基于蓝宝石衬底的金刚石基GaN异质结晶圆制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于蓝宝石衬底的金刚石基GaN异质结晶圆制备方法，包括：在第一蓝宝石衬底上生长第一成核层、GaN缓冲层、GaN/AlGaN异质结层以及介质保护层得到蓝宝石衬底GaN外延片；在第二蓝宝石衬底上生长第二成核层得到临时载片；将外延片与临时载片进行晶圆键合得到第一键合片；激光剥离第一蓝宝石衬底同时去除第一成核层；将剥离第一蓝宝石衬底后的第一键合片与金刚石衬底进行晶圆键合得到第二键合片；激光剥离第二蓝宝石衬底，同时去除第二成核层；去除第一键合层，然后去除介质保护层，得到制备完成的金刚石基GaN异质结晶圆。本发明专利技术能够制备出大尺寸、高效率、低成本以及高性能的金刚石基GaN异质结晶圆。及高性能的金刚石基GaN异质结晶圆。及高性能的金刚石基GaN异质结晶圆。

【技术实现步骤摘要】
基于蓝宝石衬底的金刚石基GaN异质结晶圆制备方法


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种基于蓝宝石衬底的金刚石基GaN(氮化镓)异质结晶圆制备方法。

技术介绍

[0002]第三代半导体材料GaN具有禁带宽度大、击穿电压高、振荡频率高、电子饱和速度快等特点，具有比硅、砷化镓等第一和第二代半导体更为明显的高频高功率性能优势，利用GaN异质结制作的高速、高温和大功率半导体电子器件在通信技术、雷达、光电器件以及其它大数据信息系统中扮演着关键的角色。
[0003]GaN电子器件的性能瓶颈与其制备所用的晶圆材料特性关系密切，因此高性能的GaN晶圆材料制备对于发展高性能和高可靠的GaN电子器件具有关键的作用。
[0004]目前GaN异质结晶圆常采用外延方法制备，可分为同质外延与异质外延两类。其中，同质外延方法采用GaN衬底并直接在该衬底上生长可供器件制备的GaN异质结层(如GaN/AlGaN异质结)等器件有源区，但是该方法依然难以消除衬底和异质结层之间的寄生沟道，导致了器件漏电较大，限制了其进一步应用。异质外延方法是目前GaN异质结晶圆主流的制备方法，其采用在其它晶格常数不同的材料(如硅、蓝宝石或碳化硅)上生长制备有源区。
[0005]异质外延方法存在较大的晶格失配和热失配问题。为了得到高品质的GaN晶圆材料，最为普遍的做法是在异质衬底上先生长成核层，以便抑制位错和缺陷，从而能外延出高质量的有源区；在生长成核层后，紧接着将生长μm级厚度的缓冲层，该缓冲层一方面可分隔成核层与器件制备所需的有源区，另外也作为高质量GaN有源区生长的基底。缓冲层与GaN异质结层等器件有源区之间并不是一种分界明显的材料结构，而是一种渐变的过渡。在高频器件、高压开关、光电器件等大多数领域，缓冲层与GaN异质结层等有源区共同发挥作用(例如GaN异质结的二维电子气将会延伸到缓冲层中)，以使GaN器件达到期望的性能参数。
[0006]GaN电子器件在高频高功率领域的优势使得热管理问题始终是应用领域中的关键要素，高效的热设计可以降低该类电子器件的工作温度，并使其性能和可靠性最大化。然而，GaN晶圆材料的热瓶颈问题一直限制着该型器件的性能上限，其主要原因来自以下几个方面：
[0007]首先，GaN材料自身的热传导性能不足，其热导率仅为130
‑
210W/m
·
K，高于砷化镓材料(56W/m
·
K)和蓝宝石(23W/m
·
K)，与硅材料(150W/m
·
K)相近，却远低于碳化硅(380
‑
450W/m
·
K)和常规的散热材料铜(401W/m
·
K)。
[0008]其次，采用氢化物气相外延(HVPE)制备自支撑GaN衬底技术尚且不成熟，难以获得大尺寸、低成本的GaN外延材料，在其上采用金属有机化学气相沉淀(MOCVD)制备GaN异质结难以避免生长界面的漏电通路，不利于高性能器件研制；因此当前用于制备高频高功率GaN器件的材料通常都是采用MOCVD在异质衬底如硅、蓝宝石、碳化硅上进行外延生长制备，其尺寸通常可达4英寸以上。但这使得GaN功率器件还严重受限于GaN异质生长衬底的热导率。
[0009]此外，GaN外延材料与异质衬底结合界面、GaN外延材料的成核层、缓冲层与GaN异质结之间的界面热问题也是关键限制因素。随着GaN器件在频率、功率性能方面的不断提高，器件的热积累效应愈发严重，即使碳化硅衬底也无法解决GaN大功率器件因热管理失衡引起的器件性能恶化和失效问题，严重限制其在高频高功率和高密度集成应用中的性能表现。
[0010]在器件尺寸小型化和功率不断增加的背景下，为了解决GaN电子器件因发热问题导致的性能无法充分发挥问题，采用热导率更高的衬底材料将GaN器件产生的热量快速从器件结区扩散至制冷系统，成为了解决当前困境的关键方法。金刚石热导率可高达2200W/m
·
K，且随着人工制备金刚石技术的快速发展，英寸级的金刚石晶圆制备已经成为了现实。将金刚石作为GaN的衬底材料，可将目前碳化硅衬底GaN器件的热传导能力提升3～5倍，实现器件热管理效率的有效提升，促进GaN器件小型化和功率的不断提升，满足相关领域需求。
[0011]目前制备金刚石基GaN异质结晶圆的方法主要分为生长集成和晶圆转移键合两个方面，这两类方法在大尺寸、高效率、低成本以及高性能的晶圆材料制备方面依然存在诸多问题难以克服。
[0012]其中，生长集成方法存在的问题是，无论在GaN异质结表面生长金刚石，亦或是在金刚石表面生长GaN异质结都会面临着由于不同材料体系之间的热膨胀系数不同引起的严重热失配、和不同晶格常数引起的晶格失配问题，使得生长界面的热阻过大，晶圆几何形变严重且随着晶圆尺寸的增加急剧恶化，难以获得英寸级的大尺寸晶圆；且生长过程中由于热失配引起的晶圆破裂使其在高效率和低成本制备方面存在劣势；更为严重是上述问题还会引起GaN载流子迁移率、载流子浓度等电学性能衰退严重，无法适应GaN器件的高性能需求。
[0013]晶圆转移键合技术是先在同质或异质衬底上制备GaN异质结晶圆，通过第一次晶圆键合先将GaN异质结与临时载片结合，然后将GaN材料从原始生长衬底剥离，再利用第二次晶圆键合技术转移到加工好的金刚石晶圆上，去除临时载片，最终得到金刚石基GaN异质结晶圆材料。该技术路线可解决生长集成方案面临的技术难题，但依然存在以下问题：
[0014](1)在原始生长衬底剥离和临时载片去除这两步工艺中，GaN异质结外延层和的原始衬底的分离会引起应力的集中释放，极易导致GaN异质结层破裂和性能衰退，对GaN外延层材料和电性能指标有较大的恶化作用。
[0015](2)临时载片与GaN原始生长衬底之间由于不同材料体系热膨胀系数不同存在热失配问题，一方面导致GaN异质结与临时载片的第一次键合困难，另一方面还导致了GaN异质结层与原始生长衬底分离时的应力不匹配，造成GaN异质结层开裂破损。
[0016](3)GaN晶圆与金刚石之间的第二次键合界面的厚度较大，不能很好地发挥金刚石的高热导率优势。

