CN111954730A - GaAs材料单晶层的制造方法和外延生长GaAs材料单晶层的衬底 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产GaAs材料的单晶层的方法，其包括将SrTiO3材料的单晶晶种层转移到硅材料的载体衬底，随后外延生长所述GaAs材料的单晶层。

Description

GaAs材料单晶层的制造方法和外延生长GaAs材料单晶层的 衬底
技术领域
本发明涉及一种用于生产GaAs材料的单晶层的方法和用于外延生长这种GaAs材料的单晶层的衬底。
背景技术
某些材料目前不能作为大直径晶片形式的单晶衬底获得。此外，某些材料可以大直径获得，但在品质方面不具有某些特性或规格，特别是关于缺陷密度或所需的电学或光学特性。
发明内容
本发明的目的是通过提供用于制造GaAs材料的单晶层的方法以及用于外延生长GaAs材料的这种单晶层的衬底，来克服现有技术的这些限制。以这种方式，能够解决目前可用的GaAs材料的单晶衬底的尺寸问题。
本发明涉及一种用于生产GaAs材料的单晶层的方法，其包括将SrTiO3材料的单晶晶种层转移到硅材料的载体衬底，随后外延生长所述GaAs材料的单晶层。
在有利的实施方式中，单晶晶种层的厚度小于10μm，优选小于2μm，更优选小于0.2μm。
在有利的实施方式中，将SrTiO3材料的单晶晶种层转移到硅材料的载体衬底包括将SrTiO3材料的单晶衬底接合到载体衬底的步骤，随后是减薄所述SrTiO3材料的单晶衬底的步骤。
在有利的实施方式中，减薄步骤包括形成弱化区，所述弱化区界定预备转移到硅材料的载体衬底的SrTiO3材料的单晶衬底的一部分。
在有利的实施方式中，通过注入原子和/或离子物质来形成弱化区。
在有利的实施方式中，减薄步骤包括在弱化区处分离，从而将SrTiO3材料的单晶衬底的所述部分转移到硅材料的载体衬底，特别地，分离包括施加热和/或机械应力。
在有利的实施方式中，接合步骤是分子粘附步骤。
在有利的实施方式中，SrTiO3材料的单晶晶种层是各自转移到硅材料的载体衬底的多个片的形式。
在有利的实施方式中，硅材料的载体衬底包含可分离界面，所述可分离界面被配置为借助于化学侵蚀和/或借助于机械应力而分离。
本发明还涉及一种用于外延生长GaAs材料的单晶层的衬底，其特征在于，它包含位于硅材料的载体衬底上的SrTiO3材料的单晶晶种层。
在有利的实施方式中，SrTiO3材料的单晶晶种层是多个片的形式。
在有利的实施方式中，硅材料的载体衬底包含可分离界面，所述可分离界面被配置为借助于化学侵蚀和/或借助于机械应力而分离。
本发明还涉及一种用于生产具有与GaAs材料接近的晶格参数的AlxInyGazAslPmNn材料的单晶层的方法，所述方法包括将SrTiO3材料的单晶晶种层转移到硅材料的载体衬底，随后外延生长AlxInyGazAslPmNn材料的单晶层。
本发明还涉及一种用于生产具有与GaAs材料接近的晶格参数的AlxInyGazAslPmNn材料的单晶层的方法，所述方法包括将YSZ或CeO2或MgO或Al2O3材料的单晶晶种层转移到硅材料的载体衬底，随后外延生长AlxInyGazAslPmNn材料的单晶层。
本发明还涉及一种用于外延生长具有与GaAs材料接近的晶格参数的AlxInyGazAslPmNn材料的单晶层的衬底，其特征在于，所述衬底包括位于硅材料的载体衬底上的SrTiO3或YSZ或CeO2或MgO或Al2O3材料的单晶晶种层。
附图说明
通过阅读以下参照附图的详细描述，将更好地理解本发明的其它特征和优点，其中：
·图1示出了根据本发明的一个实施方式的用于生产GaAs材料的单晶层的方法以及根据本发明的该实施方式的用于外延生长这种GaAs材料的单晶层的衬底；
·图2示出了根据本发明的另一实施方式的用于生产GaAs材料的单晶层的方法以及根据本发明的这种其他实施方式的用于外延生长这种GaAs材料的单晶层的衬底；
