CN219246703U - 一种复合衬底、外延片及半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种复合衬底、外延片及半导体器件，复合衬底包括依次层叠设置的支撑衬底层、第一氧化铝层以及蓝宝石衬底层。第一氧化铝层可以增加蓝宝石衬底层与支撑衬底层之间的键合力并释放蓝宝石衬底层与支撑衬底层之间的应力，同时，第一氧化铝层的存在无需增加蓝宝石衬底层的厚度即可提高材料的击穿电压。

Description

一种复合衬底、外延片及半导体器件
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，具体涉及一种复合衬底、外延片及半导体器件。
背景技术
目前，商业化大规模氮化镓外延片制备多采用MOCVD方式制成。利用MOCVD法外延生长GaN所用的衬底材料应尽量选用同一种材料,其晶格失配小、热膨胀系数低。但由于GaN基材料具有极高的熔点和非常大的氮气饱和蒸汽压,难以获得大面积高质量的GaN衬底。由于缺乏与GaN晶格匹配的衬底，目前的GaN外延片，一般采用存在晶格失配和热膨胀系数失配的异质衬底进行外延生长，最常用的异质衬底有蓝宝石和硅衬底。然而，这两种材料与GaN外延层均有较大的晶格失配和热膨胀系数失配，无法直接生长高质量的GaN外延结构，硅衬底上生长的GaN外延层光学性能差，蓝宝石衬底上生长的GaN外延层张应力较大。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种复合衬底、外延片及半导体器件，避免造成生长GaN外延层后光学性能差，张应力大的问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种复合衬底、外延片及半导体器件，以解决现有技术中GaN外延片与异质衬底晶格失配、热膨胀系数失配的技术问题。
根据本实用新型的一个方面，本实用新型一实施例提供的一种复合衬底，包括：
支撑衬底层，
第一氧化铝层，设置在所述支撑衬底层上；
蓝宝石衬底层，设置在所述第一氧化铝层上。
作为可选的实施例，所述复合衬底还包括：
第二氧化铝层，设置在所述支撑衬底层远离第一氧化铝层的一侧。
作为可选的实施例，所述第一氧化铝层和所述第二氧化铝层为无定形氧化铝。
作为可选的实施例，所述第一氧化铝层和所述第二氧化铝层的厚度相同或者不同。
作为可选的实施例，所述支撑衬底层为硅衬底或陶瓷衬底。
作为可选的实施例，所述陶瓷衬底为氮化铝陶瓷衬底、氧化铝陶瓷衬底、碳化硅陶瓷衬底、氮化硼陶瓷衬底、氧化锆陶瓷衬底、氧化镁陶瓷衬底、氮化硅陶瓷衬底、氧化铍陶瓷衬底中的一种。
作为可选的实施例，所述蓝宝石衬底层和所述第一氧化铝层的总厚度大于1μm。
作为可选的实施例，所述蓝宝石衬底层的厚度小于500nm。
作为可选的实施例，所述蓝宝石衬底层为蓝宝石平面衬底或蓝宝石图形衬底。
根据本实用新型的另一方面，提供一种外延片，
包括上述的复合衬底以及生长在所述复合衬底上的外延层，所述外延层包括氮化镓层。
根据本实用新型的另一方面，提供一种半导体器件，
包括上述的外延片，所述半导体器件为高电子迁移率晶体管器件、垂直功率器件、射频器件及发光二极管器件中任意一种。
本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型提供了一种复合衬底、外延片及半导体器件，复合衬底包括依次层叠设置的支撑衬底层、第一氧化铝层以及蓝宝石衬底层。第一氧化铝层可以增加蓝宝石衬底层与支撑衬底层之间的键合力并释放蓝宝石衬底层与支撑衬底层之间的应力，同时，第一氧化铝层的存在无需增加蓝宝石衬底层的厚度即可提高材料的击穿电压。支撑衬底层远离第一氧化铝层的一侧设置的第二氧化铝层起应力平衡作用。
在GaN外延层生长过程中，支撑衬底层双面设置的氧化铝同样可以缓解蓝宝石衬底层上生长的GaN外延层的张应力，从而使得在外延生长时，GaN外延片内部应力减少、翘曲减小。因此，该复合衬底可减少GaN外延层与蓝宝石衬底之间由于晶格失配和热失配导致的影响，提高材料质量和光学性能。
附图说明
图1所示为本实用新型第一实施例的复合衬底结构示意图。
图2所示为本实用新型第二实施例的复合衬底结构示意图。
