[发明专利]一种宽禁带半导体柔性衬底的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种宽禁带半导体柔性衬底的制备方法，特别是单晶GaN、AlN、SiC柔性衬底的制备方法。

背景技术

宽禁带半导体主要包括二元的InN、GaN、AlN、SiC，三元的InGaN、AlGaN和四元的InGaAlN等材料，氮化铝（AlN）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）基半导体材料是宽禁带半导体材料的典型代表。这些材料具有宽禁带、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、较小的介电常数、高热导率、高抗辐射能力等特点，是制作高频、高功率、耐高温、抗辐射电子器件的理想材料，在国防、航天、航空、通信、汽车、石油开采等方面有着广泛的应用前景。另外这些材料也是重要的光电子材料，它们在高亮度发光二极管（LED）、紫外/蓝/绿光激光器（LD）、日盲探测器、紫外探测器等方面市场前景广阔。

目前，用于宽禁带半导体电子器件的衬底主要是异质衬底，例如蓝宝石、SiC、Si等。这些衬底技术成熟、价格便宜，这些衬底上制备的电子器件商业化应用取得了巨大的成功。但是，异质衬底上进行异质外延存在一系列的问题，例如：由于衬底和外延晶体晶格的失配将引起失配位错；由于热膨胀系数的差别在降温退火过程中会产生热应力，从而导致裂纹的出现，晶片变形严重；晶体极性的不同常常会引起反向畴缺陷。这些问题严重制约了外延膜晶体质量的提高。解决这些问题的最好办法是采用同质衬底，目前，SiC的同质衬底最为成熟，Cree公司可以大批量销售4inch无微管缺陷的4H-SiC，6inch的4H-SiC单晶衬底也已经开始生产，可以少量供应。GaN在高温下易分解，难于熔化，所以氮化镓单晶材料的生长极为困难。但是近几年GaN体单晶的生长技术发展很快，例如采用HVPE技术，可以制备2inch位错密度为10⁵～10⁶cm^-2的氮化镓体单晶，采用HPNS技术可以制备直径为3cm位错密度为2×10²cm^-2的氮化镓体单晶，采用氨热法可以制备2inch位错密度为5×10³cm^-2的氮化镓体单晶。AlN单晶衬底目前已经实现了产业化，例如俄罗斯的NitrideCrystal公司能够批量供应2inch位错密度1×10³cm^-2的PVT AlN单晶衬底。

宽禁带半导体同质衬底虽然能够大幅度提高外延材料的晶体质量，但是其成本昂贵，规模化生产困难，且无法制备大尺寸单晶衬底，这些都制约了同质衬底的大规模应用。此外，目前宽禁带半导体同质衬底的结晶质量不够完美，缺陷水平较高。我们知道，衬底的质量会直接影响外延层的晶体质量，它会产生位错的延伸、增殖等。因此，开发出一种能够提高外延层晶体质量的易于产业化的低成本宽禁带半导体衬底制备技术显得异常重要。

柔性衬底技术作为一种降低应力的技术，正越来越得到科研工作者的重视。所谓柔性衬底，可以理解为衬底在特定的条件下，显示出屈服于外延材料性质的柔性特征，通过自身的应变，部分地抵消外延层的应力，从而达到降低外延层内部的残余应力，提高晶体质量的效果。柔性衬底理论的提出，已经有十多年的历史，主要针对SiGe、GaAs、InP等半导体薄膜的异质外延生长，解决晶格失配应力导致材料质量下降、甚至完全失效的问题。

发明内容

本发明将柔性衬底的理论引入宽禁带半导体同质外延衬底的制备工艺中，本发明的宽禁带半导体柔性衬底结合了柔性衬底和同质外延的优点，能够显著的降低其上外延膜的应力，提升外延膜的晶体质量。此外，该衬底还可以解决目前宽禁带半导体同质衬底制造成本高、晶体尺寸小的难题。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述宽禁带半导体柔性衬底的制备方法包含如下步骤：

1）采用MOCVD、MBE或HVPE方法在蓝宝石或SiC衬底上生长宽禁带半导体外延层；

2）在宽禁带半导体外延层上表面进行H⁺注入或He⁺注入，使宽禁带半导体外延层中形成脆性气泡层；

3）将宽禁带半导体外延层上表面与支撑衬底进行键合，形成复合衬底，支撑衬底提供“加强板”的作用；