一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法与流程

本申请涉及半导体工艺，特别是涉及一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法。

背景技术：

1、金刚石材料在室温下具有最高的热导率(2000w/m.k)，兼具带隙宽、击穿场强高、载流子迁移率高、耐高温、抗酸碱、抗腐蚀、抗辐照等优越性能，而在高功率、高频、高温领域有至关重要的应用，金刚石，已被认为是目前最有发展前途的宽禁带半导体材料之一。

2、氮化镓材料作为第三代宽禁带化合物半导体，具有高二维电子气浓度、高击穿场强、高的电子饱和速度等特点，非常适用于研制高频、大功率微波毫米波器件及电路，在5g通讯、航天、国防等领域具有极高的应用价值。

3、磷化铟是iii-v族化合物半导体材料，使用磷化铟制造的半导体器件，具备饱和电子漂移速度高、发光波长适宜光纤低损通信、抗辐射能力强、导热性好、光电转换效率高、禁带宽度较高等特性，因此磷化铟被广泛应用于制造光模块器件、传感器件、高端射频器件等。

4、但是当前利用化合物半导体材料制备的器件特别是在输出大功率的同时会产生大量的热，这些热量在衬底内部无法有效快速散发出去。随着器件工作结温的上升，器件的输出功率和效率会迅速恶化。可以说，散热问题已经成为限制化合物器件特别是功率器件进一步发展和应用的瓶颈。金刚石衬底与化合物半导体材料异质集成器件是目前研究的热点，金刚石衬底化合物半导体材料异质集成器件可进一步提升器件的性能。

技术实现思路

1、解决的技术问题：

2、本申请需要解决的技术问题是目前制备金刚石衬底化合物半导体材料存在金刚石衬底上生长化合物半导体材料时温度较高，同时异质材料生长应力较大，如果没有同质临时载片支撑，很容易出现因应力过大导致开裂等问题，提供一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法，通过二次键合技术实现氮化镓外延层和磷化铟外延层与金刚石衬底的复合集成，避免了外延生长过程的晶格失配导致容易裂片的问题，同时利用该方法可制备出大尺寸的金刚石基氮化镓/磷化铟复合外延片。

3、技术方案：

4、一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法，采包括以下步骤：

5、第一步：将氮化镓外延片与第一临时载片进行临时粘片，所述氮化镓外延片由自下而上设置的衬底层和氮化镓外延层组成，第一临时载片临时粘片在氮化镓外延层上；

6、第二步：去除氮化镓外延片的衬底层，露出氮化镓外延层；

7、第三步：氮化镓外延层与金刚石衬底通过第一键合介质材料层实现键合；

8、第四步：去除第一临时载片，得到金刚石基氮化镓外延片；

9、第五步：将磷化铟外延片与第二临时载片进行临时粘片，所述磷化铟外延片自下而上由磷化铟衬底和磷化铟外延层组成，在磷化铟外延层上与第二临时载片进行临时粘片；

10、第六步：去除磷化铟外延片的磷化铟衬底，露出磷化铟外延层；

11、第七步：磷化铟外延层与金刚石基氮化镓外延片通过第二键合介质材料层实现键合；

12、第八步：去除第二临时载片，得到金刚石基氮化镓与磷化铟复合外延片。

13、作为本申请的一种优选技术方案：第一步中所述衬底层为碳化硅、硅、蓝宝石中的一种或几种；所述氮化镓外延层为氮化镓高电子迁移率晶体管外延结构层、氮化镓场效应管外延结构层、氮化镓肖特基势垒二极管外延结构层中的一种或几种；所述第一临时载片为碳化硅、硅、蓝宝石、氮化铝中的一种或几种。

14、作为本申请的一种优选技术方案：所述第二步中去除氮化镓外延片的衬底层方法为减薄抛光、湿法腐蚀、等离子体刻蚀、激光剥离中的一种或几种。

15、作为本申请的一种优选技术方案：所述第三步具体为通过等离子体增强化学气相沉积的方法在氮化镓外延层和金刚石衬底之间沉积第一键合介质材料层，第三步中第一键合介质材料层为纳米硅、氧化物介质或氮化物介质，其中氧化物介质为氧化硅介质材料。

16、作为本申请的一种优选技术方案：所述第四步中去除第一临时载片的方法为热推、机械分离、激光分离中的一种或几种。

17、作为本申请的一种优选技术方案：所述第五步中磷化铟外延层为磷化铟高电子迁移率晶体管外延结构层、磷化铟异质结双极型晶体管外延结构层、磷化铟光电探测器外延结构层中的一种或几种；所述第二临时载片为碳化硅、硅、蓝宝石、氮化铝中的一种或几种。

