TWI488991B - 製造具有鑽石層之氮化鎵裝置 - Google Patents

Description

製造具有鑽石層之氮化鎵裝置

本發明係關於製造具有鑽石層之氮化鎵裝置。該裝置包括氮化鎵(GaN)層，在GaN層上的鑽石層及與該GaN層和該鑽石層接觸的閘極結構。

氮化鎵(GaN)所具有的電力和物理性質使其非常適合用於高頻(HF)裝置，如微波裝置。HF裝置製造高量的熱，其須要散熱器接合於HF裝置以防止裝置失效。一個這樣的散熱器係鑽石。已使用熱絲化學氣相沉積(CVD)法形成用於GaN層上的鑽石。通常，這些鑽石層非直接沉積在GaN層上，而是沉積在最後會與GaN層配置的一些其他材料(如，矽、碳化矽..等)上。

發明總論

一方面，本發明揭示一種製造一裝置之方法。該裝置包括氮化鎵(GaN)層、在GaN層上的鑽石層和與該GaN層和該鑽石層接觸的閘極結構。

另一方面，本發明揭示一種裝置，其包括氮化鎵(GaN)層、在GaN層上的鑽石層和與該GaN層和該鑽石層接觸的閘極結構。

另一方面，本發明揭示一種方法，其包括將鑽石層置於氮化鎵(GaN)的第一表面上；移除一部分的鑽石層使得GaN的第一表面外露；和形成與GaN的第一表面及鑽石層接觸之閘極結構。

熱絲化學氣相沉積(CVD)法曾被用以形成低於1密耳的鑽石層，該鑽石層用於氮化鎵(GaN)層上。欲有效地作為散熱器，鑽石層必須高於2密耳。此外，熱絲CVD法的本質製造呈黑色的鑽石，例如，其被熱絲CVD法中使用的材料(如，鎢)所污染。通常，所製得的這些“骯髒的”鑽石層的導熱性低於純鑽石。通常，使用熱絲CVD法的鑽石層的導熱性係約800至1000瓦/米-K。

已經知道微波電漿CVD法能夠以比熱絲CVD法快得多的速率製造4密耳或更高之更厚的鑽石層。此外，此鑽石層的純度高於熱絲CVD法製造者，且製得的鑽石層之導熱性高於1500瓦/米-K。一實例中，使用微波電漿CVD法製造的鑽石的導熱性為使用熱絲CVD法製造的鑽石的導熱性的兩倍。但是，對於直接沉積在GaN上的CVD法(包括微波電漿CVD法)所知相當有限。例如，使用熱絲CVD沉積鑽石基本上係在最終與GaN層配置的一些其他材料(如，矽、碳化矽..等)上進行。由於對於使用微波電漿CVD法使鑽石直接沉積在GaN上所知仍相當有限，所以開發和測試使鑽石直接沉積在GaN上之可靠和成功方法的實用相當高。估計發展使鑽石直接沉積在GaN上的方法之成本和費用的一個方式係使用微波電漿CVD法將鑽石沉積在，例如，使用熱絲CVD法製造之較差的鑽石層上。

此處使用的GaN層可包括純GaN、摻雜的GaN或與其他元素合倂的GaN(如AlGaN)或它們的任何組合。矽基板可包括純矽、經摻雜的矽、二氧化矽、碳化矽或矽與其他元素的任何組合或它們的任何組合。

參考圖1A和1B，一實例中，用以形成裝置(如，高頻裝置、高電子移動電晶體(HEMT)、微波裝置..等)的結構10包括第二鑽石層12、與第二鑽石層相鄰的第一鑽石層14及與第一鑽石層相鄰的GaN層16。此構造中，GaN層16製造的熱通過由第一和第二鑽石層12、14形成的散熱器。另一實例中，用以形成裝置(高頻裝置、HEMT電晶體、微波裝置..等)的結構20類似於結構10，但其包括介於第一鑽石層和GaN層16之間的中間層22。中間層22為必須者，此因直接在GaN上製造鑽石不易進行，因為可預期性和一致性低。中間層22可以簡單地為黏著層，其使得第一鑽石層14固定於易放置鑽石的GaN層16或矽型結構。有時，該中間層22的導熱性低於鑽石層12、14，使其留住更多的熱；或換言之，GaN層16的熱轉移被中間層22所防礙。因此，使結構10中的中間層22最小化或完全不具有中間層為佳。

參考圖2和3A至3D，一製造具有第一鑽石層和第二鑽石層之GaN層的方法係方法100。使用熱絲CVD法將第一鑽石層14(如，5至20微米厚的層)沉積在載有矽的絕緣體(SOI)基板122上(102)(圖3A)。自SOI基板122移除絕緣體(未示)(如，二氧化矽)留下例如矽基板122’(104)(圖3B)。使用微波電漿CVD將第二鑽石層12沉積在第一鑽石層14上(108)(圖3C)。GaN層在剩餘的SOI基板(矽基板122)上生長(112)(圖3D)。

