[发明专利]一种近单晶双层透明AlN陶瓷复合衬底的制备方法

说明书

本发明公开了一种近单晶双层透明AlN陶瓷复合衬底的制备方法，c轴偏差在10‑20°以内、厚度为100‑1000微米、晶胞直径在1‑3微米的近单晶AlN透明陶瓷基板的制备：将纯净的AlN陶瓷粉体装入塑料袋中形成圆柱形放入温等静压设备中进行压制粉碎，二次压制，切割成衬底圆片放入烧结炉内两次高温烧结；在透明陶瓷基板上制备c轴取向偏差在5°以内、厚度5‑100微米的AlN或GaN准单晶层：利用分子束外延法或金属有机化合物气相沉积法等方法制备，高温烧结。本发明制备的复合衬底能够实现外延生长GaN或AlN单晶材料或器件，翘曲变形小，热导率高，制造成本低，使6英寸和8英寸LED器件的生产成为可能。

技术领域

本发明属于半导体材料制备领域，涉及一种近单晶双层透明AlN陶瓷复合衬底的制备方法。

背景技术

随着GaN或AlN基器件技术的发展和应用，目前世界上的通用照明和发光领域，基本为GaN或AlN基器件所垄断。然而，由于缺少GaN单晶衬底，GaN基LED器件目前主要采用的衬底材料仍然为AL₂O₃（蓝宝石）衬底作为主要衬底材料。蓝宝石衬底经过近些年的发展，取得了很大的进步，然而其仍然存在很关键的问题无法克服，第一，蓝宝石衬底与其外延的GaN或AlN材料仍然为异质外延衬底，蓝宝石和GaN的晶格失配达到13.6%，热失配超过50%，而这一问题的结果就是在蓝宝石衬底上面生长GaN后，外延片普遍翘曲严重，4英寸的蓝宝石/GaN外延片翘曲度就达到了200微米以上，同时，为了克服翘曲，4英寸的蓝宝石衬底比2英寸的蓝宝石衬底加厚了1倍以上，只为了能够平衡GaN的晶格失配和热失配应力带来的翘曲，在这样的基础上，蓝宝石衬底材料生长的GaN器件是无法发展到6英寸和8英寸的，因为其蓝宝石厚度要增加更多，同时面临的翘曲问题几乎是无法克服的。同时，这样的问题在蓝宝石衬底上生长AlN时更为严重。第二，蓝宝石衬底的热导很差，大约为25W/mk，而现今GaN和AlN基器件的发展越来越朝着功率化和小型化的方向发展，器件功率越来越高，发热量越来越大，而蓝宝石衬底越来越成为器件的散热瓶颈，其散热不畅，会导致器件的结温快速升高，从而造成器件失效和寿命大幅下降等问题。

从材料体系上来讲，使用GaN单晶或者AlN单晶作为衬底是最好的解决途径，首先，GaN单晶或者AlN单晶会使得外延生长成为真正的同质外延生长，GaN单晶或者AlN单晶材料和外延生长的GaN或者AlN为同质材料，没有任何的晶格失配和热失配问题，这完美解决了由于蓝宝石衬底与GaN或AlN外延带来的应力问题，以及翘曲和衬底厚度增加的问题；使用GaN单晶或者AlN单晶衬底，生长GaN或者AlN不会产生任何的翘曲，所以无论衬底材料是2寸，4寸或者6寸，8寸，都不需要衬底材料加厚以抵抗翘曲的问题。其次，GaN单晶或者AlN单晶的热导率非常高，可以达到200W/mk以上，这又完美的解决了目前器件功率越来越大而面临的散热问题，因此，GaN单晶衬底或者AlN单晶衬底是理论上最为完美的衬底材料，然而，在实际工业中，GaN单晶或者AlN单晶的制备非常复杂，其成本高昂的令产业无法接受，因此，其始终无法作为商用的衬底使用。