一种含绝缘衬底的氮化镓晶片材料及其制备与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种含绝缘衬底的氮化镓晶片材料及其制备与应用，所述制备包括：获得含基础衬底及在其上通过外延生长得到的单晶氮化镓(GaN)层和中间功能层的基础材料，其后依次将基础材料与第一衬底黏合，将基础衬底及中间功能层剥离，将氮化镓表面添加绝缘层，将表面键合第二衬底，去除所述第一衬底，得到所述氮化镓晶片，本发明专利技术的晶片材料具有优异的小尺寸集成能力、更高的数据处理与传输能力、更强的抗干扰能力及更低的产热与功耗，总体性能优于以SOI晶片为载体的传统Si基光电材料。于以SOI晶片为载体的传统Si基光电材料。于以SOI晶片为载体的传统Si基光电材料。

【技术实现步骤摘要】
一种含绝缘衬底的氮化镓晶片材料及其制备与应用


[0001]本专利技术涉及半导体材料的
，特别涉及氮化镓材料的


技术介绍

[0002]在信息化高速发展的今天，人们对硬件处理和信息传递的速度提出了更高的要求。在摩尔定律的指引下，半导体器件的尺寸在不断缩小，集成电路的集成度在不断提高。然而，随着器件尺寸缩减到(亚)纳米量级，摩尔定律开始失效，寄生效应、高功耗等问题层出不穷，集成电路进入了发展的瓶颈期。绝缘体上的硅(SOI)晶片的制备，一方面实现了集成电路中各个器件之间的隔离；另一方面也显著地降低了寄生效应、尤其是集成电路的寄生电容和器件功耗、提高了集成密度和处理速度。
[0003]GaN作为第三代半导体材料的代表之一，具有电子迁移率高、耐高温、抗辐射、较宽的直接带隙、较好的物理化学稳定性等优点，可被用于高压、高频电力电子器件的制备，为高数据速率、超快响应的集成电路系统提供了新的方向，但现有的GaN基光电器件与传统的Si基光电器件(SOI晶片上集成)之间存在难以直接生长及无法小尺寸集成等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提出一种含绝缘衬底的GaN晶片(Gallium nitride
‑
on
‑
insulator，GOI)材料及其制备与应用方法，该GOI材料具有优异的小尺寸集成能力、更高的数据处理与传输能力、更强的抗干扰能力及更低的产热与功耗，总体性能优于以SOI晶片为载体的传统Si基光电材料。
[0005]本专利技术首先提供了如下的技术方案：
[0006]一种含绝缘衬底的氮化镓晶片材料的制备方法，其包括：
[0007]获得含基础衬底及在其上通过外延生长得到的氮化镓复合层的基础材料，所述氮化镓复合层包括单晶氮化镓(GaN)层及位于所述基础衬底及该单晶氮化镓层之间的中间功能层；
[0008]将所述基础材料与第一衬底黏合，得到第一双衬底材料；
[0009]将所述第一双衬底样品自所述中间功能层处进行剥离，得到所述基础衬底及所述中间功能层脱除后的剥离后材料；
[0010]向所述剥离后材料的单晶氮化镓层表面添加绝缘层，得到含绝缘层材料；
[0011]向所述含绝缘层材料的绝缘层表面通过化学键连接第二衬底，得到第二双衬底材料；
[0012]自所述第二双衬底材料中去除所述第一衬底，得到所述含绝缘衬底的氮化镓晶片。
[0013]上述方案中，所述第一衬底或第二衬底既可选择硬性衬底也可选择柔性衬底材料。
[0014]本专利技术的上述方案中，与第一衬底的黏合可使最终制得的GOI晶片暴露出的表面
为外延生长的单晶GaN层的上表面，使产品具有优异的结晶性和表面质量；而所述绝缘层添加至所述单晶GaN层的背面，在获得绝缘衬底的同时，有助于钝化剥离过程中形成的缺陷，得到高品质的单晶GOI晶片，通过上述方案得到的产品具有单晶GaN层厚度可控、绝缘层厚度可控、晶片大小可控，绝缘层及背衬底可自由选择等优点，且产品具有优异的结晶性和表面质量。
[0015]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述制备方法还包括：在所述基础材料的单晶氮化镓层表面进行图形蚀刻，其后再与所述第一衬底黏合。
[0016]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述制备方法中，所述氮化镓复合层包括基于单晶氮化镓(GaN)层的GaN异质结组合层。
[0017]通过该优选实施方式，可将单晶GaN加工为特定的图形，使材料在硅基光源、光电子集成等方面得到良好的应用。
[0018]其中，进一步的，所述蚀刻可通过如紫外光刻蚀、电子束刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀等方法实现。
[0019]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述基础衬底选自蓝宝石衬底、氮化镓(GaN)衬底、碳化硅(SiC)衬底中的一种或多种。
[0020]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述第一衬底选自硅衬底、蓝宝石衬底、聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底、铜箔衬底中的一种或多种；更优选的，其为硅衬底。
[0021]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述第二衬底选自硅衬底、蓝宝石衬底、聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底、铜箔衬底中的一种或多种。
[0022]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述绝缘层的材料选自氧化物和/或氮化硅，优选的，其选自SiO2、HfO2、SiNx中的一种或多种；更优选的，其为SiNx。
