【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体，涉及单晶iii族氮化物自支撑衬底的制备方法，具体涉及一种利用陶瓷异质集成复合衬底制备高质量单晶iii族氮化物自支撑衬底的方法。
技术介绍
1、iii族氮化物材料具有禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速率大以及耐高温抗辐照等诸多优点，在功率电子、射频电子以及光电器件方面具有重要应用。然而，由于iii族氮化物自支撑衬底发展缓慢，大量iii族氮化物材料与器件集中于异质外延，常用的异质外延衬底包括sic、si和蓝宝石衬底。以上异质衬底与外延层之间均存在较大热失配和晶格失配，导致iii族氮化物外延层质量无法与同质外延层相媲美。所以，发展iii族氮化物自支撑衬底是解决这一问题的关键。
2、氢化物气相外延（hvpe）是目前生长iii族氮化物自支撑衬底最常用的方法之一，具有生长速度快和晶体质量高的优点。但是，hvpe生长iii族氮化物自支撑衬底时也需要引入衬底材料，目前常用的衬底材料为蓝宝石衬底。然而，使用蓝宝石衬底同样会在hvpe生长过程中由于热失配和晶格失配引入巨大的应力，从而导致iii族氮化物材料中存在较高的位错密度，或者导致材料开裂。另外，由于应力导致的翘曲和蓝宝石巨大的莫氏硬度，也使得hvpe生长的iii族氮化物材料难以从蓝宝石上剥离下来。如何实现低成本高良率的剥离是hvpe生长iii族氮化物自支撑衬底研究中的又一个关键科学技术问题。
3、为了解决hvpe生长iii族氮化物自支撑衬底过程中的应力问题和剥离困难问题，同时兼顾高质量、大尺寸、低成本的需求，陶瓷衬底逐渐受到重视。陶瓷衬底包括a
4、但是，陶瓷衬底表面粗糙度大，且没有长程有序的晶格结构，所以在陶瓷衬底上生长单晶gan自支撑衬底难度很大。在本专利技术人的已公开专利申请“一种在陶瓷衬底上生长单晶iii族氮化物厚膜外延层的方法（cn116575123a）”和“一种利用陶瓷衬底生长单晶gan自支撑衬底的方法（cn116590795a）”中，创新性地采用了二维材料作为长程有序晶格结构的引入层，从而实现了在多晶的陶瓷衬底上生长单晶iii族氮化物材料。但是，目前二维材料的晶圆级大尺寸转移仍然不够成熟，并且二维材料上生长单晶iii族氮化物材料的成核与生长机理比较复杂，虽然通过上述专利申请所述方法可以长出单晶iii族氮化物材料，但不利于大规模低成本的批量化生产。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种适宜大规模低成本批量化生产的利用陶瓷衬底制备高质量单晶iii族氮化物自支撑衬底的方法。
2、首先，本专利技术巧妙地利用键合技术，在陶瓷衬底上转移单晶薄层材料，使二者键合成陶瓷异质集成复合衬底；再利用比较成熟的单晶衬底上外延iii族氮化物的技术生长高质量单晶iii族氮化物厚膜；最后去除陶瓷异质集成复合衬底，切片、研磨、抛光，获得高质量单晶iii族氮化物自支撑衬底。具体而言，本专利技术通过以下技术方案实现：
3、一种制备高质量单晶iii族氮化物自支撑衬底的方法，包括以下步骤：
4、（1）选取陶瓷衬底；
5、（2）在陶瓷衬底上沉积填充材料，然后研磨抛光，获得光滑表面；
6、（3）在陶瓷衬底表面键合单晶薄层，获得陶瓷异质集成复合衬底；
7、（4）在陶瓷异质集成复合衬底表面生长单晶iii族氮化物厚膜；
8、（5）去除陶瓷异质集成复合衬底，并对单晶iii族氮化物厚膜进行切片、研磨、抛光，获得高质量单晶iii族氮化物自支撑衬底。
9、上述方法中，有几个关键技术要点：1、在键合单晶薄层前，在陶瓷衬底表面沉积近同质的填充材料，并进行研磨抛光，以获得原子级平整的表面，为键合步骤打下基础；2、综合外延生长需求、键合技术需求等条件，选取合适的单晶薄层材料，并采用相应的陶瓷-单晶薄层键合技术，以获得优质的陶瓷异质集成复合衬底；3、因陶瓷异质集成复合衬底自身复杂的多层耦合结构，要获得高质量单晶iii族氮化物自支撑衬底，在复合衬底表面生长单晶iii族氮化物厚膜的方法与在传统单晶衬底表面生长的方法有所不同。
10、上述制备高质量单晶iii族氮化物自支撑衬底的方法中，所述iii族氮化物主要是指gan和aln。
11、上述步骤（1）选取的陶瓷衬底可以是aln陶瓷、sic陶瓷或其他陶瓷材料。
12、上述步骤（1）选取的陶瓷衬底的尺寸可以是1~12吋晶圆，也可以是陶瓷基板常用的方形、圆形或者其他形状的大尺寸陶瓷衬底。陶瓷衬底的厚度可以是100微米~5毫米。
13、上述步骤（2）在陶瓷衬底表面沉积的填充材料可以是aln、sic、gan、sio2、sin、al2o3或其他材料，优选为与衬底具有相同的元素组成的材料。