·图3示出了根据本发明的又一实施方式的用于生产GaAs材料的单晶层的方法以及根据本发明的这种其他实施方式的用于外延生长这种GaAs材料的单晶层的衬底；
·图4示出了根据本发明的又一实施方式的用于生产GaAs材料的单晶层的方法以及根据本发明的这种其他实施方式的用于外延生长这种GaAs材料的单晶层的衬底；
·图5示出了根据本发明的又一实施方式的用于生产GaAs材料的单晶层的方法以及根据本发明的这种其他实施方式的用于外延生长这种GaAs材料的单晶层的衬底。
为了提高附图的可读性，各层不一定按比例示出。
具体实施方式
图1示出硅材料的载体衬底100，SrTiO3材料的单晶晶种层200被转移到其上。可以设想单晶晶种层200的其他材料，例如YSZ、CeO2、MgO或Al2O3，这些材料具有与GaAs材料接近的晶格参数。硅材料的载体衬底100也可以用蓝宝石、Ni或Cu材料的载体衬底100代替。使用硅的优点在于，不仅为300mm类型的大型设备开辟了GaAs材料膜的应用领域，而且使其与微电子工业兼容，对于微电子工业而言，在生产线上对除硅之外的外来材料、尤其是GaAs在验收方面的要求很高。将SrTiO3材料的单晶晶种层200接合1'到硅材料的载体衬底100的步骤优选通过分子粘附步骤进行。该分子粘附步骤包括粘合步骤，优选在环境温度下进行，然后是使粘合界面固结的退火，这通常在高达900℃或甚至1100℃的高温下进行数分钟至数小时。
图1示意性地示出了将SrTiO3材料的单晶衬底20接合1'到硅材料的载体衬底100的步骤。接着是在已经接合到硅材料的载体衬底100之后将SrTiO3材料的单晶衬底20减薄2'的步骤。图1示意性地示出了减薄步骤2'，其可以例如通过化学和/或机械蚀刻(抛光、研磨、铣削等)来实施。因此，可以获得SrTiO3材料的单晶晶种层200，其将充当在图1中示意性示出的用于外延生长GaAs材料10的单晶层的衬底上外延生长3'GaAs材料的单晶层300的步骤的单晶晶种。本领域技术人员能够调整用于在体相单晶衬底上外延生长通常用于同质外延或异质外延的GaAs材料的单晶层的参数，以便优化在用于外延生长本发明的GaAs材料10的单晶层的衬底上外延生长3'GaAs材料的单晶层300的步骤。GaAs材料的外延因此通过使用本领域技术人员已知的前体在550℃至700℃的典型温度下通过MOCVD或MBE进行。顺便提及，本发明不限于GaAs材料的外延，而是扩展到具有与GaAs材料的晶格参数接近的晶格参数的AlxInyGazAslPmNn型的某些复合物。
图2示意性地示出了用于制造GaAs材料的单晶层的方法的一个实施方式，其与结合图1描述的实施方式的不同之处在于，SrTiO3材料的单晶衬底20'经历注入0"原子和/或离子物质的步骤，以便形成界定预备转移到硅材料的载体衬底100'的SrTiO3材料的单晶衬底20'的一部分200'的弱化区，并且减薄步骤2"包括在该弱化区处分离，以便将SrTiO3材料的单晶衬底20'的所述部分200'转移到硅材料的载体衬底100'，特别地，该分离包括施加热和/或机械应力。因此，该实施方式的优点是能够回收起始的SrTiO3材料的单晶衬底20'的剩余部分201，其于是可以再次用于再次经历相同的过程，并因此降低成本。如图2所示的用于外延生长GaAs材料10'的单晶层的衬底用于如结合图1所述的方法中已经描述的生长3"GaAs材料的单晶层300'的步骤。通常，使用氢离子进行注入步骤0″。本领域技术人员熟知的一种有利的替代方案包括用氦离子替换全部或部分氢离子。氢注入剂量通常在6×1016cm-2和1×1017cm-2之间。注入能量通常为50至170keV。因此，分离通常在300至600℃的温度下进行。由此获得200nm至1.5μm左右的单晶晶种层厚度。在分离操作后即刻，有利地追加其他技术步骤，其目的是增强结合界面或恢复良好的粗糙度水平，或修正在注入步骤中可能已经产生的任何缺陷，或准备晶种层的表面用于继续外延。这些步骤是例如抛光、(湿法或干法)化学蚀刻、退火、化学清洗。它们可以单独使用或以本领域技术人员能够调节的组合使用。
