技术领域
[0001] 本
发明涉及
半导体器件及其制备领域，尤其涉及一种氮化镓基垂直器件及其制备方法。
背景技术
[0002] 氮化镓(GaN)作为一种宽禁带化合物半导体材料，具有高击穿场强和
电子迁移率，在LED照明领域已经拥有广阔的市场，同时在高频通信和功率转换领域也有巨大的应用前景。由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，所以，目前商业化的GaN基器件基本都是采用
异质外延的结构(例如蓝
宝石、Si、SiC等)。
[0003] 其中，最常用的
异质结构是与GaN晶系结构相容的蓝宝石衬底。由于蓝宝石是绝缘体，常温下
电阻率较大，导致无法在外延结构的蓝宝石面制作
电极，制造垂直器件。通常只能在外延层的表面上制作电极，形成
水平结构的器件。对于应用在高
频率、高
电压、大功率的功率转换装置上时，通常要求GaN器件具有较高的耐压等级，承受较高的
电场强度。而水平器件往往需要较大的面积，才能维持较大的表面电场。其次，采用水平结构的LED发光
二极管器件，存在有效发光面积较小，使材料的利用率降低的问题。另外，蓝宝石热导率约为0.25W/cm·K(@100℃)，导热性能较差，在大功率器件制造中如果采用蓝宝石作为衬底，会面临严重的
散热问题。
[0004] 通常使用激光剥离技术将蓝宝石异质衬底进行剥离，来制作满足要求的垂直器件。激光剥离技术是对形成于蓝宝石衬底上的GaN化合物
缓冲层(通常是GaN的应
力缓冲层)，从蓝宝石衬底背面进行照射激光，利用激光
能量分解蓝宝石衬底和GaN化合物缓冲层界面将其剥离。采用激光剥离蓝宝石的技术面临两个主要的挑战：一是GaN化合物缓冲层的
热膨胀系数与蓝宝石的
热膨胀系数不同，且GaN化合物缓冲层通常较薄(只有几个μm左右)，在剥离期间由于
应力释放而出现外延层弯折的现象；另一个是，由于蓝宝石衬底和GaN化合物缓冲层结合紧密，通常需要较大的激光能量才能够将界面完全分开，而较大的激光能量会造成GaN化合物缓冲层的表面损伤较大，影响器件的性能。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种氮化镓基垂直器件及其制备方法，以至少部分解决上述问题。
[0006] 在一方面，本发明提供了一种氮化镓基垂直器件，包括：
[0007] 氮化镓化合物缓冲层；
[0008] 氮化镓掺杂层，与该氮化镓化合物缓冲层相
接触；
[0009] 第一电极，设置与该氮化镓掺杂层相接触；以及
[0010] 第二电极，设置与该氮化镓化合物缓冲层相接触。
[0011] 进一步的，该氮化镓基垂直器件还包括：
[0012] 载板；
[0014] 载板互联线，贯穿该
钝化层，所述载板互联线连接该第一电极和载板；以及[0015]
支撑层，设置于该钝化层上，具有开孔结构，特别地，该开孔结构暴露该钝化层中的载板互联线。
[0016] 更进一步的，在基于上述结构的氮化镓基垂直器件中，其中：
[0017] 开孔结构与第一电极在
位置上一一对应；
[0018] 且开孔结构的开孔高度大于第一电极的高度；
[0019] 第一电极和载板互连线在开孔结构中通过
焊膏相连。
[0020] 另有，其中，氮化镓掺杂层为p型掺杂或者n型掺杂，载板的材料为
硅、FR4级耐燃材料或者
树脂。
[0021] 另一方面，本发明提供了一种实现上述氮化镓基垂直器件的制备方法，包括：
[0022] 取一蓝宝石衬底，特别地，该蓝宝石衬底的一面具有多个凹槽结构，具体表现为：
[0023] 该凹槽结构的深度为1nm-50nm；
[0024] 该凹槽的面积总和占整个该蓝宝石衬底的面积的30％-80％。
[0025] 在该蓝宝石衬底具有凹槽结构的一面制备氮化镓外延结构，进一步地包括：
[0026] 在该蓝宝石衬底具有凹槽结构的一面
外延生长氮化镓化合物缓冲层；
[0027] 在该氮化镓化合物缓冲层上外延生长氮化镓掺杂层；
[0028] 在该氮化镓掺杂层表面形成第一电极。
[0029] 制备载板结构，进一步地包括：
[0030] 在载板上沉积多层介质膜形成介电支撑层，该介电支撑层包括钝化层和支撑层；
[0031] 在制造该钝化层的同时形成贯穿该钝化层的载板互联线；
[0032] 在该支撑层上预留开孔结构，该开孔结构暴露该载板互联线；
[0033] 其中，该开孔结构与该第一电极在位置上一一对应，该载板互联线同时与载板相接触。
[0034] 将上述氮化镓外延结构键合至上述载板结构上，进一步表现为：
[0035] 将氮化镓外延结构的第一电极键合至载板结构的开孔结构位置，且与载板互联线通过焊膏相连。