图3所示为本实用新型第三实施例的复合衬底结构示意图。
图4所示为本实用新型第四实施例的复合衬底结构示意图。
图5所示为本实用新型第五实施例的外延片结构示意图。
图6a及图6b所示为本实用新型第六实施例的半导体器件结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例一
图1所示为本实用新型第一实施例的复合衬底结构示意图。参考图1，本实施例提供了一种半导体结构，包括依次层叠设置的支撑衬底层1、第一氧化铝层2以及蓝宝石衬底层4。
本实施例中，支撑衬底层1为硅衬底或陶瓷衬底，陶瓷衬底为氮化铝陶瓷衬底、氧化铝陶瓷衬底、碳化硅陶瓷衬底、氮化硼陶瓷衬底、氧化锆陶瓷衬底、氧化镁陶瓷衬底、氮化硅陶瓷衬底、氧化铍陶瓷衬底中的一种。支撑衬底层1的直径大于等于2英寸且小于等于12英寸。
优选地，支撑衬底层1为陶瓷衬底。蓝宝石衬底与陶瓷衬底的热失配小于蓝宝石衬底与硅衬底，因此支撑衬底层1为陶瓷衬底时，可进一步降低蓝宝石衬底层4的热应力。
本实施例中，蓝宝石衬底层4为蓝宝石平面衬底。蓝宝石衬底层4通过第一氧化铝层2与支撑衬底层1键合，第一氧化铝层2为无定形氧化铝。通过引入无定形氧化铝层2，一方面可以增加蓝宝石衬底层4与支撑衬底层1的键合力，另一方面可以释放蓝宝石衬底层4与支撑衬底层1由于晶格失配和热失配产生的应力。
优选地，本实施例提供的复合衬底可经过退火处理，退火温度小于400℃，进一步提高蓝宝石衬底层4与支撑衬底层1的键合强度，完成永久键合。
实施例二
图2所示为本实用新型第二实施例的复合衬底结构示意图。实施例二与实施例一的复合衬底结构大致相同，区别仅在于，如图2所示，该复合衬底还包括支撑衬底层1远离第一氧化铝层2的一侧设置的第二氧化铝层3。
第二氧化铝层3同样为无定形氧化铝，起应力平衡作用，可以进一步降低应力，有利于后续氮化镓基材料的外延。第二氧化铝层3的厚度与第一氧化铝层2的厚度相同。
本实施例中，通过溅射沉积的方式生长第一氧化铝层2和第二氧化铝层3，氧化铝层均匀性＜±2％(1σ)，即氧化铝层厚度均值为u时，氧化铝层厚度在0.98u到1.02u的概率是0.682，厚度在0.96u到1.04u的概率是0.954，厚度在0.94u到1.06u的概率是0.997，符合正态分布的“3σ”原则。
实施例三
图3所示为本实用新型第三实施例的复合衬底结构示意图。实施例三与实施例二的复合衬底结构大致相同，区别仅在于，如图3所示，第一氧化铝层2的厚度与第二氧化铝层3的厚度不同。
本实施例中，蓝宝石衬底层4和第一氧化铝层2的总厚度大于1μm。蓝宝石衬底用于功率器件时，为了提高材料的击穿电压，需要蓝宝石衬底具有一定的厚度，当蓝宝石衬底厚度大于1μm时可以改善器件的漏电。但是厚度的增加会导致蓝宝石衬底翘曲成比例增加。通过增加第一氧化铝层2的厚度，即可在确保蓝宝石衬底层4和第一氧化铝层2的总厚度达到要求的同时，减小蓝宝石衬底层4的厚度，蓝宝石衬底层4的厚度可以小于500nm，大大降低蓝宝石衬底层4的应力，但不减小该复合衬底的击穿电压。第二氧化铝层3的厚度与第一氧化铝层2的厚度不同，无需达到第一氧化铝层2的厚度即可平衡应力，减小第二氧化铝层3的厚度从而减小复合衬底的整体厚度以及后续外延片及器件的整体厚度。
实施例四
图4所示为本实用新型第四实施例的复合衬底结构示意图。实施例四与实施例三的复合衬底结构大致相同，区别仅在于，如图4所示，蓝宝石衬底层4为蓝宝石图形衬底。蓝宝石图形衬底与第一氧化铝层2的接触面为平面，有图形的一侧为后续外延面，用于生长外延层。
实施例五
图5所示为本实用新型第五实施例的外延片结构示意图。参考图5，本实施例提供了一种外延片，包括本实用新型所提供的复合衬底以及生长在蓝宝石衬底层4上的外延层5。
优选地，外延层为氮化镓层。氮化镓为宽禁带半导体材料，故而适于较为广泛的应用场合。另外，氮化镓还具有良好的稳定性，在高温下化学性质稳定；氮化镓材料具有高的电子漂移饱和速度和电子迁移率，特别适于高速电力器件；氮化镓材料还具有电击穿强度高、漏电流小的特点，特别适于制作高压电力器件。
