一种GaN/金刚石膜复合片的制备方法

摘要

一种GaN/金刚石膜复合片的制备方法，属于半导体基础电路用基体材料制备领域。通过喷射电弧等离子体对GaN的湮没钝化实现高导热金刚石的直接生长，工艺步骤为：a.利用喷射电弧等离子体激活的碳原子基团CH*、CH₂*和CH₃*对GaN衬底进行轰击，实现表面湮没钝化，形成碳注入GaN结构；b.等离子体中引入氮源实现氮离子或原子在GaN表面高浓度吸附，避免GaN分解；c.以GaN中建立的碳‑碳键网络为基础，利用含碳基团的快速输运，实现无界面高导热金刚石膜的高密度形核和生长；d.沉积结束后，利用等离子体原位加热GaN/金刚石膜复合片，缓解金刚石膜快速生长过程中的生长应力；e.对于非自支撑GaN单晶，需去除衬底及真空退火消除残余应力。

主权项

一种GaN/金刚石膜复合片的制备方法，其特征在于在宽禁带半导体GaN衬底上通过等离子体湮没钝化直接生长高导热金刚石薄膜，GaN衬底分为带衬底外延GaN单晶层和自支撑GaN单晶衬底，具体包括以下步骤：步骤1：GaN衬底清洗与预处理；1.1将所选用的厚度5‑300μm，直径0.5‑4英寸单晶GaN衬底进行清洗；1.2对清洗后的GaN衬底进行表面预处理；步骤2：GaN衬底等离子体湮没钝化过程；将经过预处理的GaN衬底放置于等离子体喷射沉积装置中，阳极与衬底的距离为15‑50mm，抽真空至0.1Pa时，通入氢气和氩气引燃电弧，并迅速通过提升电弧电流升高温度，待温度达到650℃时，通入甲烷与高浓度氮源，进行GaN衬底的钝化过程；甲烷经等离子体活化和离解，产生激活的碳原子基团CH*、CH₂*和CH₃*，与GaN表面发生轰击和扩散作用，形成利于碳原子基团进一步链接的碳‑碳键网络结构；通入高浓度氮源，经等离子体活化，成为氮离子和原子，吸附于GaN表面，促进GaN分解反应的逆过程，阻止GaN分解；步骤3：高导热金刚石膜的形核与生长；3.1经喷射电弧等离子体湮没钝化后，GaN表面形成的碳‑碳键网络层降低了表面金刚石的形核能量，创造形核的有利条件；此时关闭氮源，并迅速提高甲烷气体流量，通过增加含碳原子团的输运速率和密度，促进等离子体中含碳基团与GaN表面碳‑碳键的链接，实现GaN衬底表面金刚石快速形核；3.2形核结束后，GaN表面已生长一层由非晶碳与金刚石混合的金刚石形核层，此时降低甲烷气体流量，高导热金刚石膜通过喷射电弧等离子体中碳原子基团在形核层上碳‑氢原子的取代反应进行稳定生长；步骤4：GaN/金刚石膜复合片热处理；金刚石薄膜生长结束后，关闭甲烷，再次通入氮源，使用喷射电弧等离子体对GaN/金刚石膜复合片进行加热处理，通过等离子体环境下原位加热，使得金刚石膜内部的生长应力得以释放，得到性能合格的GaN/金刚石膜复合片，实现GaN衬底上无热阻界面的高导热金刚石膜的直接生长。