一种近单晶双层透明AlN陶瓷复合衬底的制作方法

本发明属于半导体材料制备领域，涉及一种近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底。

背景技术：

随着gan或aln基器件技术的发展和应用，目前世界上的通用照明和发光领域，基本为gan或aln基器件所垄断。然而，由于缺少gan单晶衬底，gan基led器件目前主要采用的衬底材料仍然为al2o3（蓝宝石）衬底作为主要衬底材料。蓝宝石衬底经过近些年的发展，取得了很大的进步，然而其仍然存在很关键的问题无法克服，第一，蓝宝石衬底与其外延的gan或aln材料仍然为异质外延衬底，蓝宝石和gan的晶格失配达到13.6%，热失配超过50%，而这一问题的结果就是在蓝宝石衬底上面生长gan后，外延片普遍翘曲严重，4英寸的蓝宝石/gan外延片翘曲度就达到了200微米以上，同时，为了克服翘曲，4英寸的蓝宝石衬底比2英寸的蓝宝石衬底加厚了1倍以上，只为了能够平衡gan的晶格失配和热失配应力带来的翘曲，在这样的基础上，蓝宝石衬底材料生长的gan器件是无法发展到6英寸和8英寸的，因为其蓝宝石厚度要增加更多，同时面临的翘曲问题几乎是无法克服的。同时，这样的问题在蓝宝石衬底上生长aln时更为严重。第二，蓝宝石衬底的热导很差，大约为25w/mk，而现今gan和aln基器件的发展越来越朝着功率化和小型化的方向发展，器件功率越来越高，发热量越来越大，而蓝宝石衬底越来越成为器件的散热瓶颈，其散热不畅，会导致器件的结温快速升高，从而造成器件失效和寿命大幅下降等问题。

从材料体系上来讲，使用gan单晶或者aln单晶作为衬底是最好的解决途径，首先，gan单晶或者aln单晶会使得外延生长成为真正的同质外延生长，gan单晶或者aln单晶材料和外延生长的gan或者aln为同质材料，没有任何的晶格失配和热失配问题，这完美解决了由于蓝宝石衬底与gan或aln外延带来的应力问题，以及翘曲和衬底厚度增加的问题；使用gan单晶或者aln单晶衬底，生长gan或者aln不会产生任何的翘曲，所以无论衬底材料是2寸，4寸或者6寸，8寸，都不需要衬底材料加厚以抵抗翘曲的问题。其次，gan单晶或者aln单晶的热导率非常高，可以达到200w/mk以上，这又完美的解决了目前器件功率越来越大而面临的散热问题，因此，gan单晶衬底或者aln单晶衬底是理论上最为完美的衬底材料，然而，在实际工业中，gan单晶或者aln单晶的制备非常复杂，其成本高昂的令产业无法接受，因此，其始终无法作为商用的衬底使用。

除去以上的单晶衬底外，aln陶瓷基板材料，由于其和gan单晶和aln单晶相似的材料属性，使得人们更容易想起aln陶瓷基板是否可以作为衬底材料使用。首先，aln陶瓷基板和gan以及aln材料为同质材料，aln陶瓷基板和gan单晶的晶格失配仅为2.4%，热失配仅为5.2%，而其同aln单晶的晶格失配和热失配为零。因此，其作为生长基板使用，是不必担心任何翘曲问题和应力问题的，同时，aln陶瓷基板的理论热导率可以达到320w/mk，其可以充分满足gan基及aln基器件所面临的散热问题。因此，从这方面的意义考虑，aln陶瓷基板作为gan基及aln基器件的衬底材料使用是非常合适的，然而，现有的aln陶瓷基板为单层结构，仅一层陶瓷，aln陶瓷为陶瓷性质，多晶材料，晶粒大小大约在3-5微米，晶向杂乱无章，c轴晶向无序排列；且现有制备aln陶瓷基板主要使用的是流延成型技术，需要使用胶体、扩散剂和烧结助剂：如氧化钇等，其杂质数量和含量高，无法形成aln透明陶瓷结构。在材料生长理论指导下，多晶结构上是无法生长出单晶结构的，且烧结助剂等杂质对于aln陶瓷基板衬底生长aln单晶或gan单晶有很大的阻碍作用，因此使用现有的aln陶瓷基板生长gan单晶在理论上是不可能的。

技术实现要素：

本发明目的就是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底，这种复合衬底接近aln单晶材料的性能，能够实现外延生长gan单晶材料或器件或者aln单晶材料或器件，翘曲变形小，热导率高；且制备该复合衬底的设备成本低，从而制造成本低，使6英寸和8英寸led器件的生产成为可能。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底，包括下层的近单晶aln透明陶瓷基板和上层的aln或gan准单晶层；

