[发明专利]氮化物半导体衬底的制造方法及复合材料衬底

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化物半导体衬底(nitride semiconductor substrate)的制造方法，且特别是涉及一种能够形成低缺陷密度的氮化物半导体衬底的制造方法以及用上述方法制备的具有图案结构的复合材料衬底(compositematerial substrate)。

背景技术

近几年来，氮化镓和相关的三元化合物半导体被广泛地应用在短波长光电元件与高功率高频元件中，但由于氮化镓衬底的制作不易，因此，其往往生长于其它种类的衬底上，例如，单晶氧化铝衬底以及碳化硅衬底上。虽然，氮化镓单晶已经能够成功的利用异质外延(Heteropeitaxy)技术生长于这两种衬底上，然而，由于晶格不匹配的缘故在外延过程中通常会造成高密度的缺陷，这些缺点将局限氮化镓材料在光电半导体元件的应用及发展。

一般而言，氮在液态镓中溶解度和扩散系数的限制，导致传统拉单晶技术很难完成氮化镓衬底的制作。故而近年来发展出氢化物气相外延法(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)，并利用此技术将蓝宝石(sapphire)衬底上的氮化镓厚度大幅提升以生长氮化镓厚膜，但是缺陷密度和宏观裂痕却无法有效的大幅降低，最主要的因素还是异质材料所存在的晶格常数和热膨胀系数差异所造成。

目前已有制作低缺陷密度的氮化镓衬底的专利提出，如美国专利US6,964,914。这件专利主要是先将氮化镓或氮化铝的单晶基材执行氢离子(H⁺)注入，注入的深度即是将来转移后的厚度。然后，注入完毕后利用直接晶片键合(Direct-wafer-bonding)或媒介物晶片键合技术(Intermediate-wafer-bonding)将薄的氮化镓层转移到其它支撑衬底上，被转移的这层单晶层称为成核层(nucleation layer)。接着，利用氢化物气相外延法生长厚的氮化镓单晶层，最后，分离氮化镓厚膜与支撑衬底。

然而，上述美国专利固然是能制作无支撑(free standing)氮化镓厚膜，但是这件专利有几点是比较不利的，以下列几点说明：晶片键合过程中键合温度高达了800～1000℃，在薄成核层分离转移的过程其温度也是高达900～950℃，高温会使氮化镓或者支撑衬底因热膨胀系数差而破裂。另外，以氮化镓衬底来当作成核种子材料似乎是不敷成本，原因在于此衬底目前的成本高达1万美元，成本之高可见一斑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化物半导体衬底的制造方法，以得到低缺陷密度的半导体衬底。

本发明的再一目的是提供一种具有图案结构的复合材料衬底，可适用于生长低缺陷密度的氮化物半导体衬底。

本发明提出一种氮化物半导体衬底的制造方法，包括先提供一个第一衬底，这个第一衬底包括第一基材、堆叠于第一基材上的氮化物半导体模板层以及堆叠于氮化物半导体模板层上的第一介质层。接着，构图第一介质层和氮化物半导体模板层，再提供一个第二衬底，这个第二衬底包括第二基材以及堆叠于第二基材上的第二介质层。随后，以键合转移(bonding and transfer)工艺将第一衬底的氮化物半导体模板层以及第一介质层转移到第二衬底的第二介质层上，然后利用一道外延工艺自氮化物半导体模板层生长一层氮化物半导体厚膜。之后，将氮化物半导体厚膜与第二衬底分离。

依照本发明的优选实施例所述的制造方法，其中构图第一介质层和氮化物半导体模板层的方法包括光刻技术。而且，构图第一介质层和氮化物半导体模板层的步骤包括先构图第一介质层，再以构图的第一介质层当作蚀刻掩模，蚀刻上述氮化物半导体模板层。

依照本发明的优选实施例所述的制造方法，其中构图第一介质层和氮化物半导体模板层的方法包括将第一介质层和氮化物半导体模板层制作成具有直线型、网状型或点状分布型的图案。

依照本发明的优选实施例所述的制造方法，其中第一介质层和第二介质层的材料各自独立地包括SiO₂、Si₃N₄或旋转涂布玻璃(Spin on glass，SOG)。

依照本发明的优选实施例所述的制造方法，其中第二基材的材料包括蓝宝石、硅(Si)、GaP、InP、石英(Quartz)、耐高温玻璃或陶瓷材料。