上述外延片，由于采用本实用新型所提供的复合衬底，在GaN外延层5生长过程中，支撑衬底层1双面生长的氧化铝可以缓解蓝宝石衬底层4上生长的GaN外延层5的张应力，从而使得在外延生长时，GaN外延片内部应力减少、翘曲减小，故外延层5质量较高，并且可以有效降低外延片的成本，并与现有的大尺寸工艺兼容。
实施例六
图6a及图6b所示为本实用新型第六实施例的半导体器件结构示意图。本实施例提供了一种半导体器件，包括本实用新型所提供的外延片以及生长在外延片上的器件层。半导体器件为高电子迁移率晶体管器件、垂直功率器件、射频器件及发光二极管器件中任意一种。具体为，半导体器件可以是功率器件，例如HEMT，包括GaN沟道层/AlGaN势垒层叠层；或，半导体器件可以是LED器件，包括N型半导体层、多量子阱叠层以及P型半导体层。可选地，多量子阱叠层可以是InGaN/GaN。
具体地，半导体器件为HEMT时(如图6a)，除本实用新型所提供的外延片，还包括位于上述外延片上的GaN沟道层61、AlGaN势垒层62以及AlGaN势垒层62上的源极71、漏极73以及栅极72。半导体器件为LED时(如图6b)，除本实用新型所提供的外延片，还包括位于上述外延片上的N型半导体层81、多量子阱叠层82、P型半导体层83以及位于N型半导体层81上的阴极92、位于P型半导体层83上的阳极91。
本实用新型提供了一种复合衬底、外延片及半导体器件，复合衬底包括依次层叠设置的支撑衬底层、第一氧化铝层以及蓝宝石衬底层。第一氧化铝层可以增加蓝宝石衬底层与支撑衬底层之间的键合力并释放蓝宝石衬底层与支撑衬底层之间的应力，同时，第一氧化铝层的存在无需增加蓝宝石衬底层的厚度即可提高材料的击穿电压。支撑衬底层远离第一氧化铝层的一侧设置的第二氧化铝层起应力平衡作用。
在GaN外延层生长过程中，支撑衬底层双面设置的氧化铝同样可以缓解蓝宝石衬底层上生长的GaN外延层的张应力，从而使得在外延生长时，GaN外延片内部应力减少、翘曲减小。因此，该复合衬底可减少GaN外延层与蓝宝石衬底之间由于晶格失配和热失配导致的影响，提高材料质量和光学性能。
应当理解，本实用新型使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种复合衬底，其特征在于，包括：
支撑衬底层(1)，
第一氧化铝层(2)，设置在所述支撑衬底层(1)上；
蓝宝石衬底层(4)，设置在所述第一氧化铝层(2)上。
2.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述复合衬底还包括：
第二氧化铝层(3)，设置在所述支撑衬底层(1)远离第一氧化铝层(2)的一侧。
3.根据权利要求2所述的复合衬底，其特征在于，所述第一氧化铝层(2)和所述第二氧化铝层(3)为无定形氧化铝。
4.根据权利要求2所述的复合衬底，其特征在于，所述第一氧化铝层(2)和所述第二氧化铝层(3)的厚度相同或者不同。
5.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述支撑衬底层(1)为硅衬底或陶瓷衬底。
6.根据权利要求5所述的复合衬底，其特征在于，所述陶瓷衬底为氮化铝陶瓷衬底、氧化铝陶瓷衬底、碳化硅陶瓷衬底、氮化硼陶瓷衬底、氧化锆陶瓷衬底、氧化镁陶瓷衬底、氮化硅陶瓷衬底、氧化铍陶瓷衬底中的一种。
7.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述蓝宝石衬底层(4)和所述第一氧化铝层(2)的总厚度大于1μm。
8.根据权利要求7所述的复合衬底，其特征在于，所述蓝宝石衬底层(4)的厚度小于500nm。
9.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述蓝宝石衬底层(4)为蓝宝石平面衬底或蓝宝石图形衬底。
10.一种外延片，其特征在于，
包括权利要求1-9任一项所述的复合衬底以及生长在所述复合衬底上的外延层(5)，所述外延层(5)包括氮化镓层。
11.一种半导体器件，其特征在于，
包括权利要求10所述的外延片，所述半导体器件为高电子迁移率晶体管器件、垂直功率器件、射频器件及发光二极管器件中任意一种。
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