所述近单晶aln透明陶瓷基板厚度为100—1000微米，晶胞直径在1—3微米，不含烧结助剂，且c轴取向偏差在10—20°以内；

所述aln或gan准单晶层厚度为5—100微米，c轴取向偏差在5°以内。

进一步优选地，所述aln透明陶瓷基板厚度为200—500微米。

进一步优选地，所述aln或gan准单晶层厚度为10—50微米。

与现有技术相比，本发明复合衬底内不含烧结助剂等杂质，不存在因杂质而阻碍在该衬底上生长aln单晶或gan单晶的问题。本发明复合衬底两层结构逐级降低c轴偏差，下层的近单晶aln透明陶瓷基板c轴取向偏差在10—20°以内，上层的aln或gan准单晶层c轴取向偏差被纠正到5°以下，基本接近aln单晶材料的性能，达到了在上层上外延aln单晶或gan单晶材料的必要条件，且翘曲变形小，热导率高；还有制备该复合衬底的设备成本低，从而制造成本低，使6英寸和8英寸led器件的生产成为可能。

上述所述的近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底的制备方法，其包括以下步骤：

a、c轴偏差在10—20°以内的近单晶aln透明陶瓷基板的制备，其包括以下步骤：

（1）准备粉体颗粒粒径在1微米以内，杂质含量低于0.1%的纯净的aln陶瓷粉体；

（2）利用温等静压成型技术将粉体成型：首先将纯净的aln陶瓷粉体称重，装入塑料袋中形成圆柱形，填实并封口；然后将圆柱形塑料袋放入温等静压设备中，在压力为500—2000mpa，温度为50—95℃的条件下保压0.5—12h，此时aln粉体已经被压制成圆柱形；

（3）取出装有aln的圆柱形塑料袋，去除塑料袋，用粉碎机将圆柱形aln粉碎成粒径不超过1mm的颗粒物；然后将该颗粒物继续装入塑料袋中形成圆柱形，填实并封口；然后将该圆柱形塑料袋放入温等静压设备中，在压力为500—2000mpa，温度为50—95℃的条件下保压0.5—12h，此时aln粉体已经被压制成圆柱形；

（4）取出装有aln的圆柱形塑料袋，去除塑料袋，将成型的aln圆柱体进行切割，切割成厚度为所述近单晶aln透明陶瓷基板厚度的多个衬底圆片；

（5）将衬底圆片放入烧结炉进行高温烧结，烧结温度为1700—1900℃，保温时间为0.5—5h；之后降温到室温后，再次升温进行二次烧结，烧结温度为1800—2100℃，保温时间为0.5—5h；之后降温取出即得到的c轴偏差在10—20°范围内的近单晶aln透明陶瓷基板，降温时保证温度在1800—2100℃降到1600℃时，降温速率不超过1℃/min；

b、在近单晶aln透明陶瓷基板上制备aln或gan准单晶层，其包括以下步骤：

（1）将制作好的近单晶aln透明陶瓷基板进行表面抛光处理，表面抛光粗糙度达到1nm以下；

（2）利用分子束外延法mbe、金属有机化合物气相沉积法mocvd、氢化物气相外延法hvpe、脉冲激光沉积pld或物理气相传输法pvt在抛光后的近单晶aln透明陶瓷基板衬底上生长所述厚度的gan或aln准单晶层形成双层aln透明陶瓷衬底坯料；

（3）将双层aln透明陶瓷衬底坯料放入烧结炉内进行高温烧结，温度升至1700—2000℃后，保温0.5—2h，再降温到室温，取出即得到本发明近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底。

进一步优选地，所述步骤b（2）中，利用分子束外延法mbe在抛光后的近单晶aln透明陶瓷基板衬底上生长5—100微米的gan或aln单晶层的方法，包括以下步骤：将样品放入mbe设备中，生长温度为1100-1400℃，其中，优选1250℃，生长时间20-300分钟，优选20-60分钟。

进一步优选地，所述步骤b（2）中，利用金属有机化合物气相沉积法mocvd在抛光后的近单晶aln透明陶瓷基板衬底上生长5—100微米的gan或aln单晶层的方法，包括以下步骤：将样品放入mocvd设备中，生长温度为1100-1300℃，其中，优选1250℃，生长时间20-100分钟，优选20-40分钟。

进一步优选地，所述步骤b（2）中，利用氢化物气相外延法hvpe在抛光后的近单晶aln透明陶瓷基板衬底上生长5—100微米的gan或aln单晶层的方法，包括以下步骤：将样品放入hvpe设备中，生长温度为900-1200℃，其中，优选1150℃，生长时间3-20分钟，优选5-10分钟。