图3与结合图1和图2描述的实施方式的不同之处在于，用于外延生长GaAs材料(10，10')的单晶层的衬底包括被配置为可分离的可分离界面40'。在硅材料的载体衬底100的情况下，它可以是粗糙表面(例如硅材料)，在接合步骤期间与单晶晶种层接合。另外，在硅材料的载体衬底100内可以存在粗糙界面，载体衬底100例如通过接合两个硅晶片获得。另一个实施方式将是在待与单晶晶种层接合的面上引入多孔硅层，该多孔硅层在施加机械和/或热应力期间易于分开，例如通过在晶片边缘插入本领域技术人员已知的刀片或通过施加退火。显然，选择该界面以便承受在本发明的方法期间经受的其他机械和/或热应力(例如，分离，外延生长等)。本领域技术人员将能够识别用于产生这种可分离界面的其他过程。因此，这些不同的分离构造使得可以将外延层转移到与生长参数不相容的最终载体上，或者制备自立式GaAs材料的厚膜。
图4示意性地示出了用于生产GaAs材料的单晶层的方法的一个实施方式，其与结合图1、图2和图3描述的实施方式的不同之处在于，SrTiO3材料的单晶晶种层2000'是多个片(2001'，2002'，2003')的形式，它们各自被转移到硅材料的载体衬底100"。各个片可以采用任何形状(正方形、六边形、条形等)，并且具有从数mm2到数cm2变化的不同尺寸。芯片之间的间隔也可以根据所寻求的是覆盖的最大密度(在这种情况下，优选选择小于0.2mm的间隔)还是片在衬底内的最大散布(在这种情况下，间隔可以是数毫米甚至厘米)而显著变化。对于各个片，本领域技术人员将能够应用他们希望的转移，并且不限于特定的过程。因此，可以设想应用结合图1中示意性示出的方法描述的技术教导，或结合图2中示意性示出的方法描述的技术教导，或甚至两者的组合。因此，可以接合1″′尺寸小于载体衬底100″的尺寸的SrTiO3材料的单晶衬底(2001，2002，2003)，以便通过在后者上减薄2″′来产生用于在用于外延生长GaAs材料10″的单晶层的衬底的各个片上外延生长3″′GaAs材料的单晶层(3001，3002，3003)的单晶晶种层(2001′，2002′，2003′)。
因此，结合图1至4描述的各种实施方式开辟了GaAs材料的单晶层中制造的部件与硅材料的载体衬底中制造的部件共同集成的可能性。后者可以简单地为硅衬底，但它也可以是包括将硅衬底与薄硅层隔开的氧化硅层的SOI型衬底。在结合图1到4描述的实施方式的情况下，可以简单地通过本领域技术人员已知的光刻和蚀刻来实现对载体衬底的访问。在结合图4描述的实施方式的情况下，也可以仅仅选择片的位置和它们的间距。
图5示意性地示出了一个实施方式，该实施方式与结合图4描述的实施方式的不同之处在于，载体衬底100″以及随后用于外延生长GaAs材料10″的单晶层的衬底包括可分离界面40，该可分离界面被配置为例如通过化学侵蚀和/或通过机械应力而分离。这将使载体基片100"的一部分如结合图3已经提到的那样被除去。一个例子是使用SOI类型的载体衬底100，其包括将硅衬底与薄硅层隔开的氧化硅层。通过选择性蚀刻该氧化层，例如通过浸入氢氟酸(HF)浴中，该氧化层可以用作可分离界面40。当结合处理多个小衬底时，通过化学蚀刻分离掩埋层的这种选择是特别有利的。具体而言，如果希望保持工业上合理的处理条件和时间，欠蚀刻的范围通常限于数厘米或甚至数毫米。处理多个小衬底允许通过可能接近各个片之间的掩埋层而不是仅仅在衬底(其直径可达300mm)的极端边缘处启动多个化学蚀刻前沿。因此，在SOI型载体衬底的情况下，可以部分地除去片之间的薄硅层，以便允许启动多个蚀刻前沿。
由于硅薄层具有预定的厚度(其可以在5nm至600nm之间变化，或者根据预期的应用甚至更厚)，因此它可以用于形成微电子元件，并且因此允许在单个衬底中共同集成基于GaAs材料的元件。
