生产用于外延生长基于镓的III-N合金层的衬底的方法技术

本发明专利技术涉及一种制造用于外延生长氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)或氮化铟镓(InGaN)层的衬底的方法，所述方法包括以下连续步骤：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】生产用于外延生长基于镓的III
‑
N合金层的衬底的方法


[0001]本专利技术涉及制造用于外延生长基于镓的III
‑
N合金层(即，氮化镓(GaN)层、氮化铝镓(AlGaN)层或氮化铟镓(InGaN)层)的衬底的方法，涉及制造这种III
‑
N合金层的方法以及涉及用于在这种III
‑
N合金层中制造高电子迁移率晶体管(HEMT)的方法。

技术介绍

[0002]III
‑
N半导体(特别是氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)或氮化铟镓(InGaN))似乎是特别有前景的，特别是关于形成高功率发光二极管(LED)和在高频下工作的电子器件，即，诸如高电子迁移率晶体管(HEMT)或其它场效应晶体管(FET)的器件。
[0003]就这些III
‑
N合金难以以大尺寸的块状衬底的形式找到而言，它们通常通过异质外延(heteroepitaxy)，即，通过在由不同材料制成的衬底上外延来形成。
[0004]这种衬底的选择特别是考虑了衬底材料与III
‑
N合金之间晶格参数的差异和热膨胀系数的差异。具体地，这些差异越大，在氮化镓中形成晶体缺陷(诸如，位错)的风险就越大，并且产生易于引起过度应变的高机械应力的风险就越大。
[0005]最常考虑用于III
‑
N合金的异质外延的材料是蓝宝石和碳化硅(SiC)。
[0006]除了其晶格参数与氮化镓的小差异之外，碳化硅对于高功率电子应用是特别优选的，因为其热导率明显高于蓝宝石的热导率，并且因此允许在部件操作期间产生的热能更容易地耗散。
[0007]在射频(RF)应用中，寻求使用半绝缘碳化硅，即，电阻率高于或等于105Ω.cm的碳化硅，以便使衬底中的寄生损耗(通常称为RF损耗)最小化。然而，这种材料是特别昂贵的，并且目前只能以有限尺寸的衬底形式获得。
[0008]硅将使得制造成本显著降低，并且可以取得大尺寸的衬底，但是硅上III
‑
N合金类型的结构受到RF损耗和不良散热的不利影响。
[0009]复合结构(诸如，SopSiC或SiCopSiC结构)也已经被研究[1]，但尚未证明是完全令人满意的。这些结构分别包括在多晶SiC衬底上的单晶硅层或单晶SiC层(旨在形成用于氮化镓的外延生长的晶种层)。尽管多晶SiC是廉价的材料，其可以以大尺寸的衬底的形式获得并且良好地散热，但是这些复合结构由于在单晶硅或SiC层与多晶SiC衬底之间的交界面处存在氧化硅层而受到不利影响，该氧化硅层形成阻碍热从III
‑
N合金层向多晶SiC衬底耗散的热障。

