[發(fā)明專利]異質(zhì)集成GaN薄膜及GaN器件的制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110361588.3
• 申請(qǐng)日: 2021-04-02
• 公開（公告）號(hào): CN113097124A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 歐欣;石航寧;游天桂
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): H01L21/762
• 分類號(hào): H01L21/762;H01L21/78
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所(普通合伙) 31219
• 代理人: 余明偉

本發(fā)明提供一種異質(zhì)集成GaN薄膜及GaN器件的制備方法，基于剝離GaN單晶晶片可獲得低位錯(cuò)密度、低缺陷密度、高質(zhì)量的GaN單晶薄膜；GaN單晶薄膜先經(jīng)離子束剝離轉(zhuǎn)移到熱失配較小的藍(lán)寶石單晶晶片上，而后經(jīng)激光剝離轉(zhuǎn)移到支撐襯底上，制備過程中無需擔(dān)心解鍵合的問題，可降低異質(zhì)集成熱失配較大或表面粗糙度較大的材質(zhì)時(shí)的工藝難度；最終獲得的GaN單晶薄膜的Ga極性面向上，可兼容目前主流的GaN器件，且GaN單晶薄膜表層區(qū)域的離子注入缺陷少、晶體質(zhì)量好；可靈活選擇支撐襯底，發(fā)揮支撐襯底優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大應(yīng)用；剝離后的GaN單晶晶片可回收利用，降低成本。本發(fā)明通過異質(zhì)集成，可制備高導(dǎo)熱、高性能的GaN器件。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種異質(zhì)集成GaN薄膜及GaN器件的制備方法。

背景技術(shù)

氮化鎵(Gallium Nitride，GaN)作為第三代半導(dǎo)體材料，由于其禁帶寬度大(3.4eV)、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、導(dǎo)熱性優(yōu)良、電子飽和速度大等特點(diǎn)，已成為被廣泛深入研究和應(yīng)用的半導(dǎo)體材料，在微波功率電子器件、LED顯示、照明等領(lǐng)域顯示出卓越的性能和巨大的應(yīng)用前景。而微電子器件的性能往往嚴(yán)重受制于材料的質(zhì)量，如缺陷、位錯(cuò)等會(huì)降低GaN高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)的二維電子氣密度、降低器件壽命，嚴(yán)重影響器件的可靠性，從而只有高質(zhì)量的GaN材料才能為高性能的GaN器件提供充分的保障。

然而，目前GaN器件常制備于異質(zhì)外延的GaN薄膜上。常見的異質(zhì)外延襯底有Si(111)、SiC及藍(lán)寶石。然而，異質(zhì)襯底與GaN薄膜之間存在不可忽視的晶格失配和熱失配的問題，大大惡化了GaN薄膜的質(zhì)量，其將造成異質(zhì)外延的GaN薄膜的缺陷及位錯(cuò)密度極高，使異質(zhì)外延所得的GaN薄膜質(zhì)量較差，如穿透位錯(cuò)密度(Threading dislocation density，TDD)達(dá)到10⁸cm^-2。高缺陷、高位錯(cuò)密度會(huì)降低GaN HEMT的二維電子氣密度、增加反向漏電流、降低GaN器件的壽命、影響GaN器件的可靠性，并且熱失配易使外延GaN薄膜產(chǎn)生裂紋和翹曲，從而現(xiàn)有的采用異質(zhì)外延方法制備GaN器件嚴(yán)重影響了GaN器件的性能。

體材料GaN單晶晶片具有極高的晶體質(zhì)量，其TDD可低至10⁵cm^-2，因此在體材料GaN單晶晶片上采用同質(zhì)外延可得到高質(zhì)量、低位錯(cuò)密度、低缺陷密度的GaN薄膜，然而GaN單晶晶片制備工藝難度大，產(chǎn)能低，這導(dǎo)致GaN單晶晶片的價(jià)格十分高昂，從而高昂的成本阻礙了GaN單晶晶片的大規(guī)模應(yīng)用。

因此，提供一種異質(zhì)集成GaN薄膜及GaN器件的制備方法，實(shí)屬必要。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種異質(zhì)集成GaN薄膜及GaN器件的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中在制備GaN薄膜時(shí)所面臨的GaN薄膜質(zhì)量差以及制備成本高的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種異質(zhì)集成GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟：

提供具有注入面的GaN單晶晶片；

自所述注入面進(jìn)行離子注入，于所述GaN單晶晶片的預(yù)設(shè)深度處形成缺陷層；

提供藍(lán)寶石單晶晶片，所述藍(lán)寶石單晶晶片具有第一拋光面及相對(duì)的第二拋光面；

將所述GaN單晶晶片的注入面與所述藍(lán)寶石單晶晶片的第一拋光面進(jìn)行鍵合；

進(jìn)行退火處理，沿所述缺陷層進(jìn)行剝離，形成損傷層；

進(jìn)行第一表面處理，去除所述損傷層，顯露GaN單晶薄膜；

于所述GaN單晶薄膜表面形成第一鍵合介質(zhì)層；

提供支撐襯底，于所述支撐襯底的表面形成第二鍵合介質(zhì)層；