技术实现思路

[0017]为了解决现有技术中所存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于蓝宝石衬底的金刚石基GaN异质结晶圆制备方法。
[0018]一种基于蓝宝石衬底的金刚石基GaN异质结晶圆制备方法，包括：
[0019]步骤一、在第一蓝宝石衬底上依次生长第一成核层、GaN缓冲层、GaN/AlGaN异质结层以及介质保护层，得到蓝宝石衬底GaN外延片；其中，所述第一成核层是可激光剥离的成核层；
[0020]步骤二、在第二蓝宝石衬底上生长第二成核层，得到临时载片；所述第二成核层是可激光剥离的成核层；
[0021]步骤三、将所述蓝宝石衬底GaN外延片与所述临时载片进行晶圆键合，得到包含第一键合层的第一键合片；所述第一键合层位于所述介质保护层和所述第二成核层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于蓝宝石衬底的金刚石基GaN异质结晶圆制备方法，其特征在于，包括：步骤一、在第一蓝宝石衬底上依次生长第一成核层、GaN缓冲层、GaN/AlGaN异质结层以及介质保护层，得到蓝宝石衬底GaN外延片；其中，所述第一成核层是可激光剥离的成核层；步骤二、在第二蓝宝石衬底上生长第二成核层，得到临时载片；所述第二成核层是可激光剥离的成核层；步骤三、将所述蓝宝石衬底GaN外延片与所述临时载片进行晶圆键合，得到包含第一键合层的第一键合片；所述第一键合层位于所述介质保护层和所述第二成核层之间；步骤四、激光剥离所述第一键合片中的第一蓝宝石衬底，同时去除所述第一键合片中的所述第一成核层，暴露出所述GaN缓冲层；步骤五、将经步骤四处理后的第一键合片与金刚石衬底进行晶圆键合，得到第二键合片；步骤六、激光剥离所述第二键合片中的所述第二蓝宝石衬底，同时去除所述第二键合片中的所述第二成核层；步骤七、去除所述第二键合片中的所述第一键合层，然后去除所述第二键合片中的所述介质保护层，得到制备完成的金刚石基GaN异质结晶圆。2.根据权利要求1所述的基于蓝宝石衬底的金刚石基GaN异质结晶圆制备方法，其特征在于，所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底均为双面抛光蓝宝石衬底。3.根据权利要求1所述的基于蓝宝石衬底的金刚石基GaN异质结晶圆制备方法，其特征在于，所述步骤三中实现晶圆键合的方式包括：金属键合、介质键合或者键合胶键合。4.根据权利要求1所述的基于蓝宝石衬底的金刚石基GaN异质结晶圆制备方法，其特征在于，所述步骤五中实现晶圆键合的方式包括：介质键合或无中间粘合剂的直接键合。5.根据权利要求1所述的基于蓝宝石衬底的金刚石基GaN异质结晶圆制备方法，其特征在于，所述第一成核层和所述第二成核层均包括：GaN成核层；所述GaN成核层的生长工艺参数包括：生长温度700～800℃，压强50～70Torr，三甲基镓源流量30～50sccm，氨气源流量900～1100sccm，生长时间10～20分钟。6.根据权利要求1所述的基于蓝宝石衬底的金刚石基GaN异质结晶圆制备方法，其特征在于，所述第一成核层和所述第二成核层均包括：AlN成核层；所述AlN成核层的生长工艺参数包括：生长温度700～800℃，压强50～70Torr，三甲基铝源流量250～350sccm，...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏凯，王晗雪，张金风，任泽阳，张雅超，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：