本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種電光器件。
背景技術(shù)：
氮化鎵材料的研究與應(yīng)用是全球半導(dǎo)體研究的熱點(diǎn)，是研制半導(dǎo)體器件的新型半導(dǎo)體材料，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。氮化鎵具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好(幾乎不被任何酸腐蝕)等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照能力，在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。例如氮化鎵基晶體管。
形成氮化鎵基的半導(dǎo)體器件，必須先選擇一種襯底來形成氮化鎵層。目前有的采用硅(Si)襯底，有的采用藍(lán)寶石襯底，有的采用碳化硅(SiC)襯底，亦有采用GaN襯底。
藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底、以及GaN襯底，它們?cè)诔杀?、供?yīng)量及尺寸方面都有缺點(diǎn)。雖然硅襯底是最吸引的低成本襯底，但使用也有困難，生長(zhǎng)的氮化鎵品質(zhì)不高。例如會(huì)形成瑕疵及變形，這是因?yàn)楣枰r底與氮化鎵層之間在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)方面本質(zhì)上不匹配。
目前，無論哪一種均無法滿足的越來越高的需求，襯底性能還有待于進(jìn)一步提高，以有利于形成低成本、高質(zhì)量的氮化鎵基晶體管。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
基于此，有必要針對(duì)現(xiàn)有的氮化鎵基晶體管成本高、質(zhì)量差的問題，提供一種包含高質(zhì)量、低成本的氮化鎵基晶體管的電光器件。
一種電光器件，包括：
復(fù)合襯底，包括硅襯底層以及鍵合在所述硅襯底層上的藍(lán)寶石襯底層；
開關(guān)結(jié)構(gòu)層，由生長(zhǎng)在所述藍(lán)寶石襯底層上的氮化鎵晶體形成；
以及器件主體結(jié)構(gòu)，包括鍵合于所述硅襯底層上的電光晶體層。
上述電光器件，由于采用氮化鎵基晶體管的開關(guān)結(jié)構(gòu)層，與Si基晶體管相比，可以降低待機(jī)功耗并且可以提高工作頻率。上述電光器件中的開關(guān)結(jié)構(gòu)層，采用藍(lán)寶石襯底層與硅襯底層鍵合而成的復(fù)合襯底，這樣可以在藍(lán)寶石襯底層上生長(zhǎng)高質(zhì)量的氮化鎵晶體，從而有利于獲得高質(zhì)量的開關(guān)結(jié)構(gòu)層，進(jìn)而有利于制造出性能優(yōu)異的電光器件；同時(shí)該復(fù)合襯底的硅襯底層，可以滿足大尺寸主流生產(chǎn)線的需求，與現(xiàn)有的硅襯底工藝兼容；另外，還避免使用大尺寸的藍(lán)寶石片，可以有效降低開關(guān)結(jié)構(gòu)層以及電光器件的成本。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述電光晶體層由鉭酸鋰晶體制成。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述電光晶體層由鈮酸鋰晶體制成。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述復(fù)合襯底還包括生長(zhǎng)在所述藍(lán)寶石襯底層上的硅膜；所述藍(lán)寶石襯底層通過所述硅膜與所述硅襯底層鍵合。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述硅膜的厚度為1～5μm。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述藍(lán)寶石襯底層的厚度為20μm。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述硅襯底層的厚度為600～1500μm。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述開關(guān)結(jié)構(gòu)層包括氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)管為氮化鎵基高電子遷移率晶體管。
附圖說明