[0036] 之后，对蓝宝石衬底面进行激光照射，剥离该蓝宝石衬底。
[0037] 再在原蓝宝石衬底的位置进行
表面处理并形成第二电极。
[0038] 至此，完成该氮化镓基垂直器件的制备。
[0039] 本发明提供的该氮化镓基垂直器件及其制备方法，具有以下有益特点：
[0040] (1)垂直器件的结构构造，相对于氮化镓基水平器件，可以在不增大表面面积情况下，仅通过增加垂直方向上材料的厚度，就能维持较高的耐压等级，且表面面积的固定液有利于提高表面材料的利用率；
[0041] (2)垂直器件的结构构造，剥离了蓝宝石衬底，散热问题得到有效解决；
[0042] (3)制备时使用一面具有凹槽结构的蓝宝石衬底，并使用蓝宝石衬底的凹槽面进行外延生长，可明显降低在激光剥离时出现的外延层弯折现象的概率；
[0043] (4)激光剥离工艺中的激光能量强度可进行事先测试调节，通过调节合适的激光强度，并结合表面处理工艺及凹槽的设计，可显著改善激光剥离工艺对GaN外延结构造成的损伤，提高垂直器件的制造良率。
附图说明
[0044] 图1是本发明一
实施例制备氮化镓外延结构的工艺
流程图；
[0045] 图2是本发明一实施例制备载板结构的工艺流程图；
[0046] 图3是将图1中的氮化镓外延结构键合至图2中的载板结构的初步形成图；
[0047] 图4是对图3中的初步形成结构进行激光剥离工艺；
[0048] 图5是对图4激光剥离蓝宝石衬底后的氮化镓化合物缓冲层进行表面处理；
[0049] 图6是在图5表面处理的氮化镓化合物缓冲层上形成背面电极；
[0050] 图7是对图6结构分割得到独立的氮化镓基垂直器件；
[0051] 图8是本发明一实施例氮化镓基垂直器件总体结构图。
[0052] 图中：
[0053] 蓝宝石衬底11 氮化镓化合物缓冲层12
[0054] 氮化镓掺杂层13 第一电极14
[0055] 第二电极15 载板21
[0056] 钝化层22 载板互联线23
[0057] 支撑层24 开孔结构25
[0058] 测试用的焊盘31 焊膏32
具体实施方式
[0059] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0060] 为了解决背景技术中提到的各类问题的至少之一，本发明一实施例提供了一种氮化镓基垂直器件，有关该器件的具体结构可参见图7中的独立模
块所示，具体地，请参见图8，该氮化镓基垂直器件包括：
[0061] 氮化镓化合物缓冲层12；
[0062] 氮化镓掺杂层13，与该氮化镓化合物缓冲层12相接触，一些实施例中，该氮化镓掺杂层13为P-GaN掺杂或者n-GaN掺杂；
[0063] 第一电极14，设置与该氮化镓掺杂层13相接触；以及
[0064] 第二电极15，设置与该氮化镓化合物缓冲层12相接触。
[0065] 一些本实施例中，该氮化镓化合物缓冲层12、氮化镓掺杂层13、第一电极14和第二电极15共同构成氮化镓外延结构，从图7进一步可知，该氮化镓外延结构键合在一载板结构上，与载板结构一起共同构成完整的该氮化镓基垂直器件。其中，该载板结构进一步包括：
[0066] 载板21，一些实施例中，该载板21的材料为硅、FR4级耐燃材料或者树脂；
[0067] 钝化层22，设置于该载板21上；
[0068] 载板互联线23，贯穿该钝化层22，该载板互联线23连接第一电极14和载板21；以及[0069] 支撑层24，设置于该钝化层22上，具有开孔结构25，特别地，该开孔结构25暴露该钝化层22中的载板互联线23。
[0070] 一些实施例中，开孔结构25与第一电极14在位置上一一对应，且开孔结构25的开孔高度大于第一电极14的高度，优选地，第一电极14和载板互连线23在开孔结构25中通过焊膏32相连。也即，在一些实施例中，在支撑层24中制作开孔结构25(请参见图3，其余图中未标示)的开孔位置根据第一电极14的电极位置及大小来进行设置，同时考虑贯穿钝化层22的载板互联线23的位置，使得氮化镓外延结构的第一电极14和载板结构中的载板互联线
23通过该开孔结构25实现牢固的键合，同时，载板互联线23对第一电极14和载板21的连接，也可实现基本的器件功能。
[0071] 基于上述氮化镓基垂直器件，本发明另一实施例提供了一种实现该氮化镓基垂直器件的制备方法，该制备过程通过激光剥离技术实现，请参照图1-图7，具体包括如下工艺步骤：
[0072] 步骤一：取一蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上制备氮化镓外延结构用于制造功率器件，具体地，请参照图1，该步骤包括：
[0073] a)准备蓝宝石衬底。
