一种硅基复合衬底制造技术

本实用新型专利技术提供一种用于制备氮化物半导体外延材料的硅基复合衬底，其特征在于，包含：一硅单晶基底；一复合应力协变层，形成在硅单晶基底上，该复合应力协变层由氮化铝和氮化钛单晶薄膜材料彼此多次交叠构成；一氮化镓模板层，形成在复合应力协变层上，该氮化镓模板层由氮化镓单晶薄膜材料构成。该硅基复合衬底克服了硅基氮化镓材料大晶格失配问题和大热失配问题，能够大幅度降低氮化镓ＬＥＤ外延片材料制备成本，适合应用与市场推广。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种半导体衬底，具体而言，涉及一种用于制备氮化物半导体外 延材料的硅基复合衬底。
技术介绍
氮化物半导体，尤其是氮化镓(GaN)是制备应用于半导体照明和显示器背光领域 的发光二极管器件的核心基础材料。由于缺少同质体单晶材料，GaN材料的器件应用通常在 异质基底上进行，最常用的是蓝宝石(Al2O3)基底，由于蓝宝石基底不导电、硬度大、价格较 高，其上的GaN基LED器件制备难度和成本一直难以降低。碳化硅(SiC)基底相比蓝宝石 与GaN有更好的晶格匹配关系，但其价格昂贵，且其上GaN基LED器件工艺仅被个别大公司 掌握，因此不适合广泛商业化推广。降低GaN基LED器件制备成本的途径之一是采用大尺 寸基底，目前4英寸以上的蓝宝石和SiC基底尚难于获得且价格昂贵。硅(Si)基底既有大 尺寸又价格低廉，并已在微电子工业中成熟应用，用Si做基底可大幅度降低GaN基LED器 件的制备成本，其经济效益相当可观，市场推广前景也最被看好。但Si基底上制备GaN基 LED外延片材料要面临三方面挑战(1)大晶格失配问题。Si与GaN之间由于晶格常数不同，在生长初期会在GaN外 延层中积聚非常大的晶格失配应力，如晶格失配应力不被转移和协调释放，当GaN生长厚 度超过某一临界厚度后就会以在界面处引发高密度位错和缺陷的形式释放，其中的穿通位 错还会增殖和延伸到表面。晶格失配应力造成的结晶质量恶化将极大影响GaN材料的光电 性能；(2)热失配问题。Si的热膨胀系数为2.6 X 10_6K，GaN平行于a轴的热膨胀系数为 5. 6X IO-6K, Si与GaN之间的热膨胀系数相差很大，加上硅基底(厚几百μ m)相比GaN外 延层(厚几Pm)厚得多，从1050°C左右生长温度降到室温将会产生非常大的热应力，而且 这个热应力对于GaN材料而言是非常大的张应力。如此大的热张应力如不能被转移和协调 释放将会造成GaN膜层龟裂或弯曲而无法进行后续的LED器件结构制备；(3)界面化学问题。如在Si基底上直接生长GaN材料，1050°C左右生长温度会造 成Si向GaN中高浓度扩散；同时，生长初期的Ga滴还会腐蚀Si表面，Si与N反应也易形 成非晶氮化硅(SiNx)材料。这些界面化学问题都极大影响了 GaN成核和连续成膜，不利于 GaN外延层高质量生长。为了克服Si基GaN材料上述大失配外延问题，目前已发展多种方法如应力协变 层(包括缓冲层、柔性层、插入层等)和图形衬底。现有的应力协变层的失配应力协调功能 比较单一。要么在转移和协调释放大晶格失配应力方面具有较好效果，但在转移和协调释 放大热失配应力方面作用有限，如用氮化铝(AlN)、组分渐变的AlGaN、氮化钪(ScN)、氮化 锆(&N)、硼化锆(ZrB2)等做晶格失配应力协变层和界面阻挡层，用氧化铝(Y-Al2O3)和氮 化铪(HfN)做缓冲层和界面阻挡层等；要么具有较好的热应力转移和协调释放效果，能够 制备得到具有一定厚度无裂纹GaN外延层材料，但在协调晶格失配应力方面的作用有限，甚至会降低GaN外延层的结晶质量，如用氮化钛(TiN)做缓冲层和界面阻挡层，用低温氮化 铝(AlN)层做插入层等。图形衬底方法则需要在硅基底或GaN外延层上做掩模和光刻图 形(纳米或微米尺度的图形)，因窗口处位错密度难以降低需多次掩模和光刻图形，工艺复 杂，不仅极大地抬高了材料制备成本，同时还难于获得无裂纹与弯曲且结晶质量均勻的大 尺寸GaN外延层材料，如直径2英寸以上的GaN外延层材料。
技术实现思路
