一种GaN衬底的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种GaN衬底的制备方法及其应用。所述制备方法包括以下步骤：(1)对透明支撑衬底材料层的键合面进行表面处理后生长键合中间层；(2)在步骤(1)所述键合中间层上转移(111)晶向单晶Si薄膜层；(3)步骤(2)所述(111)晶向单晶Si薄膜层上制备AlN/AlGaN缓冲层，在所述AlN/AlGaN缓冲层上制备厚GaN外延层，得到复合结构层；(4)对步骤(3)所述复合结构层进行激光剥离，去除透明支撑衬底材料层后，经过研磨和抛光，得到GaN复合结构衬底或GaN自支撑衬底。本发明专利技术制备得到GaN衬底，具有低成本的优点，同时应用于垂直结构GaN基功率器件中，具有高功率的有益效果。高功率的有益效果。高功率的有益效果。

【技术实现步骤摘要】
一种GaN衬底的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及半导体材料及器件领域，涉及一种GaN衬底的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]目前，功率转换器件主要是基于第一代半导体Si(Si)材料器件。然而，随着社会对电能转换器件的要求不断提高，Si器件性能因越来越接近其材料本身决定的理论极限而无法满足需求。以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料，凭借其出色的材料特性(如高临界击穿场强、高电子饱和漂移速率等)，正在迅速成为高频大功率电子产品的首选材料。对于功率半导体材料，常用Baliga 优值(BFOM)来表征半导体材料的本征特性。击穿电压和导通电阻是决定功率器件性能的两个重要参数。优异的材料特性使得GaN基功率开关器件在相同的反向击穿电压下，具有比Si和SiC器件更低的导通电阻，因而其功率损耗更低。
[0003]相比于传统的Si和SiC基功率器件以及GaN横向结构功率器件，GaN基垂直结构器件能有效的实现低导通电阻(R
ON
)和高击穿电压(V
BV
)。且具有如下明显优势：(a)只需增加外延层厚度即可有效提高器件击穿电压而不必增大器件尺寸，器件成本降低；(b)峰值电场从表面移到半导体内部，电场分布更均匀，因而器件可靠性更高；(c)电流分布更均匀因而容许更大电流和更高的电流密度传输；(d)更好的散热性能。
[0004]CN106298443A公开了一种GaN衬底的制备方法，通过在衬底表面铺设一定层数的碳纳米管，碳纳米管铺设范围超过衬底边缘200um
‑
1mm，在生长2
‑
8umGaN薄膜后置于激光下辐照，超过衬底边缘的碳纳米管有助于碳纳米管或GaN 在激光辐照下可以从边缘向中间逐渐分解并生成气体放出，在碳纳米管的占据位留下孔洞(直径为200
‑
800nm)，界面处形成了多孔的疏松层。在后续的GaN 厚膜生长过程中，多孔疏松层有效的释放应力，可以降低外延片的弯曲并抑制裂纹的产生。同时多孔的疏松层结构有利于后续的自分离、激光剥离、热处理等过程去除衬底。但是需要激光的辐照，容易产生光污染，并且不适合于工艺化生产，只能应用于实验室生产。
[0005]CN110707002A公开了一种高质量自支撑GaN衬底的制备方法及生长结构，先在基板上直接高温生长AIN纳米柱或微米柱，再在AIN纳米柱或微米柱上生长GaN厚膜，该AIN纳米柱或微米柱晶体质量比较好，其顶端基本无缺陷，然后再在AIN纳米柱或微米柱上生长GaN厚膜，并利用GaN生长侧向合并能力强的特性，可以实现GaN厚膜生长。但是该种生长方法对于硅材料器件不适应，当应用于Si衬底时，会存在Si衬底上生长GaN厚外延层困难，同时器件制备完成后要研磨掉大部分的Si衬底，造成大量的材料浪费。
[0006]因此，如何制备一种低成本的可实现性能优良垂直结构GaN基功率器件的 GaN自支撑衬底是本领域重要的研究方向。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种可实现性能优良垂直结构GaN基功率器件的 GaN衬底的制备方法和应用。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]本专利技术的目的之一在于提供一种GaN衬底的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0010] (1)对透明支撑衬底材料层的键合面进行表面处理后生长键合中间层；
[0011] (2)在步骤(1)所述键合中间层上转移(111)晶向单晶Si薄膜层；
[0012] (3)步骤(2)所述(111)晶向单晶Si薄膜层上制备AlN/AlGaN缓冲层，在所述AlN/AlGaN缓冲层上制备厚GaN外延层，得到复合结构层；
[0013] (4)对步骤(3)所述复合结构层进行激光剥离，去除透明支撑衬底材料层后，经过研磨和抛光，得到GaN复合结构衬底或GaN自支撑衬底。
[0014]本专利技术步骤(1)中表面处理是为了能够满足后续键合条件的表面，生长的键合中间层可降低键合表面粗糙度，提高键合质量；步骤(2)中在键合中间层上转移(111)晶向单晶Si薄膜层的目的是作为后续外延GaN的衬底材料；步骤(3)中在(111)晶向单晶Si薄膜层上制备AlN/AlGaN缓冲层，缓冲层兼备调控应力与过滤位错作用。通过制备多层厚度与Al组分不同的AlGaN叠层，可有效地降低GaN外延过程中的应力，防止GaN外延层开裂，得到μm量级的 GaN外延层；步骤(4)中通过激光剥离，去除透明支撑衬底材料层后，经过研磨和抛光，可以得到GaN复合结构衬底并通过其他工艺方式进一步得到GaN自支撑衬底。