參考圖4和5A至5H，另一製造具有第一鑽石層和第二鑽石層之GaN層的方法係方法200。GaN16在第一基板230上生長(202)(圖5A)。一實例中，該第一基板可為碳化矽、矽或藍寶石。矽層232(如，矽、碳化矽..等)置於GaN上(204)(圖5B)。一實例中，矽層232使用黏著劑接合至GaN 16。另一實例中，矽層232在GaN 16上生長。其他實例中，其他材料(如，玻璃)可用以代替矽層232。移除第一基板230(208)，(例如，藉由蝕刻)留下GaN/矽結構250(圖5C)。熱絲CVD用以使第一鑽石層14沉積在第二基板234上(212)(圖5D)。例如，第二基板234係500微米厚的矽基板。使用微波電漿CVD法使第二鑽石層12沉積在第一鑽石層14上(218)(圖5E)。移除第二基板234(例如，藉由蝕刻)(218)(圖5F)。第一和第二鑽石層12、14接合至GaN/矽結構250(224)(圖5G)。例如，使用黏著劑，第一鑽石層14接合至GaN 16。移除矽層232(例如，藉由蝕刻)(228)(圖5H)。

參考圖6和7A至7F，製造具有鑽石層的GaN層的另一方法係方法300。方法300類似於方法200，但第三鑽石層316置於與已有第一和第二鑽石層14、12的第二GaN表面304(如，底面)相反的第一GaN表面302(如，頂面)上(圖7F)。例如，流程方塊202、204和208以與方法200相同的方式進行。特別地，GaN 16在第一基板230上生長(202)(圖7A)，矽層232置於GaN 16上(204)(圖7B)；且移除第一基板230(208)(例如，藉由蝕刻)留下GaN/矽結構250(圖7C)。

矽/GaN結構250浸在溶液中並施以超音波(302)。藉由在沉積之前處理表面(如，流程方塊314)，沉積期間內在GaN 16上形成鑽石層316的機會較大。一實例中，此溶液係包括鑽石粒子(如，奈米鑽石粒子(10^-9 米))的異丙醇溶液。

第三鑽石層316置於矽/GaN結構250上(314)(圖7D)。例如，使用微波電漿CVD法使第三鑽石層316於溫度約600℃至約650℃沉積在GaN 250上。移除矽層232(例如，藉由蝕刻)(228)(圖7E)。

第一和第一鑽石層14、12(例如，使用流程方塊212、214和218形成者)接合至剩餘的GaN/形成鑽石之鑽石結構/GaN/鑽石/鑽石結構360(334)(圖7F)。例如，使用黏著劑，第一鑽石層14接合至GaN 16。第一鑽石層14接合至與已佈署第三鑽石層316的第一表面302相反的第二表面304。藉由具有鑽石層316置於與鑽石層12、14相反的表面上，熱更有效地自鑽石/GaN/鑽石/鑽石結構360形成的裝置排除。

參考圖8及9A至9D，製造具有鑽石層的GaN層的另一方法係方法370。碳化矽/GaN結構380包括GaN層16和置於GaN 16的第二表面的碳化矽層328(圖9A)。碳化矽/GaN結構380浸在具有奈米鑽石粒子的異丙醇溶液中(如，流程方塊312中使用的溶液)並施以超音波(372)。第三鑽石層316置於GaN 16上(374)(圖9B)。移除碳化矽層382(例如，藉由蝕刻)(376)(圖9C)。使用流程方塊212、214和218(例如)，形成第一和第二鑽石層14、12。第一和第二鑽石層14、12接合至GaN/鑽石350以形成鑽石/GaN/鑽石/鑽石結構360(334)(圖9D)。

參考圖10，鑽石/GaN/鑽石/鑽石結構360可以用製造裝置，如，高頻裝置、高電子移動電晶體(HEMT)、微波裝置..等。例如，鑽石層316可以直接與裝置整體化且不僅用以移除熱，同時作為介電物，例如，用於電容器。例如，鑽石的介電常數約5.7，此接近常用於GaN裝置之氮化矽膜之約7的介電常數；但是，鑽石膜的導熱性高於氮化矽膜。一些實例中，移除鑽石層316的一部分(例如，使用氧電漿)且GaN 16表面302外露。

