[發明專利]低成本寬禁帶單晶薄膜的結構及制備方法

有效

• 申請號: 201210100957.4
• 申請日: 2012-04-09
• 公開（公告）號: CN102651309A
• 公開（公告）日: 2012-08-29
• 發明（設計）人: 李忠輝
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 南京君陶專利商標代理有限公司 32215
• 代理人: 沈根水

技術領域

本發明涉及一種利用氮化鋁和碳化硅多層緩沖層在硅單晶上制備低成本寬禁帶單晶薄膜及低成本寬禁帶單晶薄膜的制備方法。?

背景技術

氮化物和碳化硅（SiC）等寬禁帶單晶薄膜材料由于優良的理化性能在微電子和光電子等國民經濟的各個重要領域得到廣泛應用；因為缺乏高質量的單晶材料作為同質襯底，氮化物薄膜生長均采用大失配度的異質外延方式。相比之下，SiC單晶材料由于晶格失配小、熱導率高等特點，適合于做氮化物和SiC等單晶薄膜的外延襯底；但是SiC單晶材料制備難度高、硬度高加工難度大、來源少，與成熟的硅工藝不兼容等多種不利因素導致價格昂貴，短期內無法在寬禁帶晶薄膜生長領域大規模應用；單晶硅（Si）的尺寸大、晶體質量高、導熱較好、硬度小、加工工藝成熟、易于實現集成、價格低廉等優點更為突出，作為襯底材料可以顯著降低成本，因此，單晶Si襯底生長氮化物和SiC等寬禁帶單晶薄膜是未來重要的產業化方法之一，尤其是在與主流硅工業結合后必將占領廣闊的市場空間；雖然單晶Si襯底上生長氮化物或SiC寬禁帶單晶薄膜有如此多的優勢，但是有一個瓶頸始終阻礙著這項技術的快速發展；通常，寬禁帶單晶薄膜在藍寶石、SiC和Si襯底上生長時晶格常數和熱膨脹系數都存在一定的失配，其中SiC襯底的晶格失配最小，但價格最高；單晶Si襯底最便宜，但晶格和熱失配應力最大，例如，Si(111)與氮化鎵（GaN）的晶格失配和熱脹系數失配分別是17%和56%，為了釋放應力，在氮化物薄膜中極易產生大量的位錯和缺陷，尤其是降溫過程中會出現高密度的裂紋，隨著氮化物薄膜厚度的增加此現象更難消除；為此，研究者們也提出了很多改善Si基寬禁帶單晶薄膜晶體質量的方法，如在寬禁帶薄膜中生長插入層和Si襯底表面圖形化，工藝比較復雜，容易引入二次污染；生長寬禁帶薄膜是需要經過大量實驗研究才能掌握其規律性，達到穩定的工藝；三是綜合利用單晶Si和SiC材料的優點，在單晶Si襯底上經過碳化后制備SiC緩沖層，然后發揮SiC與氮化物間晶格失配小的優點，以其為模板生長氮化物薄膜。上述方案都在不同程度上緩解了寬禁帶外延單晶薄膜的應力，但薄膜制備工藝和晶體質量、表面形貌等方面還存在著不足；一般地，單晶Si上生長的3C-SiC屬于立方相，在此基礎上生長的寬禁帶單晶薄膜也是立方相結構；氮化物或SiC等寬禁帶單晶薄膜的立方相與六方相是常見的兩種晶體結構，二者性質差異較大，通常六方相結構的晶體質量、表面形貌和穩定性等都比立方相的好；目前研究最多和已經實用化的氮化物或SiC等寬禁帶單晶薄膜都以六方相為主。利用SiC緩沖層獲得的寬禁帶外延薄膜距離真正的實際應用還有較大距離。

發明內容

本發明提出了一種低成本寬禁帶單晶薄膜的結構及制備方法，其目的是針對單晶Si襯底上立方相SiC緩沖層技術存在的問題，在單晶Si襯底上采用氮化鋁（AlN）和SiC的多緩沖層結構，制備高質量六方相寬禁帶單晶薄膜的方法；可避免單晶Si襯底上直接制備六方相SiC緩沖層的缺點，有助于提高寬禁帶單晶薄膜的晶體質量和改進表面形貌。本發明具有結構簡單，工藝難度小，容易實現等優點。

本發明的技術解決方案：其特征是單晶硅襯底上是氮化鋁（AlN）緩沖層；在氮化鋁（AlN）緩沖層上是碳化硅（SiC）緩沖層；在碳化硅（SiC）緩沖層上是寬禁帶單晶薄膜；

其制備方法，包括如下工藝步驟：

一、在單晶硅襯底上制備氮化鋁（AlN）緩沖層；

二、降至室溫，取出；

三、氮化鋁（AlN）緩沖層2上制備碳化硅（SiC）單晶薄膜，其結構為六方相；

四、降至室溫，取出；

五、在碳化硅（SiC）單晶薄膜上制備氮化物或碳化硅等寬禁帶單晶薄膜，其結構為六方相；如果制備氮化物單晶薄膜，則在碳化硅（SiC）單晶薄膜上首先制備氮化鋁成核層，再在氮化鋁成核層上制備氮化物單晶薄膜；如果制備SiC單晶薄膜，則在碳化硅（SiC）單晶薄膜上直接制備碳化硅（SiC）單晶薄膜；

六、降至室溫，取出。

低成本寬禁帶單晶薄膜，其結構是單晶硅襯底上是氮化鋁（AlN）緩沖層；在氮化鋁（AlN）緩沖層上是碳化硅（SiC）緩沖層；在碳化硅（SiC）緩沖層上是寬禁帶單晶薄膜。

其制備方法，包括如下工藝步驟：

一、在單晶硅襯底上制備氮化鋁（AlN）緩沖層；

二、降至室溫，取出；

三、氮化鋁（AlN）緩沖層上制備碳化硅（SiC）單晶薄膜，其結構為六方相；

四、降至室溫，取出；