圖1為本實(shí)用新型一實(shí)施例的電光器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施方式，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施方式僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本實(shí)用新型的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本實(shí)用新型的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本實(shí)用新型。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。
參見圖1，本實(shí)用新型一實(shí)施例的電光器件100，包括復(fù)合襯底110、器件主體結(jié)構(gòu)130、以及開關(guān)結(jié)構(gòu)層120。
具體地，復(fù)合襯底110包括硅襯底層111以及鍵合在硅襯底層111上的藍(lán)寶石襯底層112。
其中，藍(lán)寶石襯底層112，其主要目的是，用于生長(zhǎng)高質(zhì)量的氮化鎵，進(jìn)而形成開關(guān)結(jié)構(gòu)層120；也就是說，氮化鎵是生長(zhǎng)在復(fù)合襯底110的藍(lán)寶石襯底層112上，開關(guān)結(jié)構(gòu)層120位于復(fù)合襯底110靠近藍(lán)寶石襯底層112的一側(cè)。
其中，硅襯底層111的主要作用是，用于支撐藍(lán)寶石襯底層112，同時(shí)支撐器件主體結(jié)構(gòu)130。
其中，藍(lán)寶石襯底層112以及硅襯底層111鍵合在一起形成復(fù)合襯底110。
在本文中，鍵合(bonding)是指：將兩片表面清潔、原子級(jí)平整的同質(zhì)或異質(zhì)材料在一定條件下直接結(jié)合，通過范德華力、分子力甚至原子力使晶片鍵合成為一體。
由于本實(shí)用新型的復(fù)合襯底110通過鍵合形成，故藍(lán)寶石襯底層112以及硅襯底層111之間的結(jié)合力很強(qiáng)，其鍵合強(qiáng)度可高達(dá)12MPa。
優(yōu)選地，硅襯底層111由直徑大于等于6英寸硅晶片的制成。例如選用6英寸的硅晶片，或者8英寸的硅晶片。
更具體地，在本實(shí)施例中的硅襯底層111由直徑6英寸厚1300μm的硅晶圓制成。
優(yōu)選地，藍(lán)寶石襯底層112的厚度為20μm。這樣既可以保證在復(fù)合襯底110上生長(zhǎng)形成良好的氮化鎵，又可以確保復(fù)合襯底110具有良好的導(dǎo)熱性。
優(yōu)選地，復(fù)合襯底110還包括生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底層112上的硅膜113；藍(lán)寶石襯底層112通過硅膜113與硅襯底層111鍵合。
其中，硅膜113的厚度為1～5μm。這樣可以進(jìn)一步促進(jìn)藍(lán)寶石襯底層112與硅襯底層111鍵合，增強(qiáng)復(fù)合襯底110的性能。
以下對(duì)本實(shí)用新型的復(fù)合襯底的制備過程進(jìn)行簡(jiǎn)述。
本實(shí)用新型的復(fù)合襯底的制備方法，包括如下步驟：
S1、將藍(lán)寶石片與硅晶片鍵合，形成鍵合體。
優(yōu)選地，藍(lán)寶石片與硅晶片采用Si-Si直接鍵合(SDB—Silicon Direct Bonding)工藝鍵合。
具體地，Si-Si直接鍵合工藝為在藍(lán)寶石片上生長(zhǎng)硅膜113；然后將硅膜113和硅晶片鍵合，從而將藍(lán)寶石片與硅晶片鍵合在一起，得到鍵合體300。
采用Si-Si直接鍵合工藝，不需要任何粘結(jié)劑和外加電場(chǎng)，并且工藝簡(jiǎn)單，更為重要的是，采用Si-Si直接鍵合工藝形成的復(fù)合襯底其性能較優(yōu)。
優(yōu)選地，硅膜113的生長(zhǎng)為氣相外延生長(zhǎng)。也就是說，采用氣相外延生長(zhǎng)的方法在藍(lán)寶石片上生長(zhǎng)硅膜。這樣形成的硅膜113的晶型較好，有利于與硅晶片的鍵合。
更優(yōu)選地，在氣相外延生長(zhǎng)中，硅源為SiH4，載氣為氫氣。
氣相外延生長(zhǎng)可以采用本領(lǐng)域公知的氣相外延生長(zhǎng)工藝，在此不再贅述。
具體地，鍵合的步驟依次包括預(yù)鍵合、低溫鍵合、高溫鍵合三個(gè)子步驟。
其中，預(yù)鍵合優(yōu)選為：將硅膜113以及硅晶片表面清洗干凈，在室溫下真空加力鍵合。
低溫鍵合優(yōu)選為：將預(yù)鍵合后的產(chǎn)物，在氧氣或氮?dú)猸h(huán)境中，在低溫(一般為100～200℃)下鍵合。
低溫鍵合優(yōu)選為：將低溫鍵合后的產(chǎn)物，在氧氣或氮?dú)猸h(huán)境中，在高溫(1000℃以上)鍵合數(shù)小時(shí)。