因此，在通过外延形成单晶层(3001，3002，3003)之后，还可以设想将该结构接合到最终衬底，并在可分离界面40处分离载体衬底100"的一部分。因此，最终衬底可以提供例如与先前进行的生长的参数不相容的其他功能(例如，柔性塑料类型的最终衬底或包括金属线的最终衬底)。另外并且通常，可分离界面不必位于载体衬底内部，而是也可位于与接合到此载体衬底的SrTiO3材料的晶种层的界面处，如已结合图3所述的。

Claims (12)

1.一种用于生产GaAs材料的单晶层(300，300'，3001，3002，3003)的方法，其包括将SrTiO3材料的单晶晶种层(200，200'，2000')转移到硅材料的载体衬底(100，100'，100")，随后外延生长所述GaAs材料的单晶层(300，300'，3001，3002，3003)。
2.如前一项权利要求所述的方法，其中，所述单晶晶种层(200，200'，2000')的厚度小于10μm，优选小于2μm，更优选小于0.2μm。
3.如前述权利要求之一所述的方法，其中，将SrTiO3材料的单晶晶种层(200，200'，2000')转移到硅材料的载体衬底(100，100'，100”)包括将SrTiO3材料的单晶衬底(20，20'，2001，2002，2003)接合(1'，1”，1”')到所述载体衬底(100，100'，100")的步骤，随后是减薄(2'，2”，2”')所述SrTiO3材料的单晶衬底(20，20'，2001，2002，2003)的步骤。
4.如前一项权利要求所述的方法，其中，减薄步骤(2”)包括形成弱化区，所述弱化区界定预备转移到所述硅材料的载体衬底(100，100'，100”)的所述SrTiO3材料的单晶衬底(20')的一部分(200')。
5.如前一项权利要求所述的方法，其中，通过注入(0")原子和/或离子物质来形成所述弱化区。
6.如权利要求4和5所述的方法，其中，减薄步骤(2”)包括在所述弱化区处分离，从而将所述SrTiO3材料的单晶衬底(20')的所述部分(200')转移到所述硅材料的载体衬底(100，100'，100")，特别地，所述分离包括施加热和/或机械应力。
7.如前述权利要求3至6所述的方法，其中，接合步骤(1'，1”，1”')是分子粘附步骤。
8.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所述SrTiO3材料的单晶晶种层(200，200'，2000')为各自转移到所述硅材料的载体衬底(100，100'，100")的多个片(2001'，2002'，2003')的形式。
9.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所述硅材料的载体衬底(100，100'，100")包含可分离界面(40，40')，所述可分离界面(40，40')被配置为借助于化学侵蚀和/或借助于机械应力而分离。
10.一种用于外延生长GaAs材料的单晶层(300，300'，3001，3002，3003)的衬底，其特征在于，它包含位于硅材料的载体衬底(100，100'，100")上的SrTiO3材料的单晶晶种层(200，200'，2000')。
11.如前一项权利要求所述的用于外延生长GaAs材料的单晶层(300，300'，3001，3002，3003)的衬底，其中，所述SrTiO3材料的单晶晶种层(200，200'，2000')以多个片(2001'，2002'，2003')的形式存在。
12.如前述权利要求之一所述的用于外延生长GaAs材料的单晶层(300，300'，3001，3002，3003)的衬底，其中，所述硅材料的载体衬底(100，100'，100")包含可分离界面(40，40')，所述可分离界面(40，40')被配置为借助于化学侵蚀和/或借助于机械应力而分离。
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