[0074] 设定用于生长氮化镓(GaN)外延层的晶面为蓝宝石
正面，在蓝宝石正面采用工业界成熟的图形化工艺和
刻蚀工艺技术，通过
光刻和干(湿)法刻蚀形成在蓝宝石正面形成深度在1nm-50nm左右的凹槽。凹槽的正面形状包括圆形、矩形或三
角形等且不限于此，正面凹槽的面积总和占整个被刻蚀的蓝宝石衬底面积的30％-80％，侧面轮廓为下方具有一定弧度的椭圆形
深槽。
[0075] b)制备氮化镓外延结构。
[0076] 采用典型的金属有机物化学气相沉淀MOCVD方法，在步骤a)完成的蓝宝石衬底有凹槽的一面上生长一层氮化镓化合物缓冲层(通常为1um-5um)。用同样的方式在氮化镓化合物缓冲层上生长单晶氮化镓层(通常为0.1um～3um)，并通过一定浓度的P型或者n型掺杂形成P-GaN掺杂或者n-GaN掺杂。
[0078] 在GaN层表面通过典型的光刻工艺、金属工艺(溅射、
蒸发、电
镀、沉积任一种)、
退火工艺形成正面接触电极(即第一电极14)。电极金属由Al、Ag、Pd、Pt、Ti、Ni、Au、Cu、Cr中的一种或多种元素的
合金构成。厚度约为0.1um-5um。
[0079] 步骤二：制备载板结构用于承载激光剥离前后的GaN外延结构，具体地，请参照图2，该步骤包括：
[0080] d)载板准备。
[0081] 要求载板由高电阻率的绝缘基材材料构成，一般为高阻硅、FR4、树脂等材料。
[0082] e)载板上介电支撑层制造。
[0083] 在载板正面沉积多层介质膜，形成介电支撑层，一方面介质具有较好的绝缘性。另一方面，介质膜厚度要求超过氮化镓外延结构的电极厚度，保证介质能够最大程度的支撑氮化镓外延结构，通过该介电支撑层完成图2中钝化层22、载板互联线23和支撑层24及开孔结构25的制造。
[0084] f)载板互联线形成。
[0085] 采用
电镀铜工艺形成金属互联线，该工艺与钝化层制造工艺同时进行。将氮化镓外延结构的电极，通过载板上的载板互联线引出至其他没有放置外延结构的载板位置上，目的是为了后续进行电学性能测量或者可集成其他组件。同时在介电支撑层上预留外延结构的电极开孔，为后续GaN外延结构贴装在载板上准备。
[0086] 步骤三：将上述氮化镓外延结构键合至上述载板结构上，具体地，请参照图3，该步骤包括：
[0087] g)氮化镓外延结构倒装至载板结构。
[0088] 采用典型的倒装贴片工艺，电极大小控制在50um*50um-250um*250um范围内，满足当前量产的倒装贴片工艺能力。在载板开孔位置通过丝网印刷的方式预先涂覆一定的焊膏32，随后将氮化镓外延结构的
欧姆接触电极(即第一电极14)与步骤f)载板形成的电极开孔进行对准，并放置在预先设计的开孔位置上，电极与开孔位置的焊膏相接触。
[0089] h)键合。
[0090] 采用
回流焊工艺(通常最高温区的
温度设置为250℃，回流时间10min左右)，将步骤g)贴片后的结构放入回流炉，达到外延结构与载板键合的目的。此步骤的回流温度和回流时间与GaN外延结构上电极的金属材料种类、载板上介质材料的种类以及结构的尺寸有关，可通过多次试验调节键合的牢固程度。
[0091] 步骤四：对蓝宝石衬底面进行激光照射，剥离该蓝宝石衬底，具体地，请参照图4，表现为：
[0092] i)激光剥离工艺。
[0093] 从蓝宝石衬底背面进行照射激光，利用激光能量分解蓝宝石衬底和GaN缓冲层界面将其剥离。可根据剥离前后的GaN缓冲层的工艺损伤(应力、表面粗糙程度等)，调节激光能量的强度。
[0094] 步骤五：GaN化合物缓冲层表面处理，请参照图5，表现为：
[0095] 采用化学
腐蚀的方法处理剥离后的GaN化合物缓冲层表面，降低表面粗糙度，修复晶格损伤。
[0096] 步骤六：背面电极形成，请参照图6，表现为：
[0097] 在处理后的GaN化合物缓冲层表面通过典型的光刻工艺、金属工艺(溅射、蒸发、电镀、沉积任一种)、退火工艺形成背面接触电极。电极金属由Al、Ag、Pd、Pt、Ti、Ni、Au、Cu、Cr中的一种或多种元素的合金构成。厚度约为0.1um-5um。
[0098] 步骤七：划片测试，请参照图7，表现为：
[0099] 将载板按照器件区域进行划片，形成可以独立工作的分立功率器件，并进行相应的电学测试。
[0100] 至此，完成本发明的氮化镓基垂直器件的制备。需要说明的是，制备过程中，蓝宝石衬底仍可替换为Si、SiC等，该氮化镓基垂直器件中各个结构的材料选择也不限于实施例中所提到的，制备过程亦可通过多种方式实现，制备顺序等均不受上文所限。
[0101] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
