复合衬底及外延片及电力器件的制作方法

本实用新型涉及电力器件技术领域，特别是涉及复合衬底及外延片及电力器件。

背景技术：

目前电力器件的衬底多采用硅(Si)衬底，也有采用碳化硅(SiC)衬底、或GaN衬底。

硅衬底，其优点是尺寸大、成本低、易加工，且具有良好的导热性。然而，硅衬底的缺点是，硅为窄禁带宽度材料，不合适高温工作；同时其电子迁移率较低。

碳化硅衬底，其禁带宽度大于硅，同时电子迁移率也大于硅。但是碳化硅衬底的成本较高。

GaN衬底，其禁带宽度比碳化硅还大，可以在200℃下正常工作，同时电子迁移率也优于碳化硅。然而GaN衬底成本非常高，不利于降低电力器件的成本。

由于GaN特殊的性质，自然界缺乏天然的GaN单晶材料。GaN衬底可通过在蓝宝石衬底上异质外延而获得。

目前，无论哪一种均无法满足的越来越高的需求，衬底性能还有待于进一步提高。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有的衬底性能差的问题，提供一种性能较高的衬底。

一种复合衬底，包括：

硅衬底层；

以及蓝宝石衬底层，用于生长外延层；

所述蓝宝石衬底层键合在所述硅衬底层上。

上述复合衬底，由蓝宝石衬底层与硅衬底层采用键合工艺成为一体，该复合衬底，可以在蓝宝石衬底层上生长高质量的外延层(例如高质量的氮化镓层)，从而可以制造出性能优异的电力器件，同时该复合衬底的硅衬底层，可以满足大尺寸主流生产线的需求，与现有的硅衬底工艺兼容；另外，避免使用大尺寸的蓝宝石片，可以有效降低电力器件的成本较低。

在其中一个实施例中，所述复合衬底还包括生长在所述蓝宝石衬底层上的硅膜；所述蓝宝石衬底层通过所述硅膜与所述硅衬底层键合。

在其中一个实施例中，所述硅膜的厚度为1～5μm。

在其中一个实施例中，所述蓝宝石衬底层的厚度为20μm。

在其中一个实施例中，所述硅衬底层的厚度为1300μm。

在其中一个实施例中，所述硅衬底层的直径大于等于6英寸。

本实用新型还提供了一种外延片。

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所述复合衬底上的外延层。

上述外延片，由于采用本实用新型所提供的复合衬底，故外延层质量较高，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。

在其中一个实施例中，所述外延层为氮化镓层。

在其中一个实施例中，所述外延层的厚度为400～600nm。

本实用新型还提供了一种电力器件。

一种电力器件，包括本实用新型所提供的外延片。

上述电力器件，由于采用本实用新型所提供的外延片，其性能较优，并且可以有效降低电力器件的成本，并与现有的大尺寸工艺兼容。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的复合衬底的结构示意图。

图2为带硅膜的蓝宝石片上的结构示意图。

图3为蓝宝石片与硅晶片键合之后形成的键合体的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参见图1，本实用新型一实施例的复合衬底100，包括蓝宝石衬底层110以及硅衬底层120。

其中，蓝宝石衬底层110，其主要目的是，用于生长外延层；也就是说，外延层是生长在复合衬底100的蓝宝石衬底层110上。

其中，硅衬底层120的主要作用是，用于支撑蓝宝石层110。

其中，蓝宝石衬底层110以及硅衬底层120键合在一起形成复合衬底100。

在本文中，键合(bonding)是指：将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质材料在一定条件下直接结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体。

由于本实用新型的复合衬底100通过键合形成，故蓝宝石衬底层110以及硅衬底层120之间的结合力很强，其键合强度可高达12MPa。

优选地，硅衬底层120的直径大于等于6英寸。例如选用6英寸的硅晶片，或者8英寸的硅晶片。

更具体地，在本实施例中的硅衬底层120为直径6英寸厚1300μm的硅晶圆。

优选地，蓝宝石衬底层110的厚度为20μm。这样既可以保证在复合衬底100上生长形成良好的外延层，又可以确保复合衬底100具有良好的导热性。

优选地，复合衬底100还包括生长在蓝宝石衬底层110上的硅膜101；蓝宝石衬底层110通过硅膜101与硅衬底层120键合。

其中，硅膜101的厚度为1～5μm。这样可以进一步促进蓝宝石衬底层110与硅衬底层120键合，增强复合衬底100的性能。

本实用新型所提供的复合衬底100，由蓝宝石衬底层110与硅衬底层120采用键合工艺成为一体，这样既可以在蓝宝石衬底层110上生长高质量的外延层(例如高质量的氮化镓层)，从而可以制造出性能优异的电力器件；同时该复合衬底100的硅衬底层120，可以满足大尺寸主流生产线的需求，与现有的电力器件的硅衬底工艺兼容；从而可以有效降低电力器件的成本较低。另外，本实用新型的复合衬底100还具有良好的导热性，有利于电力器件散热。