进一步优选地，利用脉冲激光沉积pld在抛光后的近单晶aln透明陶瓷基板衬底上生长5—100微米的gan或aln单晶层的方法，包括以下步骤：将样品放入pld设备中，生长温度为800-1200℃，其中，优选1050℃，生长时间5-100分钟，优选10-30分钟，脉冲激光波长355nm，单脉冲能量200mj。

进一步优选地，所述步骤b（2）中，利用物理气相传输法pvt在抛光后的近单晶aln透明陶瓷基板衬底上生长5—100微米的gan或aln单晶层的方法，包括以下步骤：将样品放入pvt设备中，生长温度为800-1200℃，其中，优选1050℃，生长时间5-100分钟，优选10-30分钟。

上述方法使用了两次温等静压成型技术将纯净的aln陶瓷粉体成型，不添加任何粉体材料，第一次温等静压成型后，要经过粉碎机将成型的aln粉碎，再进行二次温等静压成型，aln粉体虽然本身粒径颗粒可以达到1微米以内，然而，其容易形成团簇，一次成型时，中间形成的气孔率会非常高，这样的情况下，不利于烧结形成的晶粒互相接近，因此，需要经过粉碎后二次成型，可以有效的解决气孔和致密问题，从而利于烧结形成近单晶结构。上述方法还使用了两次烧结的方法，不使用任何烧结助剂，分步成瓷并减小c轴取向偏差；第一次烧结温度在1700—1900℃，烧结目的在于使成型后的aln衬底圆片成瓷，达到一定的强度；第一次烧结后aln衬底圆片的晶粒大小将会在3—5微米之间，同时，c轴取向基本还是杂乱无章的，而不使用一次升温到2100℃烧结的原因在于，第一次烧结后的降温过程，是aln陶瓷晶粒互相融合，调整相变和曲线的关键过程。第二次烧结，烧结温度在1800—2100℃，使得aln陶瓷晶粒互相融合，从而形成晶胞尺寸在3微米以下的c轴取向偏差在10—20°之间的近单晶aln透明陶瓷基板。本发明利用分子束外延法（mbe）、金属有机化合物气相沉积法（mocvd）、氢化物气相外延法（hvpe）、脉冲激光沉积（pld）、物理气相传输法（pvt）等生长方法生长aln或gan准单晶层后，晶体c轴取向可以达到10°左右，而再一次的高温烧结过程，将实现本层gan或aln的再次自结晶自组装过程，其c轴取向可以达到5°以下；完全能够用于外延生长gan单晶材料或器件或者aln单晶材料单晶或器件，翘曲变形小，热导率高；且制备该复合衬底的设备成本低，从而制造成本低，能够应用到led的实际生产中。

附图说明

图1为本发明复合衬底的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例1，一种近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底，如图1所示，包括下层的近单晶aln透明陶瓷基板1和上层的aln或gan准单晶层2。近单晶aln透明陶瓷基板1厚度为100微米，晶胞直径在1微米，不含烧结助剂，且c轴取向偏差在10—20°以内。aln或gan准单晶层厚度为5微米，c轴取向偏差在5°以内。

上述所述的近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底的制备方法，其包括以下步骤：其包括以下步骤：

a、c轴偏差在10—20°以内的近单晶aln透明陶瓷基板的制备，其包括以下步骤：（1）准备粉体颗粒粒径在1微米以内，杂质含量低于0.1%的纯净的aln陶瓷粉体。（2）利用温等静压成型技术将粉体成型：首先将纯净的aln陶瓷粉体称重，装入塑料袋中形成圆柱形，填实并封口；然后将圆柱形塑料袋放入温等静压设备中，在压力为500mpa，温度为95℃的条件下保压0.5h，此时aln粉体已经被压制成圆柱形。（3）取出装有aln的圆柱形塑料袋，去除塑料袋，用粉碎机将圆柱形aln粉碎成粒径不超过1mm的颗粒物；然后将该颗粒物继续装入塑料袋中形成圆柱形，填实并封口；然后将该圆柱形塑料袋放入温等静压设备中，在压力为500mpa，温度为95℃的条件下保压0.5h，此时aln粉体已经被压制成圆柱形。（4）取出装有aln的圆柱形塑料袋，去除塑料袋，将成型的aln圆柱体进行切割，切割成厚度为所述近单晶aln透明陶瓷基板厚度的多个衬底圆片。（5）将衬底圆片放入烧结炉进行高温烧结，烧结温度为1800℃，保温时间为5h；之后降温到室温后，再次升温进行二次烧结，烧结温度为1800℃，保温时间为1h；之后降温取出即得到的c轴偏差在10—20°范围内的近单晶aln透明陶瓷基板，降温时保证温度在1800℃降到1600℃时，降温速率不超过1℃/min。