技术实现思路

[0010]因此，本专利技术的一个目的是补救上述缺点以及特别是与半绝缘SiC衬底的尺寸和成本相关的限制。
[0011]因此，本专利技术的目的是提供一种制造用于外延生长基于镓的III
‑
N合金的衬底的方法，特别是以形成RF损耗被最小化并且散热被最大化的HEMT或其它高频、高功率电子器件。
[0012]为此，本专利技术提供了一种制造用于外延生长氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)或氮化铟镓(InGaN)层的衬底的方法，所述方法包括以下连续步骤：
[0013]‑
提供包括至少一个单晶碳化硅SiC层的基础衬底，
[0014]‑
在所述单晶SiC层上执行半绝缘SiC层的外延生长以形成供体衬底，
[0015]‑
将离子物质植入到所述半绝缘SiC层中，以便形成限定待转移的单晶半绝缘SiC薄层的弱化区域，
[0016]‑
将所述半绝缘SiC层接合到具有高电阻率的受体衬底，
[0017]‑
沿着所述弱化区域分离所述供体衬底，以便将所述单晶半绝缘SiC薄层转移到所述受体衬底上。
[0018]“高频”在本文中是指高于3kHz的频率。
[0019]“高功率”在本文中是指通过晶体管的栅极注入的高于0.5W/mm的功率密度。
[0020]“高电阻率”在本文中是指高于或等于100Ω.cm的电阻率。
[0021]“半绝缘碳化硅”在本文中是指电阻率高于或等于105Ω.cm的碳化硅。
[0022]该方法允许包括半绝缘SiC层的高电阻率和高热导率的基础衬底，该半绝缘SiC层的晶体质量在散热和RF损耗限制方面适于要形成的氮化镓层的随后外延生长并且使最终结构受益于其良好性能。由于半绝缘SiC层与高电阻率和高热导率的衬底直接接触，因此该结构还不包含热障。
[0023]因为高电阻率的衬底的晶体质量不足或所述衬底的材料与碳化硅之间的晶格参数的差异，包括通过直接在高电阻率的衬底上外延形成半绝缘SiC层的方法将导致在半绝缘SiC中形成大量位错。相比之下，根据本专利技术的方法使得可以使用单晶SiC层作为用于半绝缘SiC生长的晶种，该单晶SiC层的质量是最佳的，因为其通过从供体衬底的转移而获得。
[0024]根据本专利技术的有利但可选的特征，当这在技术上可能时，其可以单独地或组合地实现：
[0025]‑
所述受体衬底与碳化硅的热膨胀系数之差小于或等于3
×
10
‑6K
‑1；
[0026]‑
所述受体衬底选自高电阻率的硅衬底、高电阻率的多晶SiC衬底、多晶AlN衬底和金刚石衬底；
[0027]‑
外延的半绝缘SiC层具有大于或等于3μm的厚度，优选地大于或等于5μm的厚度，并且甚至更优选地大于或等于10μm的厚度；
[0028]‑
被转移到所述受体衬底的薄层具有小于1μm的厚度；
[0029]‑
通过在SiC的外延生长期间掺杂钒来形成半绝缘SiC层；
[0030]‑
该方法还包括回收从被转移的层分离的供体衬底的部分的步骤，以形成新的供体衬底；
[0031]‑
所述回收包括抛光半绝缘SiC层的残留部分，由此获得的新的供体衬底能够用于植入离子物质的新步骤；
[0032]‑
所述回收包括抛光所述半绝缘SiC层的残留部分以及执行外延再生长以增加所述半绝缘SiC层的厚度以形成新的供体衬底；
[0033]‑
所述回收包括去除半绝缘SiC层的残留部分以露出单晶SiC层的碳以及在单晶SiC层的碳面上执行新的半绝缘SiC层的外延生长以形成新的供体衬底；
[0034]‑
所述基础衬底的单晶碳化硅层具有自由碳面，在所述单晶SiC层的所述碳面上执
行所述半绝缘SiC层的外延生长，通过所述半绝缘SiC层的碳面植入所述离子物质，所述半绝缘SiC层的碳面接合到所述受体衬底，在所述分离结束时，露出被转移的单晶半绝缘SiC层的硅面；
[0035]‑
该方法包括通过以下连续步骤制造基础衬底：提供具有硅面的单晶碳化硅起始衬底；通过起始衬底的硅面植入离子物质，以形成限定待转移的单晶SiC薄层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造用于外延生长氮化镓GaN、氮化铝镓AlGaN或氮化铟镓InGaN层的衬底的方法，所述方法包括以下连续步骤：
‑
提供包括至少一个单晶碳化硅层(10，51)的基础衬底，
‑
在所述单晶碳化硅层(10，51)上执行半绝缘碳化硅层(11)的外延生长以形成供体衬底，
‑
将离子物质植入到所述半绝缘碳化硅层(11)中，以便形成限定待转移的单晶半绝缘碳化硅薄层(12)的弱化区域(13)，
‑
将所述半绝缘碳化硅层(11)接合到具有高电阻率的受体衬底(20)，
‑
沿着所述弱化区域(13)分离所述供体衬底，以便将所述单晶半绝缘碳化硅薄层(12)转移到所述受体衬底(20)上。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述受体衬底(20)与碳化硅的热膨胀系数之差小于或等于3
×
10
‑6K
‑1。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述受体衬底(20)选自高电阻率的硅衬底、高电阻率的多晶碳化硅衬底、多晶AlN衬底和金刚石衬底。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，外延的半绝缘碳化硅层(11)具有大于或等于3μm的厚度，优选大于或等于5μm的厚度，甚至更优选大于或等于10μm的厚度。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，转移到所述受体衬底(20)的所述薄层(12)具有小于1μm的厚度。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，半绝缘碳化硅层(11)通过在碳化硅的外延生长期间掺杂钒而形成。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，所述方法还包括回收从被转移的层(12)分离的所述供体衬底的部分的步骤，以形成新的供体衬底。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述回收包括抛光所述半绝缘碳化硅层(11)的残留部分(11
’
)，由此获得的新的供体衬底能够用于植入离子物质的新步骤。9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述回收包括抛光所述半绝缘碳化硅层(11)的残留部分(11
’
)以及执行外延再生长以便增加所述半绝缘碳化硅层的厚度以形成所述新的供体衬底。10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述回收包括去除所述半绝缘碳化硅层(11)的残留部分(11
’
)以露出所述单晶碳化硅层(10，51)的碳面，以及在所述单晶碳化硅层(10，51)的碳面(10
‑
C，51
‑
C)上执行新的半绝缘碳化硅层(11)的外延生长以形成所述新的供体衬底。11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中：
‑
所述基础衬底的所述单晶碳化硅层(10，51)具有自由碳面(10
‑
C，51
‑
C)，
‑
在所述单晶碳化硅层(10，51)的所述碳面(10
‑
C，51
‑
C)上执行所述半绝缘碳化硅层(11)的外延生长，
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃里克，
申请(专利权)人：索泰克公司，
类型：发明
国别省市：