[发明专利]一种氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料的制备技术，尤其涉及一种氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法。

背景技术

由In-Al-Ga-N构成的氮化镓(GaN)基四元合金体系宽禁带半导体材料已经成为半导体照明、高密度光存储、高电压大功率新型半导体器件的重要材料基础。由GaN基材料制成的半导体器件，例如高亮度蓝光/白光发光二极管(LED)，蓝光/紫光激光二极管，紫外探测器，高迁移率晶体管，高功率晶体管，高电压晶体管等已获得较为广泛的应用。

由于GaN材料无法获得体生长的单晶材料，目前其材料的制备均以外延材料为主，外延衬底主要为单晶蓝宝石(α-Al₂O₃)、单晶硅(111Si)、单晶碳化硅(SiC)等，外延技术主要为金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等。蓝宝石优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟；不足方面也很多，如很大的晶格失配(16％)目前采用过渡层生长技术来克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过激光划片来克服，很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。除了蓝宝石衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第2，目前还未有第三种衬底用于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体品质难以达到Al₂O₃和Si那么好、机械加工性能比较差。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要像Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题。所以在高功率器件的应用方面SiC衬底比Al₂O₃衬底更具有优势。但是高质量的SiC单晶材料的制备也是难点，目前国际上能提供商用的高品质的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司，价格是相同尺寸Al₂O₃衬底的几倍甚至十几倍。

法国SOITEC公司提出的氢离子注入与键合的注氢智能剥离技术(Smart-cut)在绝缘体上硅(SOI)材料制备中获得了广泛的应用。他们也将这种技术转移到了GaN基材料衬底的制备中，专门针对高功率GaN器件的应用。其方法如图1所示，需要一块标准厚度的单晶硅片(111晶向)，作为初始硅片4，需要一片由多晶SiC制备的衬底晶圆5。在初始硅片4上用CVD方法在其表面形成一层硅的氧化物沉淀(SiO2)6，在氧化层附近注入氢离子(H+)，清洗已有氧化层和氢离子的硅片，将其与之衬底晶圆5键合，形成绝缘体上硅材料7。随后进行高温退火，氢离子蹦离的操作(蹦离下来的初始硅片可以反复使用)得到多晶SiC衬底的SOI晶片，再次退火，抛光即可得到用于GaN材料外延使用的衬底。此方法采用多晶SiC做为衬底材料，可以有效地降低成本，但又可以利用SiC材料本身良好的导热性。GaN材料外延在由Sart-cut方法剥离下来的单晶Si衬底上，以获得好的外延材料质量。但是GaN与Si仍然存在18％的晶格失配，GaN的热膨胀系数约为5.6*10^-6/K，Si的热膨胀系数约为2.6*10^-6/K，存在很大的热失配，这对于大功率器件也是很不利的。

发明内容

本发明克服了现有技术中晶格失配较高或者成本过高的缺陷，提出了一种氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法。本发明提出的氮化镓基半导体材料的制备方法，既可以使氮化镓基材料的外延获得高质量的碳化硅单晶衬底，又可以有效降低衬底材料的成本。

本发明提出了一种氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法，包括：

步骤一：选用初始单晶碳化硅晶圆与衬底材料；

步骤二：通过注氢智能剥离方法在所述初始单晶碳化硅晶圆中注入离子形成一层气泡层；

步骤三：将所述初始单晶碳化硅晶圆与所述衬底材料进行表面处理后，清洗表面并旋转甩干，之后对所述初始单晶碳化硅晶圆与衬底材料进行等离子辅助键合；

步骤四：将所述键合形成的材料进行高温退火，所述初始单晶碳化硅晶圆的气泡层会聚集并使初始单晶碳化硅晶圆发生蹦离，得到所述单晶碳化硅复合衬底材料。