[發明專利]一種硅基復合襯底及其制造方法

無效

• 申請號: 201010156392.2
• 申請日: 2010-03-30
• 公開（公告）號: CN102208337A
• 公開（公告）日: 2011-10-05
• 發明（設計）人: 施建江;楊少延;劉祥林
• 申請（專利權）人: 杭州海鯨光電科技有限公司
• 主分類號: H01L21/20
• 分類號: H01L21/20;H01L33/12
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 陶鳳波;屈玉華

技術領域

本發明涉及一種半導體襯底及其制造方法，具體而言，涉及一種用于制備氮化物半導體外延材料的硅基復合襯底及其制造方法。

背景技術

氮化物半導體，尤其是氮化鎵(GaN)是制備應用于半導體照明和顯示器背光領域的發光二極管器件的核心基礎材料。由于缺少同質體單晶材料，GaN材料的器件應用通常在異質基底上進行，最常用的是藍寶石(Al₂O₃)基底，由于藍寶石基底不導電、硬度大、價格較高，其上的GaN基LED器件制備難度和成本一直難以降低。碳化硅(SiC)基底相比藍寶石與GaN有更好的晶格匹配關系，但其價格昂貴，且其上GaN基LED器件工藝僅被個別大公司掌握，因此不適合廣泛商業化推廣。降低GaN基LED器件制備成本的途徑之一是采用大尺寸基底，目前4英寸以上的藍寶石和SiC基底尚難于獲得且價格昂貴。硅(Si)基底既有大尺寸又價格低廉，并已在微電子工業中成熟應用，用Si做基底可大幅度降低GaN基LED器件的制備成本，其經濟效益相當可觀，市場推廣前景也最被看好。但Si基底上制備GaN基LED外延片材料要面臨三方面挑戰：

(1)大晶格失配問題。Si與GaN之間由于晶格常數不同，在生長初期會在GaN外延層中積聚非常大的晶格失配應力，如晶格失配應力不被轉移和協調釋放，當GaN生長厚度超過某一臨界厚度后就會以在界面處引發高密度位錯和缺陷的形式釋放，其中的穿通位錯還會增殖和延伸到表面。晶格失配應力造成的結晶質量惡化將極大影響GaN材料的光電性能；

(2)熱失配問題。Si的熱膨脹系數為2.6×10^-6K，GaN平行于a軸的熱膨脹系數為5.6×10^-6K，Si與GaN之間的熱膨脹系數相差很大，加上硅基底(厚幾百μm)相比GaN外延層(厚幾μm)厚得多，從1050℃左右生長溫度降到室溫將會產生非常大的熱應力，而且這個熱應力對于GaN材料而言是非常大的張應力。如此大的熱張應力如不能被轉移和協調釋放將會造成GaN膜層龜裂或彎曲而無法進行后續的LED器件結構制備；

(3)界面化學問題。如在Si基底上直接生長GaN材料，1050℃左右生長溫度會造成Si向GaN中高濃度擴散；同時，生長初期的Ga滴還會腐蝕Si表面，Si與N反應也易形成非晶氮化硅(SiN_x)材料。這些界面化學問題都極大影響了GaN成核和連續成膜，不利于GaN外延層高質量生長。

為了克服Si基GaN材料上述大失配外延問題，目前已發展多種方法：如應力協變層(包括緩沖層、柔性層、插入層等)和圖形襯底。現有的應力協變層的失配應力協調功能比較單一。要么在轉移和協調釋放大晶格失配應力方面具有較好效果，但在轉移和協調釋放大熱失配應力方面作用有限，如用氮化鋁(AlN)、組分漸變的AlGaN、氮化鈧(ScN)、氮化鋯(ZrN)、硼化鋯(ZrB₂)等做晶格失配應力協變層和界面阻擋層，用氧化鋁(γ-Al₂O₃)和氮化鉿(HfN)做緩沖層和界面阻擋層等；要么具有較好的熱應力轉移和協調釋放效果，能夠制備得到具有一定厚度無裂紋GaN外延層材料，，但在協調晶格失配應力方面的作用有限，甚至會降低GaN外延層的結晶質量，如用氮化鈦(TiN)做緩沖層和界面阻擋層，用低溫氮化鋁(AlN)層做插入層等。圖形襯底方法則需要在硅基底或GaN外延層上做掩模和光刻圖形(納米或微米尺度的圖形)，因窗口處位錯密度難以降低需多次掩模和光刻圖形，工藝復雜，不僅極大地抬高了材料制備成本，同時還難于獲得無裂紋與彎曲且結晶質量均勻的大尺寸GaN外延層材料，如直徑2英寸以上的GaN外延層材料。

發明內容

本發明的目的在于針對硅基底上制備氮化鎵LED外延片材料中的大晶格失配、大熱失配和界面化學問題以及現有技術不足，提供一種用于氮化鎵、氮化鋁、氮化銦、鋁鎵氮、銦鎵氮、銦鋁鎵氮單晶薄膜材料及其LED器件結構制備生長的硅基復合襯底。

本發明提供一種用于制備氮化物半導體外延材料的硅基復合襯底，包含：一硅(Si)單晶基底；一復合應力協變層，形成在硅(Si)單晶基底上，由氮化鋁(AlN)和氮化鈦(TiN)單晶薄膜材料彼此多次交疊構成；一氮化鎵(GaN)模板層，形成在復合應力協變層上，由氮化鎵(GaN)單晶薄膜材料構成。

所述的復合應力協變層中氮化鋁(AlN)層每層的厚度為15～90nm，層數2～10層，對硅(Si)基氮化鎵(GaN)材料起晶格失配應力轉移與協調釋放和界面阻擋層作用。