18、作为本申请的一种优选技术方案：所述第六步中去除磷化铟外延片的磷化铟衬底方法为减薄抛光、湿法腐蚀、等离子体刻蚀中的一种或几种。

19、作为本申请的一种优选技术方案：所述第七步通过等离子体增强化学气相沉积的方法在磷化铟外延层和金刚石基氮化镓外延片之间沉积一层第二键合介质材料层，厚度为20nm，第七步中第二键合介质材料层为纳米硅、氧化物介质、氮化物介质中的一种或几种，所述氧化物介质为氧化硅介质材料。

20、作为本申请的一种优选技术方案：所述第八步中去除第二临时载片的方法为热推、机械分离或激光分离。

21、原理解释：

22、目前制备金刚石衬底化合物半导体材料主要存在一些问题，在金刚石衬底上生长化合物半导体材料时温度较高，晶格失配较大，同时异质材料生长应力较大，如果没有同质临时载片支撑，很容易出现因应力过大导致开裂等问题。

23、有益效果：

24、本申请所述一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：通过二次键合技术实现氮化镓外延层和磷化铟外延层与金刚石衬底的复合集成，避免了外延生长过程的晶格失配导致容易裂片的问题，同时利用该方法可制备出大尺寸的金刚石基氮化镓与磷化铟复合外延片。

技术特征：

1.一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法，其特征在于：第一步中所述衬底层为碳化硅、硅、蓝宝石中的一种或几种；所述氮化镓外延层为氮化镓高电子迁移率晶体管外延结构层、氮化镓场效应管外延结构层、氮化镓肖特基势垒二极管外延结构层中的一种或几种；所述第一临时载片为碳化硅、硅、蓝宝石、氮化铝中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法，其特征在于：所述第二步中去除氮化镓外延片的衬底层方法为减薄抛光、湿法腐蚀、等离子体刻蚀、激光剥离中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法，其特征在于：所述第三步具体为通过等离子体增强化学气相沉积的方法在氮化镓外延层(2)和金刚石衬底(5)之间沉积第一键合介质材料层(4)，第三步中第一键合介质材料层(4)为纳米硅、氧化物介质或氮化物介质，其中氧化物介质为氧化硅介质材料。

5.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法，其特征在于：所述第四步中去除第一临时载片(3)的方法为热推、机械分离、激光分离中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法，其特征在于：所述第五步中磷化铟外延层(7)为磷化铟高电子迁移率晶体管外延结构层、磷化铟异质结双极型晶体管外延结构层、磷化铟光电探测器外延结构层中的一种或几种；所述第二临时载片(8)为碳化硅、硅、蓝宝石、氮化铝中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法，其特征在于：所述第六步中去除磷化铟外延片的磷化铟衬底(6)方法为减薄抛光、湿法腐蚀、等离子体刻蚀中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法，其特征在于：所述第七步通过等离子体增强化学气相沉积的方法在磷化铟外延层(7)和金刚石基氮化镓外延片之间沉积一层第二键合介质材料层(9)，厚度为20nm，第七步中第二键合介质材料层(9)为纳米硅、氧化物介质、氮化物介质中的一种或几种，所述氧化物介质为氧化硅介质材料。

9.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法，其特征在于：所述第八步中去除第二临时载片(8)的方法为热推、机械分离或激光分离。

技术总结本申请公开了金刚石基氮化镓与磷化铟异质集成的制备方法，将氮化镓外延片与第一临时载片进行临时粘片；去除氮化镓外延片的衬底层，露出氮化镓外延层；氮化镓外延层与金刚石衬底通过第一键合介质材料实现键合；去除第一临时载片，得到金刚石基氮化镓外延片；将磷化铟外延片与第二临时载片进行临时粘片；去除磷化铟外延片的衬底层，露出磷化铟外延层；磷化铟外延层与金刚石基氮化镓外延片正面通过第二键合介质材料实现键合；去除第二临时载片，得到金刚石基氮化镓与磷化铟复合外延片；通过二次键合实现氮化镓外延层和磷化铟外延层与金刚石衬底的复合集成，避免外延生长过程的晶格失配导致容易裂片。技术研发人员：吴立枢,孔月婵,陈堂胜受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十五研究所技术研发日：技术公布日：2024/10/10