一种金属衬底磷化铟单晶层及其制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及半导体领域，尤指一种金属衬底磷化铟单晶层及其制备方法及其应用。包括金属材料衬底，通过以外延剥离工艺将磷化铟(InP)单晶层转移到金属衬底材料上，产生的磷化铟单晶层键合于金属衬底之上，该衬底可制造共振隧穿二极管(RTD)太赫兹波芯片、高电子迁移率晶体管(HEMT)毫米波芯片及垂直共振腔面射型激光(VCSEL)等芯片。与目前以磷化铟衬底的传统结构相比，本发明专利技术仅使用一磷化铟单晶薄层，大幅降低衬底成本。对于太赫兹波、毫米波及光电半导体芯片在制造方法提供更大的散热能力，并且在生产过程中温度的分布更均匀，在外延工艺上能有效降低晶体缺陷的形成；在芯片制造工艺过程中能有更大的热承受力。过程中能有更大的热承受力。过程中能有更大的热承受力。

【技术实现步骤摘要】
一种金属衬底磷化铟单晶层及其制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及半导体领域，尤指一种金属衬底磷化铟单晶层及其制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]半导体衬底是具有特定晶面、适当电学及光学和机械特性用于生长外延层的洁净单晶片，硅半导体使用的是硅单晶衬底材料；化合物半导体常用的衬底有砷化镓、磷化铟、碳化硅和氮化镓等单晶衬底材料。目前半导体衬底普遍存在几个问题：1、单晶棒的生长要达到每个区域无缺陷无污染是相当困难，因此切片后的每片衬底的污染杂质及缺陷较难一致，而污染杂质及缺陷是造成芯片质量和良率的最大因素；2、单晶衬底材料都是由多晶材料提纯，然后再经过单晶提纯生长成单晶棒，后续进行切磨抛洗，过程批次良率不稳定，因此成本昂贵；3、目前单晶衬底的材料散热不佳，容易形成温度不均匀，进而造成外延的缺陷与芯片制程的不稳定性；4、也由于单晶衬底的材料散热不佳，在封装工艺之前都必须进行衬底减薄，以增加散热的能力；5、衬底的厚度大，弯曲容易碎裂，很难配合柔性电子器件应用；6、衬底导电性差，很难配合天线的整体设计整合；7、衬底导电性差，在芯片设计导电金属线路时必须完成复杂线路布局并占用更大的芯片面积。8、传统衬底在大功率的运行下容易衬底缺陷，造成元件可靠度问题。
[0003]目前在太赫兹波、毫米波及光电半导体芯片工艺的衬底材料上，主要包括砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)和磷化铟(InP)。磷化铟(InP) 与其他材料相比击穿电压、热导率、电子平均速度高，二维电子气(2DEG)密度更大、沟道中电子迁移率更高。这些优点使得磷化铟InP基衬底成为太赫兹波、毫米波及光电半导体应用的支柱产品。而磷化铟InP材料由于价格高及易碎等不利条件，及晶圆尺寸不易做成大面积单晶衬底的约束，不易形成大规模应用；但由于其优异的频率特性和低噪声等特点，广泛应用于航空航天等军事国防邻域。但是，由于发达国家政府对于集成电路特别是军用航空航天领域核心技术的禁运，使得我们必须依靠自身的力量独立研发可工作在太赫兹波、毫米波器件和高端光电电路的衬底材料技术。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供为解决上述传统衬底材料问题，本专利技术运用金属材料衬底，通过以外延剥离工艺将磷化铟(InP)半绝缘的单晶层转移到金属衬底材料上，产生的磷化铟单晶层键合于金属衬底之上，提供一种新型金属材料衬底，其有效地控制磷化铟单晶层的缺陷和质量，以利于后续多层外延工艺保质的进行。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种金属衬底磷化铟单晶层，包括金属衬底、金属键合层、磷化铟单晶层，其中磷化铟单晶层通过金属键合层键合在金属衬底表面。
[0006]一种如权利要求1所述的金属衬底磷化铟单晶层的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：准备良好质量及低缺陷的磷化铟衬底，将表面进行清理去除污染及微粒。在MOCVD或MBE成长一砷化铝(AlAs)剥蚀层，然后在砷化铝剥蚀层继续成长一磷化铟单晶层；
[0008]步骤2：用金属镀膜方式在磷化铟单晶层之上形成一层金属键合层，金属镀膜方式可选择金属溅镀、金属电镀或金属蒸镀等方式，采用的金属材料可选择 Al、Ti、Pt、In、Ni、Cu、Ag、Au、Pd、Mo、Ta和W等元素及复合元素。在金属键合层上方将金属衬底通过键合技术进行结合，金属衬底材料可选择Al、 Cu、Ti、不锈钢或其合金；金属衬底完成键合之后形成如图2的结构；
[0009]步骤3：将氢氟酸蚀刻液作用于砷化铝剥蚀层，由于氢氟酸只对砷化铝有选择性剥蚀反应，此时在金属衬底施加力量形成一个曲度，可以加速氢氟酸蚀刻液与砷化铝剥蚀层的反应；
[0010]步骤4：经过曲度不断的增加，氢氟酸蚀刻液能深入与砷化铝剥蚀层进行反应，逐渐将整个砷化铝剥蚀层溶解；