一實例中，包括電源404、汲極406和閘極408(如，T-閘極)之裝置400(如，HEMT裝置)在金屬化步驟中沉積在GaN層16表面302上。在移除一部分的鑽石層之後，閘極408形成於鑽石層316中，藉此而使得GaN外露。此實例中，移除一部分的鑽石層316，將鑽石層分成各具有寬度W的兩個鑽石層316a、316b。此構造中，鑽石層316a、316b可作為介電層及藉由自閘極408移除熱而作為散熱器。一些實例中，鑽石層316a、316b的寬度可以不相等。一實例中，閘極408的一部分與鑽石層316a、316b相鄰並接觸且閘極408的其他部分形成介於閘極和鑽石層316a、316b之間的間隙410a、410b(如，氣隙)。一實例中，閘極408、間隙410a、410b、鑽石層316a、316b形成電容器構造。嫻於此技術者將瞭解形成這些間隙410a、410b的數種方法。例如，在金屬化而形成閘極408之前，可以使材料(如，光阻物)位於鑽石層316表面上。形成閘極408之後，移除材料而形成間隙410a、410b。其他實例中，裝置400不包括間隙410a、410b，因此，閘極408直接位於鑽石層316a、316b的表面上。又其他實例中，其他材料可填滿間隙410a、410b，其可作為或不作為電容器。

參考圖11和12，裝置400’類似於裝置400，其GaN層16包括AlGaN層412和純GaN層416。AlGaN 412以外的其他GaN型材料可加至GaN層416中。GaN層416亦可以摻雜的GaN或其他GaN型材料代替。藉由散佈來自閘極的熱，第三鑽石層316a、316b可用以顯著降低閘極408的溫度。圖500描繪出使用裝置400’，熱效應與鑽石層316a或316b的寬度(W)之間的關係。介於閘極408和電源404之間的距離(D)是1.875微米而介於鑽石層316a、316b之間的距離(G)是0.25微米。曲線502代表0.05微米鑽石層而曲線504代表0.25微米鑽石層。相較於不具有鑽石層316a、316b者，0.25微米鑽石層使得輸出功率提高20%並使得耐熱性降低15%(於5瓦/毫米，>25℃)。相較於不具有鑽石層316a、316b者，0.05微米鑽石層使得耐熱性降低10%(於5瓦/毫米，>25℃)。

此處所述方法不限於此處描述的特定體系。例如，方法不限於圖2、4、6和8中的方法步驟之特定程序順序。反而，視須要地，圖2、4、6和8的方法步驟中之任何者可經重排、合倂或移除，同時或先後進行，以達到前述結果。

已出示本發明並以具有已給定順序的某些組件之具有例示產物之特別的體系描述本發明，瞭解涵蓋具有更多或較少組件、具有不同類型的組件及以各種排列整合的其他體系屬於本發明之範圍內。這樣的體系為嫻於此技藝之人士顯見者。此處未特定描述的其他體系亦屬下列申請專利範圍之範圍內。