[0023]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述中间功能层包括缓冲层和/或牺牲层，其中，所述缓冲层为未掺杂的氮化镓材料，所述牺牲层为重掺杂的氮化镓材料。
[0024]更优选的，所述中间功能层包括与所述基础衬底接触的缓冲层和其上的牺牲层。
[0025]在上述两个优选实施方式下，所述缓冲层为未掺杂的氮化镓，可有效过滤如金属有机化学气相沉积法进行外延生长过程中产生的位错，提高单晶氮化镓层的晶体质量；牺牲层为重掺杂的氮化镓，可在通过电化学腐蚀进行剥离的过程中，因其优良的导电性而优先被腐蚀，有效、快速地释放上层单晶氮化镓层。
[0026]且更优选的，所述缓冲层的厚度为500～1000nm。
[0027]和/或，更优选的，所述牺牲层的厚度为1.5～2.5μm。
[0028]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述单晶氮化镓层的厚度为200～2000nm。
[0029]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述绝缘层的厚度为10～100nm。
[0030]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述掺杂的氮化镓材料为硅掺杂氮化镓材料。
[0031]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述掺杂的浓度为1
×
10
19
～4.5
×
10
19
cm
‑3。
[0032]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述外延生长通过金属有机化学气相沉积法实现。
[0033]更优选的，其中，所述单晶氮化镓层的生长条件为970～990℃、35～45Torr，所述缓冲层的生长条件为470～490℃、35～45Torr，所述牺牲层的生长条件为970～990℃、35～45Torr。
[0034]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述绝缘层的添加通过等离子体增强化学气相沉积法或原子层沉积法实现。
[0035]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述黏合通过化学黏合剂如聚乙烯醇等实现。
[0036]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述剥离通过电化学腐蚀实现。
[0037]更优选的，所述电化学腐蚀包括：以Pt作为电解池阴极、0.25
‑
0.35mol/L的草酸溶液作为电解液，所述第一双衬底材料作为电解池阳极，在15～20V的外加电压下进行10～12小时的腐蚀。
[0038]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述化学键连接通过所述绝缘层与所述第二衬底的材料间直接键合实现。
[0039]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述化学键连接通过添加于所述绝缘层与所述第二衬底间的键本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含绝缘衬底的氮化镓晶片材料的制备方法，其特征在于：其包括：获得含基础衬底及在其上通过外延生长得到的氮化镓复合层的基础材料，所述氮化镓复合层包括单晶氮化镓层及位于所述基础衬底及该单晶氮化镓层之间的中间功能层；将所述基础材料与第一衬底黏合，得到第一双衬底材料；将所述第一双衬底样品自所述中间功能层处进行剥离，得到所述基础衬底及所述中间功能层脱除后的剥离后材料；向所述剥离后材料的单晶氮化镓层表面添加绝缘层，得到含绝缘层材料；向所述含绝缘层材料的绝缘层表面通过化学键连接第二衬底，得到第二双衬底材料；自所述第二双衬底材料中去除所述第一衬底，得到所述含绝缘衬底的氮化镓晶片；优选的，其还包括：在所述基础材料的单晶氮化镓层表面进行图形蚀刻，其后再与所述第一衬底黏合；优选的，所述氮化镓复合层包括基于单晶氮化镓层的氮化镓异质结组合层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：其中，所述基础衬底选自蓝宝石衬底、氮化镓衬底、碳化硅衬底中的一种或多种；和/或所述第一衬底选自硅衬底、蓝宝石衬底、聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底、铜箔衬底中的一种或多种；和/或第二衬底选自硅衬底、蓝宝石衬底、聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底、铜箔衬底中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：其中，绝缘层的材料选自氧化物和/或氮化硅，优选的，所述绝缘层材料选自SiO2、HfO2、SiN
x
中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述中间功能层包括缓冲层和/或牺牲层，其中，所述缓冲层为未掺杂的氮化镓材料，所述牺牲层为重掺杂的氮化镓材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述中间功能层包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：王幸福，董建奇，陈鑫，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：