[0011]步骤5：完成剥离程序之后，金属衬底/磷化铟单晶层就与磷化铟衬底完全分离，金属衬底的制备就完成，并且金属衬底上有一层磷化铟单晶层，该单晶层拥有低晶格缺陷，且污染和杂质也较容易控制，整体质量高；而且原有的磷化铟衬底可重复使用；
[0012]同时，所述步骤3的具体过程包括以下步骤：将氢氟酸蚀刻液作用于砷化铝剥蚀层，同时对金属衬底施加力量并使得金属衬底形成一个曲度；曲度经过不断的增加，氢氟酸蚀刻液深入与砷化铝剥蚀层进行反应，逐渐将整个砷化铝剥蚀层溶解。在步骤3中通过折弯装置实现对金属衬底施加力量并使得金属衬底形成一个曲度，其中该折弯装置包括夹具、弹性平台、弧度平台、支撑点、若干旋转螺丝，其中弹性平台两侧通过支撑点固定在弧度平台上，且经过步骤2 处理的产品通过夹具固定在弹性平台上，其中若干旋转螺丝穿过弧度平台并顶止在弹性平台底部且对应产品的位置，通过调节旋转螺丝实现控制曲度和反应时间。
[0013]本申请还提供一种外延分层结构，包括的金属衬底磷化铟单晶层、在金属衬底磷化铟单晶层上生长的交替层，该交替层通过II
‑
VI族材料、III
‑
V族材料以交错层叠的方式构成；且该交替层与所述金属衬底磷化铟单晶层晶格匹配或赝配。在根据本专利技术的分层结构的一个实施例中，II
‑
VI族材料、III
‑
V族材料交替层中的至少一个与金属衬底磷化铟单晶层直接接触。也可在II
‑
VI族材料、 III
‑
V族材料交替层与金属衬底磷化铟单晶层之间插入附加层。附加层可以包括任何合适的层。通常，这些附加层与金属衬底磷化铟单晶层晶格匹配或赝配。附加层可包括太赫兹波、毫米波及光电元件组成，例如电接触层、吸收层、缓冲层、光波导层、有源层、量子阱层、电流扩展层、包层、阻挡层等。
[0014]进一步，II
‑
VI族材料为M1M2的合金或M
3n
M
4(1
‑
n)
M
5p
M
6(1
‑
p)
合金或 M
7q
M
8(1
‑
q)
M9的合金，其中M1、M3、M4、M7和M8分别独立地从Zn、Cd、Be 和Mg中选择；M2、M5、M6和M9分别独立地从Se、Te和S中选择；其中n、p和q的取值范围为0～1。
[0015]进一步，所述III
‑
V族材料为M
10
M
11
的合金或M
12r
M
13(1
‑
r)
M
14s
M
15(1
‑
s)
的合金或M
16t
M
17(1
‑
t)
M
18
的合金，其中M
10
、M
12
、M
13
、M
16
和M
17
分别独立地从In、 Al和Ga中选择；M
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属衬底磷化铟单晶层，其特征在于，包括金属衬底、金属键合层、磷化铟单晶层，其中磷化铟单晶层通过金属键合层键合在金属衬底表面。2.一种如权利要求1所述的金属衬底磷化铟单晶层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：准备磷化铟衬底，将其表面进行清理去除污染及微粒，在磷化铟衬底上成长一砷化铝剥蚀层，然后在砷化铝剥蚀层继续成长一磷化铟单晶层；步骤2：在磷化铟单晶层另一面形成一层金属键合层，且将金属衬底通过键合的方式结合在金属键合层上方；步骤3：将氢氟酸蚀刻液作用于砷化铝剥蚀层；步骤4：完成剥离程序之后，将磷化铟衬底与剩余部分完全分离，剩余部分并构成金属衬底磷化铟单晶层。3.根据权利要求2所述的一种金属衬底磷化铟单晶层的制备方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程包括以下步骤：将氢氟酸蚀刻液作用于砷化铝剥蚀层，同时对金属衬底施加力量并使得金属衬底形成一个曲度；曲度经过不断的增加，氢氟酸蚀刻液深入与砷化铝剥蚀层进行反应，逐渐将整个砷化铝剥蚀层溶解。4.根据权利要求3所述的一种金属衬底磷化铟单晶层的制备方法，其特征在于：在步骤3中通过折弯装置实现对金属衬底施加力量并使得金属衬底形成一个曲度，其中该折弯装置包括夹具、弹性平台、弧度平台、支撑点、若干旋转螺丝，其中弹性平台两侧通过支撑点固定在弧度平台上，且经过步骤2处理的产品通过夹具固定在弹性平台上，其中若干旋转螺丝穿过弧度平台并顶止在弹性平台底部且对应产品的位置，通过调节旋转螺丝实现控制曲度和反应时间。5.一种分层结构，其特征在于：包括如权利要求1所述的金属衬底磷化铟单晶层、在金属衬底磷化铟单晶层上生长的交替层，该交替层通过II
‑
VI族材料、III
‑
V族材料以交错层叠的方式构成；且该交替层与所述金属衬底磷化铟单晶层晶格匹配或赝配。6.根据权利要求5所述的一种分层结构，其特征在于：还包括插入所述金属衬底磷化铟单晶层和所述交替层之间的附加层。7.根据权利要求5所述的一种分层结构，其特征在于：II
‑
VI族材料为M1M2的合金或M
3n
M
4(1
‑
n)
M
5p
M
6(1
‑
p)
合金或M
7q
M
8(1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：林健峯，
申请(专利权)人：林健峯，
类型：发明
国别省市：