具有高热耗散的合成结构制造技术

一种应用于光学、光电子学或电子学的合成结构（４０），所述合成结构（４０）包含支撑晶片（２０）和由选自单晶材料的材料制成的层（１１）和由介电材料制成的层（１３），其特征在于，选择支撑晶片（２０）的、由单晶材料制成的层（１１）的和介电层（１３）的组成材料，并调整每层的厚度，使得在环境温度和６００°Ｋ之间，合成结构（４０）的热阻抗低于或等于具有与合成结构相同尺寸的单晶块ＳｉＣ晶片的热阻抗的大约１．３倍。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及一种应用于光学、光电子学或电子学的合成结构(composite structure)，该合成结构包括支撑晶片(support wafer)和层状结构，该层状结构包括至少一个由选自单晶材料的材料制成(made of)的层。特别地，这样的合成结构旨在作为形成单晶有用层的衬底，或旨在包括这样的单晶有用层，而该有用层包括在工作期间导致有用层温度剧烈升高的器件或组件。
技术介绍
对于该种类型的有用层，很明显，当这些组件的工作频率和/或它们的微型化程度提高时，由组件所释放的热的耗散(dissipation)变成一个重要问题。例如，对于CMOS应用的情形，组件的微型化和有用层厚度的减小加剧了热耗散问题，特别是在这些有用层或多或少地与它们形成于其上的支撑衬底热隔离(thermally separated)的情形中。尤其地，制备在SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)、SiGeOI(SiGe-On-Insulator，绝缘体上SiGe)、GeOI(Ge-On-Insulator，绝缘体上Ge)或SGOI(Si/SiGe-On-Insulator，绝缘体上Si/SiGe)结构中的CMOS组件会随着温度升高而产生问题(导致对组件行为的干扰)，特别是由于这一事实，即氧化物层(通常形成这些结构的绝缘)形成了例如由硅制成的衬底和有用层之间的热障(thermal barrier)。例如，如在US 2004/0053477中所描述的，这种类型的SOI、SiGeOI、SGOI、GeOI结构可通过Smart-Cut_制备。例如，也有这种情形，即组件工作在高功率频率(high powerfrequency)(通常超过900MHz)，这会导致温度升高，而该温度升高能干扰甚至破坏它们。为了克服该缺陷，有用层一般由氮化物半导体制成，该氮化物半导体具有比诸如AsGa的材料更好的电荷输运性能(在高压时载流子的高饱和率，高击穿电压等)。这对于HEMT(HighElectron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)晶体管型组件尤其正确。为了形成这种类型的以氮化物半导体为基的层，使用由单晶块(bulk)SiC、块<111>Si或者块蓝宝石(Al2O3)制成的生长支撑体，其晶格参数非常类似于单晶块<100>硅的晶格参数。然而，对于一些需要对所释放热的更高耗散的高功率频率应用而言，<111>Si和蓝宝石的热阻抗(thermal impedances)仍然太高，而且，虽然单晶块SiC就热耗散来说是标准(reference)材料，但是该材料仍然太昂贵。US 6,328,796和US 2003/0064735文献公开了通过借助于键合层(bonding layer)将薄层键合到支撑晶片上而制成的合成结构，该支撑晶片由多晶材料制成，而该多晶材料是由于它们的热导性、电导性和热膨胀特性而选取的(诸如多晶SiC衬底)，该键合层由介电材料制成，且其功能是改善薄层和支撑晶片之间的键合并促使发生可能的依从现象(compliance phenomena)。然而，选择不同层和支撑晶片的材料和尺寸、以及制备该结构的方法，以满足诸如热导、电导和热膨胀的物理规格。因此，为了满足这些不同的规格，意味着选择会折衷解决方案的结构不能使人完全满意。因此，这些文献中所描述的合成结构并未最优化以用于需要很强热耗散的高功率频率应用。本专利技术的第一个目的是提出一种具有良好热耗散的合成结构。