b、在近单晶aln透明陶瓷基板上制备aln或gan准单晶层，其包括以下步骤：

（1）将制作好的近单晶aln透明陶瓷基板进行表面抛光处理，表面抛光粗糙度达到1nm以下；

（2）利用分子束外延法mbe在抛光后的近单晶aln透明陶瓷基板衬底上生长所述厚度的gan或aln准单晶层形成双层aln透明陶瓷衬底坯料，包括以下步骤：将样品放入mbe设备中，生长温度为1100-1400℃，其中，优选1250℃，生长时间20-300分钟，优选20-60分钟；

（3）将双层aln透明陶瓷衬底坯料放入烧结炉内进行高温烧结，温度升至1800℃后，保温1h，再降温到室温，取出即得到本发明近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底。

实施例2，一种近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底，如图1所示，包括下层的近单晶aln透明陶瓷基板1和上层的aln或gan准单晶层2。近单晶aln透明陶瓷基板1厚度为500微米，晶胞直径在3微米，不含烧结助剂，且c轴取向偏差在10—20°以内。aln或gan准单晶层厚度为50微米，c轴取向偏差在5°以内。

上述所述的近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底的制备方法的步骤a同实施例1，步骤b（1）、（3）同实施例1，只是步骤b（2）是利用金属有机化合物气相沉积法mocvd在抛光后的近单晶aln透明陶瓷基板衬底上生长5—100微米的gan或aln单晶层的方法，包括以下步骤：将样品放入mocvd设备中，生长温度为1100度-1300度，其中，优选1250度，生长时间20-100分钟，优选20-40分钟。

实施例3，一种近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底，如图1所示，包括下层的近单晶aln透明陶瓷基板1和上层的aln或gan准单晶层2。近单晶aln透明陶瓷基板1厚度为1000微米，晶胞直径在1.5微米，不含烧结助剂，且c轴取向偏差在10—20°以内。aln或gan准单晶层厚度为10微米，c轴取向偏差在5°以内。

上述所述的近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底的制备方法的步骤a同实施例1，步骤b（1）、（3）同实施例1，只是步骤b（2）是利用氢化物气相外延法hvpe在抛光后的近单晶aln透明陶瓷基板衬底上生长5—100微米的gan或aln单晶层的方法，包括以下步骤：包括以下步骤：将样品放入hvpe设备中，生长温度为900-1200℃，其中，优选1150℃，生长时间3-20分钟，优选5-10分钟。

实施例4，一种近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底，如图1所示，包括下层的近单晶aln透明陶瓷基板1和上层的aln或gan准单晶层2。近单晶aln透明陶瓷基板1厚度为200微米，晶胞直径在2微米，不含烧结助剂，且c轴取向偏差在10—20°以内。aln或gan准单晶层厚度为100微米，c轴取向偏差在5度°以内。

上述所述的近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底的制备方法的步骤a同实施例1，步骤b（1）、（3）同实施例1，只是步骤b（2）是利用脉冲激光沉积pld在抛光后的近单晶aln透明陶瓷基板衬底上生长5—100微米的gan或aln单晶层的方法，包括以下步骤：将样品放入pld设备中，生长温度为800-1200℃，其中，优选1050℃，生长时间5-100分钟，优选10-30分钟，脉冲激光波长355nm，单脉冲能量200mj。

实施例5，一种近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底，如图1所示，包括下层的近单晶aln透明陶瓷基板1和上层的aln或gan准单晶层2。近单晶aln透明陶瓷基板1厚度为350微米，晶胞直径在2.5微米，不含烧结助剂，且c轴取向偏差在10—20°以内。aln或gan准单晶层厚度为30微米，c轴取向偏差在5度°以内。

上述所述的近单晶双层透明aln陶瓷复合衬底的制备方法的步骤a同实施例1，步骤b（1）、（3）同实施例1，只是步骤b（2）是利用物理气相传输法pvt在抛光后的近单晶aln透明陶瓷基板衬底上生长5—100微米的gan或aln单晶层的方法，包括以下步骤：将样品放入pvt设备中，生长温度为800-1200℃，其中，优选1050℃，生长时间5-100分钟，优选10-30分钟。

上述实施例仅是优选的和示例性的，本领域技术人员可以根据本专利的描述做等同技术改变，其都由本专利的保护范围所覆盖。