14、上述步骤（2）沉积填充材料的方法可以是pvd（物理气相沉积）、cvd（化学气相沉积）、mocvd（金属有机气相外延）、pld（脉冲激光沉积）、mbe（分子束外延）、ald（原子层沉积）或hvpe（氢化物气相外延）。沉积的填充材料厚度可以是100~100000纳米，然后进行研磨抛光，优选减薄至100~10000纳米，一般采用机械研磨和机械抛光（或先机械抛光再化学机械抛光）的方法获得光滑表面。该处理可以解决陶瓷衬底表面的凹坑、台阶等问题。
15、上述步骤（3）在陶瓷衬底表面键合单晶薄层的方法可以是智能切割技术（smart-cut）、键合-减薄技术或其他键合技术。键合介质可以是sio2、si、sin、al2o3或者无键合介质（直接键合），优选为直接键合。采用键合介质时，键合介质的厚度一般为10~5000纳米。键合温度可以是室温至1000摄氏度。
16、上述步骤（3）在陶瓷衬底表面键合的单晶薄层的材料可以是si(111)、sic、gan、aln、蓝宝石或其他单晶材料，优选为sic、gan、aln单晶材料。所述单晶薄层最优选为后续要生长的高质量iii族氮化物厚膜的同种材料。例如：如果要生长gan厚膜，单晶薄层的材料最优选为gan，其次为aln，再次为sic；如果要生长aln厚膜，单晶薄层的材料最优选为aln，其次为sic。所述单晶薄层的厚度可以是10~100000纳米，优选为100~1000纳米。
17、上述步骤（4）在陶瓷异质集成复合衬底表面生长的高质量单晶iii族氮化物厚膜可以是gan厚膜或aln厚膜。高质量单晶iii族氮化物厚膜的厚度可以是10~50000微米。
18、上述步骤（4）在陶瓷异质集成复合衬底表面生长高本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种制备高质量单晶III族氮化物自支撑衬底的方法，其中所述III族氮化物是指GaN或AlN，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）选取的陶瓷衬底是AlN陶瓷或SiC陶瓷。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）选取的陶瓷衬底为1~12吋晶圆大小，或者是其他尺寸和形状的陶瓷基板；所述陶瓷衬底的厚度为100微米~5毫米。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）所述填充材料选自AlN、SiC、GaN、SiO2、SiN和Al2O3；先沉积厚度为100~100000纳米的填充材料，然后进行研磨抛光，减薄至100~10000纳米。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）采用智能切割技术或键合-减薄技术在陶瓷衬底表面键合单晶薄层，键合介质选自SiO2、Si、SiN和Al2O3，或者无键合介质直接键合。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）所述单晶薄层的材料选自Si(111)、SiC、GaN、AlN和蓝宝石，厚度为10~100000纳米。
<...【技术特征摘要】
1.一种制备高质量单晶iii族氮化物自支撑衬底的方法，其中所述iii族氮化物是指gan或aln，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）选取的陶瓷衬底是aln陶瓷或sic陶瓷。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）选取的陶瓷衬底为1~12吋晶圆大小，或者是其他尺寸和形状的陶瓷基板；所述陶瓷衬底的厚度为100微米~5毫米。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）所述填充材料选自aln、sic、gan、sio2、sin和al2o3；先沉积厚度为100~100000纳米的填充材料，然后进行研磨抛光，减薄至100~10000纳米。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）采用智能切割技术或键合-减薄技术在陶瓷衬底表面键合单晶薄层，键合介质选自sio2、si、sin和al2o3，或者无键合介质直接键合。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）所述单晶薄层的材料选自si(111)、sic、gan、...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨学林，沈波，吴俊慷，张可鑫，陈正昊，吴发权，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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