本专利技术的第二个目的是提出这样一种合成结构，该合成结构的制备方式使得其经济成本低于由单晶块SiC制成的结构的经济成本，并且其可获得大于3英寸的尺寸。本专利技术的第三个目的是以低成本来改善微型化的HEMT或CMOS组件的工作。本专利技术的第四个目的是制备具有良好的热导率(thermalconductivity)和半绝缘电特性(即高电阻)的用于HEMT应用的结构。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术提出一种用于光学、光电子学或电子学的合成结构，该合成结构包括支撑晶片、由选自单晶材料的材料制成的层和由介电材料制成的层，其特征在于，选择支撑晶片的制备材料、由单晶材料制成的层和介电层，并调整各层的厚度，使得在环境温度(ambient temperature)和600°K之间，合成结构的热阻抗低于或等于具有与合成结构相同尺寸的单晶块SiC晶片的热阻抗的大约1.3倍。要注意，结构的热阻抗φ是由该结构的不同层i的热阻率(thermalresistivities)Ri计算出来的(φ＝l/∑iRi)。材料的热阻率由每瓦特输入功率在1平方米表面面积(所考虑的层或衬底的表面面积)上所增加的°C或°K而定义。热阻率也等于所考虑的层(或衬底)的厚度与所使用的材料的热导率之间的比率。该合成结构包括以下其它特性-支撑晶片由热阻抗显著低于单晶块硅的热阻抗的材料制成；-支撑晶片的制备材料还具有大于104ohms.cm的电阻率(electricalresistivity)；-支撑晶片由多晶块SiC、多晶块AlN或陶瓷制成；-选择由介电材料制成的层的厚度和由单晶材料制成的层的厚度，使得在环境温度和600°K之间，合成结构的热阻抗低于或等于具有与合成结构相同尺寸的晶体块SiC晶片的热阻抗的大约1.3倍；-介电材料为SiO2和/或Si3N4和/或SixOyNz；-选择由介电材料制成的层的厚度小于约0.20微米，并可能大于约0.02微米，然后作为该厚度的函数而选择由单晶材料制成的层的厚度，使得在环境温度和600°K之间，合成结构的热阻抗低于或等于具有与合成结构相同尺寸的单晶块SiC晶片的热阻抗的大约1.3倍；-由单晶材料制成的层中的材料选自半导体材料，从而能够形成电子组件；-单晶材料是Si、SiGe或Ge；-由半导体材料制成的层包括至少一个CMOS型电子组件；-选择由单晶材料制成的层中的单晶材料，使得可以成功生长单晶氮化物半导体，从而合成结构作为用于生长该氮化物半导体的衬底，并具有大于约104ohms.cm的电阻率；-所述单晶材料是SiC、<111>Si或GaN； -单晶材料层的厚度大于约0.06微米的临界厚度(thresholdthickness)，并可能小于约1微米；-支撑晶片由多晶SiC制成；单晶材料层由<111>Si制成且其厚度选择在0.2微米和1微米之间；以及介电材料层由SiO2制成且其厚度约为0.2微米；-支撑晶片由多晶SiC制成；单晶材料层由<111>Si制成且其厚度选择在0.06微米和1微米之间；以及介电材料层由SiO2制成且其厚度约为0.05微米。根据第二方面，根据本专利技术的工艺提出一种混合结构(hybridstructure)，该混合结构包括所述合成结构和在单晶材料层顶部的上部单晶结构(upper monocrystalline structure)，调节形成上部结构的材料以使将要形成在混合结构上的氮化物半导体层的质量好于氮化物半导体层直接形成在由单晶材料制成的层上的情形。该混合结构的其它特性包括-单晶材料层由SiC、&a本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于光学、光电子学或电子学的合成结构(40)，所述合成结构(40)包含支撑晶片(20)和由选自单晶材料的材料制成的层(11)和由介电材料制成的层(13)，其特征在于，选择支撑晶片(20)的、由单晶材料制成的层(11)的和介电层(13)的组成材料，并调整每层的厚度，使得在环境温度和600°K之间，合成结构(40)的热阻抗低于或等于具有与合成结构相同尺寸的单晶块SiC晶片的热阻抗的大约1.3倍。2.如权利要求1所述的合成结构(40)，其特征在于，所述支撑晶片(20)由热阻抗显著低于单晶块硅的热阻抗的材料制成。