一种压电异质衬底结构及制备方法与流程

本技术涉及半导体，特别涉及一种压电异质衬底结构及制备方法。

背景技术：

1、铌酸锂与钽酸锂是集压电、铁电、热释电、声光及电光等性能于一体的多功能晶体材料，在声波器件、光通讯、激光及光电子等领域中有着广泛的应用；5g、大数据、增强/虚拟现实等新兴领域对信息传输速率、功耗、信号质量提出了更高的要求，但现有铌酸锂或钽酸锂体材料器件由于材料性质的限制，难以满足通信系统更高的要求；而由于离子束剥离技术制备压电异质衬底间组合的多样性，对器件性能的提升及新型器件工作模式和原理的探索具有重要意义，使得单晶压电异质衬底的制备具有很大的研究价值；通过将铌酸锂或钽酸锂薄膜与已知衬底结合，能够使声学器件中声波能量和光学器件中光波能量更集中于压电薄膜中，提高器件的性能，有利于器件的小型化和集成化。

2、然而，声学器件中的声波能量和光学器件中的光波能量集中入射在器件的平滑界面处，容易反射体声波和光波，为器件引入干扰信号；并且，在器件光刻的过程中，对于多层薄膜复合衬底结构，层与层之间的平滑界面容易造成紫外光的反射，导致光刻的分辨率降低，对器件的性能造成不良影响。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述问题，本技术提供一种压电异质衬底结构及制备方法。具体技术方案如下：

2、一方面，本技术提供一种压电异质衬底结构，包括衬底层、介质层和压电薄膜层，所述介质层位于所述衬底层和所述压电薄膜层之间；

3、所述压电薄膜层和所述介质层间的界面具有以第一面密度分布的多种预设微粒，所述介质层和所述衬底层间的界面具有以第二面密度分布的多种预设微粒。

4、进一步地，所述压电异质衬底结构满足下述特征中的至少其一：

5、所述第一面密度大于等于所述第二面密度；所述压电薄膜层和所述介质层间的界面上的多种所述预设微粒，以及所述介质层和所述衬底层间的界面上的多种所述预设微粒中的至少之一，具有属于至少两种尺寸范围的预设微粒，同一界面区域内各种尺寸范围的预设微粒混合分布。

6、进一步地，所述压电薄膜层和所述介质层间的界面上，同一界面区域内各种尺寸范围的预设微粒的第一面密度随所述预设微粒所属的尺寸范围增大而减小；和/或，

7、所述介质层和所述衬底层间的界面上，同一界面区域内各种尺寸范围的预设微粒的第二面密度随所述预设微粒所属的尺寸范围增大而减小。

8、进一步地，所述压电薄膜层和所述介质层间的界面上的多种所述预设微粒，以及所述介质层和所述衬底层间的界面上的多种所述预设微粒中的至少之一，包括硅微粒、二氧化硅微粒、五氧化二钽微粒、五氧化二铌微粒、钽酸锂微粒和铌酸锂微粒中的至少一种。

9、进一步地，所述多种预设微粒包括第一微粒和第二微粒，所述第一微粒的尺寸小于所述第二微粒的尺寸；所述多种预设微粒满足下述特征中的至少其一：

10、所述第一微粒的尺寸大于等于0.2μm，且小于0.5μm；所述第二微粒的尺寸大于等于0.5μm；

11、所述第一微粒的第一面密度为0.0112颗/cm2～16.98颗/cm2；

12、所述第二微粒的第一面密度为0颗/cm2～4.53颗/cm2；

13、所述第一微粒的第二面密度为0颗/cm2～16.98颗/cm2；

14、所述第二微粒的第二面密度为0颗/cm2～4.53颗/cm2。

15、进一步地，所述压电异质衬底结构还包括位于所述衬底层和所述介质层间的陷阱电荷层，所述多种预设微粒以所述第二面密度分布于所述介质层和所述陷阱电荷层间的界面以及所述衬底层和所述陷阱电荷层间的界面。

16、进一步地，所述压电异质衬底结构满足下述特征中的至少其一：

17、所述衬底层的材料包括硅、氧化硅、多晶硅、绝缘体上硅(soi)、蓝宝石、碳化硅，绝缘体上的碳化硅、石英、氮化铝、氮化镓、金刚石中的至少一种；

18、所述衬底层的厚度为200um～1000um；

19、所述介质层的材料为氧化硅或氮化硅；

20、所述介质层的厚度为100nm～1000nm；

21、所述压电薄膜层的材料为单晶铌酸锂和单晶钽酸锂中的至少一种；

22、所述压电薄膜层的厚度为100nm～10000nm；

23、所述陷阱电荷层的材料为多晶硅、非晶硅或多孔硅；

24、所述陷阱电荷层的厚度为200nm～3000nm。

25、另一方面，本技术还提供了一种压电异质衬底结构的制备方法，包括：

26、通过介质层将衬底层和压电薄膜层键合，形成压电异质衬底结构；所述介质层位于所述衬底层和所述压电薄膜层之间；所述压电薄膜层和所述介质层间的界面具有以第一面密度分布的多种预设微粒，所述介质层和所述衬底层间的界面具有以第二面密度分布的多种预设微粒。

27、进一步地，在所述通过介质层将衬底层和压电薄膜层键合，形成压电异质衬底结构之前，所述方法还包括：

28、在所述压电薄膜层和所述介质层中至少之一的表面形成第一面密度分布的多种预设微粒，并在所述介质层和所述衬底层中至少之一的表面形成第二面密度分布的多种预设微粒。

29、进一步地，在所述通过介质层将衬底层和压电薄膜层键合，形成压电异质衬底结构之前，所述方法还包括：

30、在所述衬底层和所述介质层中至少之一的表面形成陷阱电荷层，以使得键合后的所述压电异质衬底结构中，所述陷阱电荷层位于所述衬底层和所述介质层间；所述多种预设微粒以所述第二面密度分布于所述介质层和所述陷阱电荷层间的界面以及所述衬底层和所述陷阱电荷层间的界面。

31、基于上述技术方案，本技术具有以下有益效果：

32、1、本技术在压电薄膜层和介质层间的界面设有第一面密度分布的多种预设微粒，能够对入射到该压电异质衬底结构中的体声波和光波进行散射；并且，在介质层和衬底层间的界面设有第二面密度分布的多种预设微粒，第二面密度不大于第一面密度，能够进一步对部分泄露下来的光波和体声波进行散射，同时，能够放大上层界面(即压电薄膜层和介质层间的界面)上的多种预设微粒对体声波和光波的散射效果，从而协同增强该压电异质衬底结构整体对入射的体声波和光波的散射效果，避免为该压电异质衬底结构以及具有该压电异质衬底结构的器件引入干扰信号，也有利于提高制备得到的压电异质衬底结构的分辨率，大大提升该压电异质衬底结构的器件性能。

33、2、本技术的压电异质衬底结构的各个界面上，同一界面区域内各种尺寸范围的预设微粒的面密度随该预设微粒所属的尺寸范围增大而减小，也即多种预设微粒的尺寸范围与面密度之间相互协同，一方面通过引入尺寸较大的预设微粒进一步增强对声波和光波的散射效果，另一方面能够通过降低面密度以降低尺寸较大的预设微粒在压电异质衬底结构中引入薄膜缺陷的风险，维持压电异质衬底结构的制备良率。

34、3、本技术在介质层和衬底层之间引入陷阱电荷层，能够提供深能级的陷阱电荷补偿外加偏压的表面电势，避免引发自由载流子的大量流动，实现对费米能级的钉扎，抑制表面寄生电导效应，降低器件损耗。