[发明专利]将碳化硅薄层移植到其他衬底上的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种将碳化硅薄层移植到其他衬底上的方法。

背景技术

节能灯的节能效果相对于普通荧光灯有了大幅度的提升，也是目前技术最成熟、最具有大规模推广价值的照明产品。但新兴的LED(Light EmittingDiode发光二极管)照明产业更被认为是当前能源短缺和环境压力下，照明行业惟一可持续性发展的新一代绿色光源，是未来照明行业的发展方向。在同样亮度下，LED照明耗电仅为普通白炽灯的1/10，使用寿命是白炽灯的80-100倍。在全球能源危机、环保要求不断提高的情况下，寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富、微型化的半导体LED照明已被世界公认为是继火、白炽灯之后人类照明史上第三次照明革命。

但是由于LED技术不成熟，加上高昂的造价，使得高功率LED迟迟没法替代现有白炽灯和荧光灯，其中，衬底的选择与造价是最主要原因之一。

衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬底材料的选择主要取决于以下九个方面：

1、结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小；

2、界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强；

3、化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀；

4、热学性能好，包括导热性好和热失配度小；

5、导电性好，能制成垂直结构；

6、光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小；

7、机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；

8、价格低廉；

9、大尺寸，一般要求直径不小于2英寸。

常用的衬底有以下三种：

1、蓝宝石(Al₂O₃)，蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。

使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。

蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件，通常只在外延层上表面制作n型和p型电极(如图1所示)。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30％～40％的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。

蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割(从400nm减到100nm左右)，添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。

蓝宝石的导热性能不是很好(在100℃约为25W/(m·K))。因此在使用LED器件时，难以传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素，但差导热性使大功率的LED没法在这一衬底上有实用性的价值。

2、硅衬底(Si)是一大家向往的材料，具有许多优点，如晶体质量高，尺寸大，易加工，具有良好的导电性、导热性和热稳定性等，但最吸引人的特点是，价钱几乎是碳化硅的百分之一。但其致命缺陷是晶格匹配(跟发光材料、GaAs、GaN...)程度不够好，存在巨大的晶格失配和热失配，而且在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率低。所以没法生产出高质量的LED，因为发光材料在硅上直接生长的过程会形成较多的缺陷。所以至今我们还没有看到大功率密度的发光材料从硅片上生产出来。