3.如前述权利要求所述的合成结构(40)，其特征在于，还选择所述材料具有大于约104ohms.cm的电阻率。4.如前述两项权利要求之一所述的合成结构(40)，其特征在于，所述支撑晶片(20)由多晶块SiC、多晶块AlN或陶瓷制成。5.如前述权利要求之一所述的合成结构(40)，其特征在于，对介电材料层(13)的厚度的所述调整使得由介电材料制成的层(13)的厚度小于或等于最大厚度，并且由单晶材料制成的层(11)的厚度大于或等于临界厚度。6.如前述权利要求之一所述的合成结构(40)，其特征在于，所述介电材料是SiO2和/或Si3N4和/或SixOyNz。7.如前述两项权利要求所述的合成结构(40)，其特征在于，选择由介电材料制成的层(13)的厚度小于约0.20微米，并且作为由介电材料制成的层(13)的所述厚度的函数而选择由单晶材料制成的层(11)的厚度，使得在环境温度和600°K之间，合成结构(40)的热阻抗低于或等于具有与合成结构相同尺寸的单晶块SiC晶片的热阻抗的大约1.3倍。8.如前述权利要求所述的合成结构(40)，其特征在于，还选择由介电材料制成的层(13)的厚度大于约0.02微米。9.如权利要求1至7之一所述的合成结构(40)，其特征在于，由单晶材料(11)制成的层(11)中的材料选自半导体材料，从而能够在其中形成至少一个电子组件。10.如前述权利要求所述的合成结构(40)，其特征在于，由单晶材料制成的层(11)包含至少一个CMOS型电子组件。11.如前述两项权利要求之一所述的合成结构(40)，其特征在于，所述单晶材料是Si、SiGe或Ge。12.如权利要求1至8之一所述的合成结构(40)，其特征在于，选择由单晶材料制成的层(11)中的单晶材料，使得可成功生长单晶氮化物半导体，所述合成结构(40)由此作为用于生长所述氮化物半导体的衬底，并因此具有大于约104ohms.cm的电阻率。13.如前述权利要求所述的合成结构(40)，其特征在于，所述单晶材料是SiC、<111>Si或GaN。14.如权利要求7或8结合权利要求11或13所述的合成结构(40)，其特征在于，单晶材料层(11)的厚度大于约0.06微米的临界厚度。15.如前述权利要求所述的合成结构(40)，其特征在于，还选择单晶材料层(11)的厚度小于约1微米。16.如权利要求1所述的合成结构(40)，其特征在于-所述支撑晶片(20)由多晶SiC制成；-所述单晶材料层(11)由<111>Si制成且其厚度选择在约0.2微米和约1微米之间，以及-所述介电材料层(13)由SiO2制成且其厚度约为0.20微米。17.如权利要求1所述的合成结构(40)，其特征在于-所述支撑晶片(20)由多晶SiC制成；-所述单晶材料层(11)由<111>Si制成且其厚度选择在约0.06微米和约1微米之间，以及-所述介电材料层(13)由SiO2制成且其厚度约为0.05微米。18.一种意在作为晶体生长氮化物半导体的衬底的混合结构(50)，所述混合结构(50)包含根据前述权利要求之一的合成结构(40)和在单晶材料层(11)之上的上部单晶结构(12)，调节形成所述上部结构(12)的材料，以与氮化物半导体层直接形成在由单晶材料制成的层(11)上的情形相比，而改善要形成在所述混合结构(50)上的氮化物半导体层的质量。19.如前述权利要求所述的混合结构(50)，其特征在于，所述单晶材料层(11)由SiC、<111>Si或GaN制成，并且所述上部结构(12)包含由选自以下合金的材料制成的层AlxInyGa(1-x-y)N、InyGa(1-y)N、AlxGa(1-x)N，其中0≤x≤1且0≤y≤1。20.如前述权利要求所述的混合结构(50)，其特征在于，选自合金AlxInyGa(1-x-y)N、InyGa(1-y)N、AlxGa(1-x)N，其中0≤x≤1且0≤y≤1，的至少一种合金元素的浓度随厚度逐渐变化。21.一种应用在HEMTs中的结构，所述结构包含根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·布萨戈尔，B·富尔，
申请(专利权)人：SOITEC绝缘体上硅技术公司，
类型：发明
国别省市：