[发明专利]一种具有薄氮化铪可协变层的硅基可协变衬底材料

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料中氧化锌外延薄膜制备技术领域，尤其涉及一种具有薄氮化铪可协变层的硅基可协变衬底材料。

背景技术

氧化锌(ZnO)具有与氮化镓(GaN)近似的禁带宽度和晶体结构，被认为是最有希望与GaN竞争的第三代半导体光电功能材料。这是因为其具有如下优点：

(1)具有更高的激子束缚能。ZnO的的激子束缚能约为60meV，约是室温热动能和GaN激子束缚能(约26meV)的2.5倍。很容易实现室温紫外发光或低阈值、高增益的受激发射。

(2)容易解理。解理面即可成为激光振荡腔面，反射率高，容易激射。

(3)成本低廉。生长温度和原料成本低，使其利于产业化和商业推广。

尽管目前ZnO已经具有了大尺寸的单晶衬底，可是由于价格昂贵，其薄膜材料的制备生长常选择异质衬底来进行，特别是硅(Si)衬底，除具有品质好、价格低、大尺寸、器件工艺成熟及可集成等优点之外，还具有良好的导热、导电特性，因此，利用硅衬底制备生长ZnO的应用前景更被看好。

但是，由于存在大的晶格失配和热膨胀系数差异以及界面化学问题影响，直接生长很难取得令人满意的结果。尤其是晶格失配产生的失配应变和应力积聚，可使外延薄膜材料内部产生大量的缺陷和位错，恶化了结晶质量，同时还会造成表面的起伏，这些都对材料的器件应用产生限制和严重影响。

采用衬底制备技术是解决上述大失配外延问题的主要手段，即通过改变衬底表面的晶体结构、物理及化学性质来使衬底更适合异质外延生长。如传统缓冲层技术、图形衬底技术及可协变衬底技术等。其中，可协变衬底也称柔性衬底。

近年来，在传统缓冲层和基于“无支撑衬底”模型的常规可协变衬底的基础上又发展了一种基于“超薄中间层衬底”模型的新可协变衬底技术。即在某一失配外延体系中的衬底和外延层之间引入一满足一定条件的超薄中间层，而把包含具有失配应变协调作用强键合超薄中间层的衬底就称为超薄中间层可协变衬底。其中，理想的可协变中间层应满足的基本条件是：

(1)与支撑衬底和外延层之间的晶格失配度符号相反，即一正一负或者一负一正，并尽可能与支撑衬底和外延层都有更好的晶格匹配关系；

(2)尽可能薄，最好小于其与衬底和外延层之间的最小临界厚度，且表面光滑平整。

此外，考虑到实际的外延生长情况，还应尽可能符合如下条件：如具有良好的热、化学稳定性。不易与衬底和外延层之间发生界面化学反应或者存在化学成分互扩散，致使中间层的失配应变协调作用减弱或丧失；还应是与现有半导体技术兼容的材料，且制备工艺简单、成本低等。

相比传统缓冲层和基于“无支撑衬底”理论模型的各种常规可协变衬底，超薄中间层可协变衬底不仅具有更好的失配应变协调效果，而且制备工艺简单、重复性好且成本低，仅通过简单的超薄层生长就可获得结晶质量好且表面光滑平整的可协变层，而无需复杂的键合技术或者高能离子注入与纳米尺度的化学减薄技术，同时，还可能避免二次外延过程中引入杂质污染。

因此，利用这种基于“超薄中间层衬底”模型的新可协变衬底解决宽禁带化合物半导体材料的大失配外延问题，特别是Si衬底上的大失配外延问题，越来越受关注。

目前基于“超薄中间层衬底”模型的新可协变(柔性)衬底已经在Si衬底上制备生长GaAs和GaN外延薄膜材料的研究中应用取得一些成功，可是在Si衬底上制备生长ZnO外延薄膜的研究中应用还很少。分析原因有两个方面，一方面ZnO外延薄膜的制备生长技术发展还尚处于发展中，另一方面无更合适的满足理想可协变中间层基本条件的可协变层。

对于Si上生长ZnO薄膜而言，具有立方结构的氮化铪(HfN)薄膜能够很好满足理想可协变中间层的基本条件，不仅与Si和ZnO外延薄膜之间都有很好的匹配关系、失配度符号相反，即与Si衬底的失配度为0.02％，与ZnO外延薄膜的失配度为-1.54％；而且，还具有良好的热、化学稳定性。此外，HfN还是应用于大规模集成电路中的良好互扩散与界面反应阻挡层材料，与Si基半导体器件工艺兼容。Si衬底上所生长的HfN薄层已被作为缓冲层用于生长GaN材料。可尚未被作为可协变层进行ZnO薄膜的生长。

因此，本发明以薄氮化铪(HfN)为可协变层，构建了一种可用于ZnO外延薄膜生长的新硅(Si)基可协变衬底。应用该衬底能够改善和提高Si衬底上所制备生长的ZnO外延薄膜质量。

发明内容

(一)要解决的技术问题