条件下采用手工加压或重物加压方式快速进行氮化镓与金刚石的第一次键合，施加的压强为0.2-2MPa，加压时间为1-3分钟。

8.根据权利要求3所述金刚石基氮化镓复合晶片的键合制备方法，其特征在于：步骤8)对氮化镓与金刚石进行第二次键合时，氮化镓和金刚石的温度低于150℃，施加的压强为0.5-10MPa，加压时间为1-20分钟。

9.根据权利要求3所述金刚石基氮化镓复合晶片的键合制备方法，其特征在于，步骤9)去除粘接剂和临时载片的方式为：放入丙酮溶液中，采用超声波振动加速粘接剂的溶解。

10.根据权利要求3所述金刚石基氮化镓复合晶片的键合制备方法，其特征在于，步骤10)所述的退火处理在真空环境中或在氮气气氛中进行，退火温度为100-200℃，退火时间为10-60分钟。

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