磷化铟和砷化镓材料的直接键合方法技术

本发明专利技术涉及一种ＩｎＰ和ＧａＡｓ的直接键合方法，包括表面清洁、叠片和高温退火三个工艺过程，其特征在于直接键合的工艺是在键合前ＩｎＰ和ＧａＡｓ表面两次去氧化物层，然后不经高纯氮吹干而直接放入还原性氮水中浸泡，浸泡后直接放入防氧化的甲醇溶液中，叠片在甲醇溶液中进行，将ＩｎＰ的抛光面朝下置于ＧａＡｓ抛光面的正上方，将ＩｎＰ和ＧａＡｓ边与边对齐叠合在一起；键合温度在５００－７００℃，键合后退火，持续３０－４０分钟，键合和退火均在氮气保护下进行的。本发明专利技术一次可键合多片且键合时压力可调，键合温度低于文献报道，键合成功率接近１００％，键合后ＩｎＰ－ＧａＡｓ交界面并不会使键合后整个材料结构的光学和电性能变差。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供了一种III-V族化合物半导体磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)材料的直接键合方法，属于半导体光电子、微电子器件工艺

技术介绍
随着半导体材料外延技术如分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等技术的发展，III-V族半导体材料生长已能很精确地控制其生长厚度、组份等参数。然而半导体材料生长体系却受到了材料间晶格失配度和热膨胀系数失配的极大限制，当生长材料的厚度大于由该材料体系失配度决定的临界厚度时，材料中将产生位错，位错线可从异质材料的界面爬升到外延层表面，由此在外延材料中引入缺陷，从而极大地影响器件性能；在大的晶格失配度情形下，位错可使器件材料无法工作。例如，InP与GaAs半导体材料之间的晶格失配高达3.8％，热膨胀系数也存在比较大的差别，GaAs的热膨胀系数为5.8×10-6/K，InP的热膨胀系数为4.5×10-6/K。因此，像InGaAs，InAsP，InGaAsP等微电子、光电子微结构材料，只能在InP衬底上才能生长出低位错密度的外延材料，另一方面，像AlGaAs材料则只能在GaAs衬底上才能生长出高质量的外延层，为了达到优异的器件性能，人们往往需要将这些在不同衬底上生长的材料组合到一起，如何将InP基微结构材料、器件组装到GaAs基材料上是国内外III-V族半导体研究领域的热点之一。InP和GaAs材料的直接键合技术在光电子和微电子器件制造中具有很重要的应用前景，例如，近年来垂直腔面发射激光器(VCSEL)在光通信领域的应用受到了极大地关注和广泛地研究，和传统边发射激光器相比，面发射激光器具有单模工作、高调制带宽、高耦合效率、低功耗等优点。面发射激光器由两个分布布拉格反射镜(DBR)及夹在其中的发光有源区组成。由于材料自身性能的缺点，工作在1.3μm和1.55μm的InP基面发射激光器，受到了InP基分布布拉格反射镜热导率、电导率及反射率的限制。而GaAs基分布布拉格反射镜在这方面比InP基要优越得多，因此利用键合技术，获得高质量InP-GaAs光学和电学性能的组合材料，是实现高性能的垂直腔面发射激光器的重要途径之一。直接键合技术不同于外延技术。外延技术由生长过程中的热力学过程支配，原子在衬底表面迁移并吸附凝结，以衬底晶格为模板堆砌外延材料原子层，当外延材料晶格常数不同于衬底，原子堆砌到一定厚度时过大的晶格失配应力使外来原子不再严格按照衬底堆砌，即产生位错；而键合过程是发生在外延材料界面处，在一定外加压力和温度下，原子相互扩散并形成化学键而使两层材料牢固地键合，因此即使两层材料有很大的晶格失配度，经过键合后位错只存在于材料界面附近，而不会扩展到整个材料中，这几乎不影响键合后材料的性能。虽然国际上InP基材料与GaAs基材料的键合技术有一些文献报道但均存在不同的缺点文献1虽然也报道了InP与GaAs的直接键合方法，主要特征是(1)采用的温度高，为830℃，太高的温度会引起III-V族化合物的分解；(2)夹具所加的压力不能调整；文献2报道的是InP基外延薄膜的键合，是用氮气吹干后在空气中叠合，易氧化致使键合成功率不高；文献3则是介绍用Spin on glass(SOG)介质来键合InP与GaAs材料，SOG是硅烷醇与甲基高分子在酒精中的溶合物，虽然键合温度较低，但是由于键合介质具有一定厚度，导电性差，吸收光等缺点，因此局限性较大。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种用于进行III-V族化合物半导体材料InP和GaAs的直接键合方法。键合过程包括三个步骤表面清洁、叠片和高温退火。InP和GaAs衬底经表面有机物和氧化物的去除，表面粗糙度在几十埃以下。当两个洁净的样品在甲醇溶液中面对面、边对边地相互叠合，处于其间的甲醇溶液部分地阻止了到达退火温度之前这段时间内空气和灰尘进入接触界面，整个退火过程在氮气气氛下进行。当样品退火温度到达200～400℃时，甲醇、水蒸气以及其他化学反应物首先从InP-GaAs接触界面逃逸，而当升高温度到达500～700℃时，界面处发生原子的迁移。