具體地，鍵合的操作為：分別將硅晶片、硅膜113的表面擦拭去除粉塵等顆粒雜質(zhì)，后用甲苯、丙酮和乙醇溶液超聲清洗5～10min，然后在稀釋的氫氟酸溶液中活化10s，活化之后用去離子水沖洗。接著用去離子水、雙氧水與氨水配置的清洗液清洗，在用去離子水、雙氧水與鹽酸配置的清洗液清洗。將清洗之后的硅晶片、帶硅膜113的藍(lán)寶石片甩干。
將甩干之后的硅晶片、帶硅膜113的藍(lán)寶石片放入鍵合裝置中加壓預(yù)鍵合。
然后將預(yù)鍵合之后的產(chǎn)物取出，在氧化擴(kuò)散爐中，在100～200℃下鍵合10min，然后迅速升溫至1000℃以上鍵合1h。
S2、將鍵合體中的藍(lán)寶石片減薄，得到復(fù)合襯底。
優(yōu)選地，減薄為研磨拋光減薄。
具體地，研磨拋光減薄可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的研磨拋光減薄工藝。在此不再贅述。
其中，開關(guān)結(jié)構(gòu)層120的主要作用是，驅(qū)動(dòng)并控制器件主體結(jié)構(gòu)130工作。開關(guān)結(jié)構(gòu)層120位于復(fù)合襯底110靠近藍(lán)寶石襯底層112的一側(cè)。
具體地，開關(guān)結(jié)構(gòu)層120包括氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)管(GaN FET)。也就是說，通過生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底層112上的氮化鎵晶體形成場(chǎng)效應(yīng)管(FET，F(xiàn)ield Effect Transistor)。
更優(yōu)選地，GaN FET為GaN-HEMT，也即GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT，High Electron Mobility Transistor)。
開關(guān)結(jié)構(gòu)層120的具體結(jié)構(gòu)可以采用本領(lǐng)域所公知的結(jié)構(gòu)，開關(guān)結(jié)構(gòu)層120的制作方法亦可以采用本領(lǐng)域公知的GaN FET或GaN-HEMT的制作方法。
其中，器件主體結(jié)構(gòu)130，是電光器件100的核心部件。在器件主體結(jié)構(gòu)130中通過電場(chǎng)作用改變光。具體地，器件主體結(jié)構(gòu)130形成藍(lán)寶石襯底層112上。
具體地，器件主體結(jié)構(gòu)130包括電光晶體層，電光晶體層與硅襯底層111鍵合，也就是說，電光晶體層鍵合于硅襯底層111上。
在本實(shí)施例中，電光晶體層由鉭酸鋰晶體制成。也就是說，電光器件100為鉭酸鋰基電光器件。當(dāng)然，可以理解的是，本實(shí)用新型的電光器件并不局限于鉭酸鋰基，還可以是鈮酸鋰基(也即電光晶體層由鈮酸鋰制成)
當(dāng)然，可以理解的是，器件主體結(jié)構(gòu)130還包括其它功能層(例如覆蓋層等)以及電極(未示出)等。當(dāng)然，可以理解的是，本實(shí)用新型對(duì)器件主體結(jié)構(gòu)130的具體結(jié)構(gòu)不進(jìn)行限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的器件主體結(jié)構(gòu)130的具體結(jié)構(gòu)。
上述電光器件，由于采用氮化鎵基的晶體管的控制基本，與Si基晶體管相比，可以降低待機(jī)功耗并且可以提高工作頻率。上述電光器件中的開關(guān)結(jié)構(gòu)層，采用藍(lán)寶石襯底層與硅襯底層鍵合而成的復(fù)合襯底，這樣可以在藍(lán)寶石襯底層上生長(zhǎng)高質(zhì)量的氮化鎵晶體，從而有利于獲得高質(zhì)量的開關(guān)結(jié)構(gòu)層，進(jìn)而有利于制造出性能優(yōu)異的電光器件；同時(shí)該復(fù)合襯底的硅襯底層，可以滿足大尺寸主流生產(chǎn)線的需求，與現(xiàn)有的硅襯底工藝兼容；另外，還避免使用大尺寸的藍(lán)寶石片，可以有效降低開關(guān)結(jié)構(gòu)層以及電光器件的成本。
以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。
以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本實(shí)用新型的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)實(shí)用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。因此，本實(shí)用新型專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。