本技术的目的在于针对硅基底上制备氮化镓LED外延片材料中的大晶格失 配、大热失配和界面化学问题以及现有技术不足，提供一种用于氮化镓、氮化铝、氮化铟、铝 镓氮、铟镓氮、铟铝镓氮单晶薄膜材料及其LED器件结构制备生长的硅基复合衬底。本技术提供一种用于制备氮化物半导体外延材料的硅基复合衬底，包含一 硅(Si)单晶基底；一复合应力协变层，形成在硅(Si)单晶基底上，由氮化铝(AlN)和氮化 钛(TiN)单晶薄膜材料彼此多次交叠构成；一氮化镓(GaN)模板层，形成在复合应力协变层 上，由氮化镓(GaN)单晶薄膜材料构成。所述的复合应力协变层中氮化铝(AlN)层每层的厚度为15 90nm，层数2 10 层，对硅(Si)基氮化镓(GaN)材料起晶格失配应力转移与协调释放和界面阻挡层作用。所述的复合应力协变层中氮化钛(TiN)层每层的厚度不大于薄氮化铝(AlN)层 每层厚度的1/3，且各氮化钛(TiN)层分别插入到各氮化铝(AlN)层之间，通过调控氮化镓 (GaN)模板层从生长温度降到室温的降温速率来实现硅(Si)基氮化镓(GaN)材料的热应力 转移和协调释放，以避免氮化镓(GaN)模板层产生裂纹和弯曲。所述的氮化镓(GaN)模板层的厚度不小于1 μ m，从1100°C生长温度降到室温的降 温速率为5 20°C /分钟。所述的用于制备复合应力协变层中的氮化铝(AlN)和氮化钛(TiN)单晶薄膜材料 以及氮化镓(GaN)模板层中氮化镓(GaN)单晶薄膜材料的材料生长工艺包括但不限于金属 有机物化学气相沉积(MOCVD)、离子束外延(IBE)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、 等离子体辅助化学气相沉积(PE-CVD)及磁控溅射沉积(MSD)。所述的硅(Si)基复合衬底可以用于氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)、铝 镓氮(AlGaN)、铟镓氮(InGaN)、铟铝镓氮(InAlGaN)单晶薄膜材料及其LED器件结构的制 备生长。本技术采用了由多层氮化铝和氮化钛单晶薄膜材料交叠构成的复合应力协 变层，其中氮化铝与硅(Si)和氮化镓(GaN)都有很好晶格匹配关系且具有很好的热、化学 稳定性，因而降低在GaN模板层中引入位错和缺陷的几率，氮化钛的热膨胀系数大于硅、氮 化镓和氮化铝的热膨胀系数，可使热张应力先转移到各层TiN单晶薄膜材料中协调释放， 多层AlN与TiN交叠结构会引入更多界面，这些增加的界面又起到阻止下面的穿通位错向 上增殖延伸作用。因此，AlN和TiN相互交叠构成的复合应力协变层具有相比现有应力协 变层、缓冲层及低温插入层更好的晶格失配应力和热应力转移协调效果。此外，AlN和TiN相互交叠构成的复合应力协变层可采用与GaN模板层相同的材 料生长工艺在同一设备上依次制备，因此相比现有的图形衬底技术，制备工艺更简单也更 实用。此外，本技术仅通过调控复合应力协变层中的AlN与TiN单晶薄膜材料的厚 度与交叠层数以及外延生长GaN模板层后的降温速率就可获得低位错密度无裂纹和弯曲 的Si基复合衬底，因此能够获得更大尺寸的Si基复合衬底，用此种大尺寸衬底外延生长 GaN材料和制备LED器件结构，势必会大幅度降低现有的GaN基LED外延片材料的制备成 本。附图说明图1是用于氮化镓(GaN)LED外延片材料制备的硅(Si)基复合衬底的结构示意 图。主要元件符号说明1 硅(Si)基复合衬底；11 硅(Si)基底；12:复合应力协变层；121 薄氮化铝(AlN)单晶薄膜材料；122 超薄氮化钛(TiN)单晶薄膜材料；13 氮化镓(GaN)模板层。具体实施方式以下结合附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备氮化物半导体外延材料的硅基复合衬底，其特征在于，包含：　　一硅单晶基底；　　一复合应力协变层，形成在所述硅单晶基底上，所述复合应力协变层由氮化铝和氮化钛单晶薄膜材料彼此多次交叠构成；　　一氮化镓模板层，形成在所述复合应力协变层上，所述氮化镓模板层由氮化镓单晶薄膜材料构成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：施建江，杨少延，刘祥林，
申请(专利权)人：杭州海鲸光电科技有限公司，施建江，
类型：实用新型
国别省市：86[中国|杭州]