首先从InP表面分解的P逐渐向GaAs面扩散并填充在接触界面间的隙缝，但同时GaAs体材料阻止了P的向内扩散，这使得界面间P气压逐渐升高，P气压的升高则减弱了InP的分解，因此最后界面及其附近形成P的稳定分布；由于P的分解InP表面剩下多余的In，In原子主要在侧向迁移并较多地填充在由于界面无规起伏形成的微小空位处，这样一个原子迁移过程以及此过程中的外加压强使得原来InP-GaAs接触界面空位和隙缝大部分被In原子和P原子所填充，InP和GaAs因此接触更加紧密。当退火结束温度降低，界面及两侧附近材料发生再结晶过程，形成一层化学键结合的InGaAsP无定形层，InP和GaAs依靠这一层无定形层键合在一起，键合的质量由表面洁净程度、外加压强、退火温度和退火时间共同决定。键合过程中主要是界面附近原子发生迁移，InP和GaAs材料内部并没有发生变化，然而由于InP和GaAs晶格失配很大，键合界面处则有大量位错群产生，实验证明这样一个具有大量位错的键合界面没有使键合后InP-GaAs材料结构性能变差，这与直接外延生长的InP-GaAs异质结有本质的不同。相反，键合过程中500～700℃的退火过程可能会改进材料的光学合电学性能。本专利技术提供的一种InP和GaAs的直接键合方法，其特征在于(a)将InP和GaAs衬底解理成正方形或长方形；(b)清洗衬底是依次用异丙醇、丙酮和无水乙醇超声清洗，然后用去离子水漂洗3分钟以上，且用高纯氮气吹干。所述的清洗样品片各3次，每次3-5分钟；(c)去除InP和GaAs表面氧化物，InP是在静止的H2SO4+H2O2+H2O溶液中腐蚀，三者的体积比为3∶1∶1；时间为腐蚀5-15秒；GaAs是在静止的H2SO4+H2O溶液中腐蚀，二者的体积比为1∶20；腐蚀时间为30-60秒腐蚀完成后用去离子水漂洗，然后将InP和GaAs片不经高纯氮气吹干直接浸入HF+H2O溶液中，HF和H2O的体积比为1∶10；再用去离子水冲洗3-5次，且以上腐蚀过程均在20-25℃室温下进行的；(d)第二次去除InP和GaAs表面氧化物是将步骤(c)中去除表面氧化物的InP和GaAs片，不经高纯氮气吹干直接放入还原性氨水溶液中(浓度为25～28％)浸泡，浸泡后直接放入防氧化的甲醇溶液中；(e)叠片是在甲醇溶液中进行的，将InP的抛光面朝下置于GaAs抛光面的正上方，将InP和GaAs边一边对齐叠合在一起；(f)将步骤(e)的叠片移至夹具的正方形或长方形开口槽中，槽尺寸为25×25×15mm。再加上一定的压力，压力为0.5～35Kg/cm2，键合温度为500～700℃；整个键合和退火过程用氮气保护。氮气流速为150-250毫升/分钟；25-500℃温度区间的升渐速率为10-15℃/分钟，500-700℃温度区间的升温速率为5-10℃/分钟，将炉温升至退火温度(在500-700℃之间)，在退火温度下保持30-40分钟上。退火完成后，退火炉的温度在700-450℃区间的降温速率为3-4℃/分钟，在450-300℃区间的降温速率为2-3℃/分钟；待炉温降至300℃以下时关闭N2，最后随炉自然本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＩｎＰ和ＧａＡｓ的直接键合方法，包括表面清洁、叠片和高温退火三个工艺过程，其特征在于具体直接键合的工艺步骤是：（ａ）将ＩｎＰ和ＧａＡｓ衬底解理成正方形或长方形；　（ｂ）清洗衬底是依次用异丙醇、丙酮和无水乙醇超声清洗，然后 用去离子水漂洗；（ｃ）去除ＩｎＰ和ＧａＡｓ表面氧化物，ＩｎＰ是在静止的Ｈ↓［２］ＳＯ↓［４］＋Ｈ↓［２］Ｏ↓［２］＋Ｈ↓［２］Ｏ溶液中腐蚀，三者的体积比为３∶１∶１；ＧａＡｓ是在静止的Ｈ↓［２］ＳＯ↓［４］＋Ｈ↓［２］Ｏ溶液中腐蚀， 二者的体积比为１∶２０；腐蚀完成后用去离子水漂洗，然后将ＩｎＰ和ＧａＡｓ片不经高纯氮气吹干直接浸入ＨＦ＋Ｈ↓［２］Ｏ溶液中，ＨＦ和Ｈ↓［２］Ｏ的体积比为１∶１０；再用去离子水冲洗干净；（ｄ）第二次去除ＩｎＰ和ＧａＡｓ表面氧化物是将步 骤（ｃ）中去除表面氧化物的ＩｎＰ和ＧａＡｓ片，不经高纯氮气吹干直接放入还原性氨水溶液中浸泡，浸泡后直接放入防氧化的甲醇溶液中；（ｅ）叠片是在甲醇溶液中进行的，将ＩｎＰ的抛光面朝下置于ＧａＡｓ抛光面的正上方，将ＩｎＰ和ＧａＡｓ边与边对 齐叠合在一起；（ｆ）将步骤（ｅ）的叠合片移至夹具的开口槽中，一次可键合多片，再加上一定的压力，键合温度为５００～７００℃；整个键合和退火过程用氮气保护，退火温度为５００－７００℃，在退火温度下保持３０－４０分钟，退火完成后，按一定速 率降温至３００℃以下关闭Ｎ↓［２］，待炉冷却至低于１００℃取出。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴惠桢，劳燕锋，郝幼生，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]