[发明专利]一种硅基复合衬底及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体衬底及其制造方法，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及其制造方法。

背景技术

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2.6×10^-6K，GaN平行于a轴的热膨胀系数为5.6×10^-6K，Si与GaN之间的热膨胀系数相差很大，加上硅基底(厚几百μm)相比GaN外延层(厚几μm)厚得多，从1050℃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℃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(SiN_x)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(ZrN)、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(γ-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匀的大尺寸GaN外延层材料，如直径2英寸以上的GaN外延层材料。

发明内容

本发明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。

本发明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。