本实用新型还提供了一种复合衬底的制备方法。

结合参见图2和图3，一种复合衬底的制备方法，包括如下步骤：

S1、将蓝宝石片8与硅晶片9键合，形成键合体300。

其中，蓝宝石片8可以商购后作减薄处理得到，也可以通过线切割蓝宝石晶棒加后续处理获得。同样地，硅晶片9也可以商购，亦可以通过切割硅晶棒加后续处理获得。

在本实施例中，蓝宝石片8的厚度可以采用本领域各种常规的厚度，在此不再赘述。

在本实施例中，硅晶片9的厚度为1300μm。当然，可以理解的是，硅晶片的厚度还可以是675μm，亦或是725μm。本实用新型对硅晶片的厚度不做特殊限制，可以采用本领域各种常规的厚度。

优选地，蓝宝石片8与硅晶片9采用Si-Si直接键合(SDB—Silicon Direct Bonding)工艺键合。

具体地，Si-Si直接键合工艺为在蓝宝石片8上生长硅膜101(如图2所示)；然后将硅膜101和硅晶片9键合，从而将蓝宝石片8与硅晶片9键合在一起，得到键合体300(如图3所示)。

采用Si-Si直接键合工艺，不需要任何粘结剂和外加电场，并且工艺简单，更为重要的是，采用Si-Si直接键合工艺形成的复合衬底其性能较优。

优选地，硅膜101的生长为气相外延生长。也就是说，采用气相外延生长的方法在蓝宝石片8上生长硅膜。这样形成的硅膜101的晶型较好，有利于与硅晶片9的键合。

更优选地，在气相外延生长中，硅源为SiH₄，载气为氢气。

气相外延生长可以采用本领域公知的气相外延生长工艺，在此不再赘述。

优选地，硅膜的厚度为1～5μm。这样可以进一步促进蓝宝石片8与硅晶片9之间的键合，有利于增强复合衬底的性能。

具体地，键合的步骤依次包括预键合、低温键合、高温键合三个子步骤。

其中，预键合优选为：将硅膜101以及硅晶片9表面清洗干净，在室温下真空加力键合。

低温键合优选为：将预键合后的产物，在氧气或氮气环境中，在低温(一般为100～200℃)下键合。

低温键合优选为：将低温键合后的产物，在氧气或氮气环境中，在高温(1000℃以上)键合数小时。

具体地，键合的操作为：分别将硅晶片9、硅膜101的表面擦拭去除粉尘等颗粒杂质，后用甲苯、丙酮和乙醇溶液超声清洗5～10min，然后在稀释的氢氟酸溶液中活化10s，活化之后用去离子水冲洗。接着用去离子水、双氧水与氨水配置的清洗液清洗，在用去离子水、双氧水与盐酸配置的清洗液清洗。将清洗之后的硅晶片9、带硅膜101的蓝宝石片8甩干。

将甩干之后的硅晶片9、带硅膜101的蓝宝石片8放入键合装置中加压预键合。

然后将预键合之后的产物取出，在氧化扩散炉中，在100～200℃下键合10min，然后迅速升温至1000℃以上键合1h。

S2、将键合体中的蓝宝石片减薄，得到复合衬底。

优选地，减薄为研磨抛光减薄。

具体地，研磨抛光减薄可以采用本领域技术人员所公知的研磨抛光减薄工艺。在此不再赘述。

本实用新型所提供的复合衬底的制备方法，制成的复合衬底可以生长出高质量的外延层，同时可以满足大尺寸主流生产线的需求，与硅衬底电力器件的工艺兼容，可以有效降低电力器件的成本较低。

本实用新型还提供了一种外延片。

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上的外延层。

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。

更优选地，氮化镓层的厚度为400～600nm。

优选地，在氮化镓生长步骤中，镓源为三甲基镓(TMG)，氮源为氨气，载气为氢气；生长温度为940℃。

上述外延片，由于采用本实用新型所提供的复合衬底，故外延层质量较高，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。

本实用新型还提供了一种电力器件。

一种电力器件，包括本实用新型所提供的外延片。

电力器件中的其它部件，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的其它部件及其结构。

上述电力器件，由于采用本实用新型所提供的外延片，其性能较优，并且可以有效降低电力器件的成本，并与现有的大尺寸工艺兼容。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。