[发明专利]复合衬底及其制造方法、异质外延制备单晶厚膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术，更具体地说，涉及一种复合衬底及其制造方法、异质外延制备单晶厚膜的方法。

背景技术

第三代半导体材料由于能量禁带一般大于3.0电子伏，又被称为宽禁带半导体。相比于传统的硅基和砷化镓基半导体材料，宽禁带半导体，例如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)及氮化铟(InN)等，由于其特有的禁带范围、优良的光、电学性质和优异的材料性能，能够满足大功率、高温高频和高速半导体器件的工作要求，在汽车及航空工业、医疗、军事和普通照明方面具有十分广泛的应用前景。其中，氮化镓、氮化铝和氮化铟等统称为III族氮化物。

氮化镓是一种优异的宽禁带半导体材料，是制作可以发射蓝绿光和紫外光的发光二极管和激光器、太阳目眩探测器、高能量凝聚态开关和整流器以及高能量密度微波晶体管的理想材料，对以氮化镓为代表的第三代半导体材料及器件的研究和开发，已成为半导体领域的一个热点。

由于没有高质量低错位的氮化物作为晶种，通常采用单片的方法生产氮化镓单晶，即在异质衬底(如蓝宝石衬底或碳化硅衬底)上生长氮化镓单晶。目前，主要采用HVPE(Hydride vapor phase epitaxy，氢化物气相外延法)的方法外延生长氮化镓单晶厚膜，生长温度通常达到1000℃或以上。

然而，由于蓝宝石的热膨胀系数大于氮化镓的热膨胀系数，当从生长温度冷却到室温时，蓝宝石的晶格改变大于氮化镓的晶格改变，这样，就会在蓝宝石衬底上产生拉应力，氮化镓单晶厚膜上产生压应力，在降到室温后，氮化镓单晶厚膜和蓝宝石衬底的整体结构会发生翘曲。目前，一般工业规格的蓝宝石衬底的厚度在430微米，如果生长的氮化镓单晶厚膜的厚度达到一定值(如超过200微米)时，蓝宝石衬底上所受的拉应力达到200MPa以上，而生长的氮化镓单晶的厚膜通常要达到400微米以上，当蓝宝石上产生的拉应力超过其断裂应力，会造成蓝宝石衬底的破裂。

而当蓝宝石衬底破裂时，由于以下两个因素也会导致氮化镓单晶的开裂：其一，蓝宝石和氮化镓界面上是连续的，蓝宝石在破裂的瞬间造成其上的氮化镓单晶厚膜的开裂；其二，由于翘曲变形，使氮化镓单晶厚膜开裂。基于此，获得的氮化镓单晶厚膜的尺寸往往小于原蓝宝石衬底的尺寸，使HVPE方法生长的氮化镓单晶厚膜的尺寸受到了限制，不利于该方法的产业化。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种复合衬底，防止在其上外延生长单晶厚膜后，冷却过程中复合衬底的破裂。

为解决上述问题，本发明提供一种复合衬底，用于外延生长III族氮化物半导体单晶厚膜，包括：异质衬底以及异质衬底上的缓冲层，其中，所述异质衬底的厚度为0.5至13毫米。

可选地，所述异质衬底的厚度为3至8毫米。

此外，本发明还提供了上述复合衬底的制造方法，包括：提供异质衬底，所述异质衬底的厚度为0.5至13毫米；

在所述异质衬底上形成缓冲层。

可选地，形成所述缓冲层的方法为MOCVD、HVPE、PECVD或溅射。

可选地，所述异质衬底为蓝宝石、碳化硅、单晶硅或氧化锌。

此外，本发明又提供了一种复合衬底，用于外延生长III族氮化物半导体单晶厚膜，包括：第一基底、第一基底上的异质衬底以及异质衬底上的缓冲层，其中，所述第一基底与所述异质衬底具有相同的热膨胀系数，或者所述第一基底与所述异质衬底的热膨胀系数差异小于60％，所述第一基底的厚度为0.5至13毫米。

可选地，所述第一基底的厚度为3至8毫米。

可选地，所述异质衬底为蓝宝石、碳化硅、单晶硅或氧化锌。

可选地，所述第一基底为多晶氮化镓、多晶氮化铝、氮化铝陶瓷、蓝宝石、单晶硅、碳化硅、氧化锌或玻璃。

此外，本发明还提供了上述复合衬底的制造方法，包括：

提供异质衬底，以及在所述异质衬底的第一表面上形成缓冲层；

提供第一基底，并从所述异质衬底的第二表面将第一基底同异质衬底复合，其中，所述第一基底与所述异质衬底具有相同的热膨胀系数，或者所述第一基底与所述异质衬底的热膨胀系数差异小于60％，所述第一基底的厚度为0.5至13毫米。

可选地，形成所述缓冲层的方法为MOCVD、HVPE、PECVD或溅射。

可选地，将第一基底同异质衬底复合的方法为耐高温的粘结或晶片接合的方法。

此外，本发明又提供了利用上述复合衬底异质外延制备单晶厚膜的方法，包括：在上述复合衬底的缓冲层上外延形成III族氮化物半导体的单晶厚膜。