[實用新型]硅基應(yīng)力協(xié)變襯底及垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵LED

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201922345475.5
• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN210897327U
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魏潔;魏鴻源;陳懷浩;楊少延;楊瑞;李成明;李輝杰;劉祥林;汪連山
• 申請（專利權(quán)）人: 南京佑天金屬科技有限公司;中國科學院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號: H01L33/20
• 分類號: H01L33/20;H01L33/32;H01L33/40;H01L33/42;H01L33/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 常虹

本實用新型公開了一種硅基應(yīng)力協(xié)變襯底及應(yīng)用該硅基應(yīng)力協(xié)變襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵LED；其中硅基應(yīng)力協(xié)變襯底包括：一雙面拋光硅單晶基底；一薄氮化鋯導(dǎo)電反光應(yīng)力協(xié)變層，形成在所述雙面拋光硅單晶基底上，所述薄氮化鋯導(dǎo)電反光應(yīng)力協(xié)變層的厚度為50nm～350nm；一薄氮化鎵單晶薄膜模板層，形成在所述薄氮化鋯導(dǎo)電反光應(yīng)力協(xié)變層上，所述薄氮化鎵單晶薄膜模板層的厚度不小于所述薄氮化鋯導(dǎo)電反光應(yīng)力協(xié)變層的厚度。該硅基應(yīng)力協(xié)變襯底能夠在GaN材料和LED器件的高質(zhì)量制備生長時克服和緩解大失配應(yīng)力問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型屬于半導(dǎo)體襯底及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硅基應(yīng)力協(xié)變襯底及應(yīng)用該硅基應(yīng)力協(xié)變襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵LED。

背景技術(shù)

氮化鎵(GaN)材料具有寬禁帶(3.4eV),利用銦鎵氮(InGaN)作為發(fā)光層或光吸收層，可以研制生產(chǎn)從紫外到紅外的各種氮化鎵光電器件，如發(fā)光二極管器件(LED)、激光二極管器件(LD)、光探測器件(PD)，發(fā)光或光吸收波長包括紫外、紫、藍、青、綠、黃、橙黃、紅、紅外及白光。由于同質(zhì)GaN單晶基底難以提升長晶尺寸與成品率，目前商品化的GaN光電器件制備生長仍主要采用大尺寸異質(zhì)基底(藍寶石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si))通過異質(zhì)外延方式制備，特別是氮化鎵LED器件。其中，Si單晶基底具有更好的晶體質(zhì)量(位錯密度可以降至0cm^-2)、更低的價格及更大的尺寸(直徑2至18英寸)，且導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好，特別適合研制散熱良好的低功耗垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵LED器件，Si基底GaN材料與LED器件制備技術(shù)已成為近年來半導(dǎo)體領(lǐng)域新的研究方向和熱點。然而，如要利用Si單晶基底實現(xiàn)GaN材料和LED器件的高質(zhì)量制備生長，應(yīng)先克服或緩解其典型的大失配應(yīng)力問題，這包括：

(1)界面化學與內(nèi)應(yīng)力問題。Si基底表面如先與氮源(如氨氣(NH₃))接觸會先形成不利于GaN高密度成核的薄非晶氮化硅(Si_xN_y)層；Si基底表面如先與鎵源(如三甲基鎵(TMGa))接觸，金屬鎵(Ga)液滴則會腐蝕Si基底表面并形成不利于GaN高密度成核的硅鎵合金層(Si_xGa_y)。如GaN成核密度低，將先以三維島狀或柱狀大晶粒形式生長，晶粒長大合并成膜，則會在膜層中形成晶界并引入較大內(nèi)應(yīng)力。此外，GaN外延層往往需要在高溫下制備生長，如MOCVD工藝生長溫度高達1050℃，Si基底表面的Si原子在高溫下易分解，如高濃度擴散進入GaN外延層中，不僅會影響GaN材料的光學和電學性能，還會導(dǎo)致GaN外延層晶格膨脹，又會在膜層中引入內(nèi)應(yīng)力。

(2)大晶格失配應(yīng)力問題。Si基底具有立方金剛石晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a＝0.5341nm；GaN具有六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a＝0.31885nm、c＝0.5185nm。Si(111)與GaN(002)晶面的晶格失配度高達-16.97％，直接制備生長會產(chǎn)生非常大晶格失配應(yīng)力。晶格失配應(yīng)力積聚則會導(dǎo)致膜層起伏和彎曲，積聚到一定程度釋放將會在界面處產(chǎn)生高密度線位錯(高達10^9-10cm^-2)，線位錯向上延伸易形成穿通位錯。穿通位錯延伸進入到氮化鎵LED器件結(jié)構(gòu)的有源發(fā)光層，如LED器件的InGaN/GaN多量子阱，不僅極大影響LED器件發(fā)光性能與成品率，還會增加器件漏電流和功耗，并導(dǎo)致器件抗擊穿性能和使用壽命降低。