10．．．結構

12．．．第二鑽石層

14．．．第一鑽石層

16．．．氮化鎵(GaN)層

20．．．結構

22．．．中間層

100．．．方法

102．．．第一鑽石層沉積在載有矽的絕緣體(SOI)基板上

104．．．自SOI基板移除絕緣體

108．．．第二鑽石層沉積在第一鑽石層上

112．．．GaN層在剩餘的矽基板上生長

122．．．載有矽的絕緣體

122’．．．矽

200．．．方法

202．．．在第一基板上生長GaN

204．．．矽層置於GaN上

208．．．移除第一基板

212．．．第一鑽石層沉積在第二基板上

214．．．第二鑽石層沉積在第一鑽石層上

218．．．移除第二基板

224．．．第一和第二鑽石層接合至GaN/矽

228．．．移除矽層

230．．．第一基板

232．．．矽

234．．．第二基板

250．．．GaN/矽結構

300．．．方法

302．．．第一表面

304．．．第二表面

312．．．對矽/GaN施以超音波處理

314．．．第三鑽石層置於矽/GaN上

316．．．第三鑽石層

316a．．．鑽石層

316b．．．鑽石層

334．．．第一和第二鑽石層接合至GaN/鑽石

360．．．矽/GaN/鑽石結構

370．．．方法

372．．．對碳化矽/GaN施以超音波處理

374．．．將第三鑽石層放置於碳化矽/GaN上

376．．．移除碳化矽

380．．．碳化矽/GaN結構

382．．．碳化矽

400．．．裝置

400’．．．裝置

404．．．電源

406．．．汲極

408．．．閘極

410a．．．間隙

410b．．．間隙

412．．．AlGaN層

416．．．純GaN層

W．．．寬度

D．．．距離

G．．．距離

500．．．圖

502．．．曲線

504．．．曲線

圖1A係具有第一鑽石層和第二鑽石層之氮化鎵(GaN)層的一個實例的示意圖。

圖1B係具有第一鑽石層和第二鑽石層之GaN層的另一實例的示意圖。

圖2係製造係具有第一鑽石層和第二鑽石層之GaN層之方法例的流程圖。

圖3A至3D係對應於圖2之方法的示意圖。

圖4係製造係具有第一鑽石層和第二鑽石層之GaN層之另一方法例的流程圖。

圖5A至5H係對應於圖4之方法的示意圖。

圖6係使鑽石沉積在另一表面上之方法例的流程圖。

圖7A至7F係對應於圖6之方法的示意圖。

圖8係使鑽石沉積在另一表面上之另一方法例的流程圖。

圖9A至9D係對應於圖6之方法的示意圖。

圖10係具有鑽石層的裝置例。

圖11係具有鑽石層的另一裝置例。

圖12係具鑽石層者之熱效能的描繪圖。

404．．．電源

316a、316b．．．鑽石層

410a、410b．．．間隙

406．．．汲極

408．．．閘極

302．．．第一表面

16．．．氮化鎵(GaN)層

14．．．第一鑽石層

12．．．第二鑽石層

Claims (21)

1. 一種方法，其包含：製造一裝置，其包含：氮化鎵(GaN)層；在GaN層上的第一鑽石層；和與該GaN層和該第一鑽石層接觸的閘極結構，其中該製造包含：沉積第一鑽石層進一步包含使第一鑽石層沉積在GaN的第一表面上；和使第二鑽石層沉積在GaN層的第一表面反面之GaN層的第二表面上。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該沉積包含使用微波電漿化學氣相沉積法(CVD)使該鑽石層沉積在GaN層上。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該沉積包含沉積高於1,000埃的鑽石層。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中使第二鑽石層沈積於GaN層的第一表面反面之GaN層的第二表面上包含使GaN層的第二表面與具有第一導熱性的第二鑽石層及置於其上的具有高於第一導熱性之第二導熱性的第三鑽石層接合。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中製造包含GaN層之裝置包含製造包含含有未摻合的GaN、摻合的GaN或與另一元素合併的GaN中之至少一者之GaN層之裝置。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中製造裝置包含製造高頻裝置、高電子移動電晶體(HEMT)或微波裝置中之一者。
7. 一種方法，其包含：將第一鑽石層置於氮化鎵(GaN)的第一表面上；移除一部分的該第一鑽石層使得GaN的第一表面外露；形成與GaN的第一表面及該第一鑽石層接觸之閘極結構；和使第二鑽石層與GaN層的第一表面反面之GaN層的第二表面接合。
8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中進一步包含自鑽石/GaN結構製造高頻裝置、高電子移動電晶體(HEMT)或微波裝置中之至少一者。
9. 如申請專利範圍第7項之方法，其中移除一部分的鑽石層使得GaN表面外露包含使用氧電漿移除一部分的鑽石層。
10. 如申請專利範圍第7項之方法，其中設置鑽石層包含沉積鑽石層。
11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中進一步包含在沉積鑽石層之前，對浸在包含奈米鑽石粒子的溶液中之GaN施以超音波。
12. 如申請專利範圍第7項之方法，進一步包含：在第一基板上生長GaN； 將材料層置於GaN上；和移除第一基板。
13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中在第一基板上生長GaN包含在碳化矽、矽或藍寶石之一上生長GaN。
14. 如申請專利範圍第12項之方法，其中將材料層置於GaN上包含設置矽層或玻璃層之一。
15. 如申請專利範圍第12項之方法，進一步包含移除材料層以形成鑽石/GaN結構。
16. 一種裝置，包含：氮化鎵(GaN)層；在GaN層上的第一鑽石層；與該GaN層和該第一鑽石層接觸的閘極結構，其中該閘極和該第一鑽石層置於GaN層的第一表面上；和具有第一導熱性的第二鑽石層且其置於GaN層的第一表面反面之GaN層的第二表面上。
17. 如申請專利範圍第16項之裝置，進一步包含所具有的第二導熱性比第一導熱性為高且位於第二鑽石層上的第三鑽石層。
18. 如申請專利範圍第16項之裝置，進一步包含介於該第二鑽石層和該GaN層之間的中間層。
19. 如申請專利範圍第16項之裝置，其中該第二鑽石層高於2密耳且該第一鑽石層低於1密耳。
20. 如申請專利範圍第16項之裝置，其中該裝置係高 頻裝置、高電子移動電晶體(HEMT)或微波裝置之一。
21. 如申請專利範圍第16項之裝置，其中該GaN層包含未摻合的GaN、摻合的GaN或與另一元素合併的GaN中之至少一者。