[0015]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述透明支撑衬底材料层的成分包括碳化硅。
[0016]优选地，所述透明支撑衬底层材料为毫米级晶片或晶圆级晶片。
[0017]优选地，所述晶圆级晶片的直径为2～12inch，其中所述直径可以是2inch、 3inch、4inch、5inch、6inch、7inch、8inch、9inch、10inch、11inch或12inch 等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0018]优选地，所述毫米级晶片的尺寸范围为1mm
×
1mm～10mm
×
10mm，其中所述毫米级晶片的形状可为正方形，也可为长方形或其他不规则形状，只要晶片的尺寸在1mm
×
1mm～10mm
×
10mm之间即可。其中所述尺寸可以是1mm
×
1mm、 2mm
×
2mm、3mm
×
3mm、4mm
×
4mm、5mm
×
5mm、6mm
×
6mm、7mm
×
7mm、8mm
×
8mm、9mm
×
9mm或10mm
×
10mm等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0019]优选地，所述透明支撑衬底材料层的厚度为200μm～1mm，其中所述厚度可以是200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm或1mm 等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0020]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述表面处理为表面光滑处理。
[0021]优选地，所述表面光滑处理的方法包括高温退火、化学机械抛光、表面薄膜沉积、反应离子刻蚀、离子束刻蚀或离子束掠入射抛光中的任意一种或至少两种的组合，其中所述组合典型但非限制性实例有：高温退火和化学机械抛光的组合、化学机械抛光和表面薄膜沉积的组合、表面薄膜沉积和反应离子刻蚀的组合、反应离子刻蚀和离子束刻蚀的组合或离子束刻蚀和离子束掠入射抛光的组合等。
[0022]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述键合中间层的成分包括非晶SiC 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GaN衬底的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)对透明支撑衬底材料层的键合面进行表面处理后生长键合中间层；(2)在步骤(1)所述键合中间层上转移(111)晶向单晶Si薄膜层；(3)步骤(2)所述(111)晶向单晶Si薄膜层上制备AlN/AlGaN缓冲层，在所述AlN/AlGaN缓冲层上制备厚GaN外延层，得到复合结构层；(4)对步骤(3)所述复合结构层进行激光剥离，去除透明支撑衬底材料层后，经过研磨和抛光，得到GaN复合结构衬底或GaN自支撑衬底。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述透明支撑衬底材料层的成分包括碳化硅；优选地，所述透明支撑衬底层材料为毫米级晶片或晶圆级晶片；优选地，所述晶圆级晶片的直径为2～12inch；优选地，所述毫米级晶片的尺寸范围为1mm
×
1mm～10mm
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10mm；优选地，所述透明支撑衬底材料层的厚度为200μm～1mm。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述表面处理为表面光滑处理；优选地，所述表面光滑处理的方法包括高温退火、化学机械抛光、表面薄膜沉积、反应离子刻蚀、离子束刻蚀或离子束掠入射抛光中的任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求1
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3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述键合中间层的成分包括非晶SiC或非晶Si；优选地，所述非晶SiC的厚度为1～10nm；优选地，所述非晶Si的厚度为2～15nm；优选地，所述键合中间层的生长方法包括热氧化、气相沉积、离子束溅射或电子束蒸发中的任意一种或至少两种的组合。5.根据权利要求1
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4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述(111)晶向单晶Si薄膜层在键合中间层上的转移方法为键合转移剥离；优选地，所述(111)晶向单晶Si薄膜层的厚度为50nm～1μm。6.根据权利要求1
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5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述AlN/AlGaN缓冲层为多层和Al组分渐变的AlGaN缓冲层；优选地，所述AlN/AlGaN缓冲层的厚度为1～4μm；优选地，所述AlN/AlGaN缓冲层的制备方法包括PVT、MOCVD、...

【专利技术属性】
技术研发人员：母凤文，田野，郭超，
申请(专利权)人：北京青禾晶元半导体科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：