[实用新型]硅基应力协变衬底及垂直结构氮化镓LED

说明书

本实用新型公开了一种硅基应力协变衬底及应用该硅基应力协变衬底的垂直结构氮化镓LED；其中硅基应力协变衬底包括：一双面抛光硅单晶基底；一薄氮化锆导电反光应力协变层，形成在所述双面抛光硅单晶基底上，所述薄氮化锆导电反光应力协变层的厚度为50nm～350nm；一薄氮化镓单晶薄膜模板层，形成在所述薄氮化锆导电反光应力协变层上，所述薄氮化镓单晶薄膜模板层的厚度不小于所述薄氮化锆导电反光应力协变层的厚度。该硅基应力协变衬底能够在GaN材料和LED器件的高质量制备生长时克服和缓解大失配应力问题。

技术领域

本实用新型属于半导体衬底及半导体器件技术领域，具体涉及一种硅基应力协变衬底及应用该硅基应力协变衬底的垂直结构氮化镓LED。

背景技术

氮化镓(GaN)材料具有宽禁带(3.4eV),利用铟镓氮(InGaN)作为发光层或光吸收层，可以研制生产从紫外到红外的各种氮化镓光电器件，如发光二极管器件(LED)、激光二极管器件(LD)、光探测器件(PD)，发光或光吸收波长包括紫外、紫、蓝、青、绿、黄、橙黄、红、红外及白光。由于同质GaN单晶基底难以提升长晶尺寸与成品率，目前商品化的GaN光电器件制备生长仍主要采用大尺寸异质基底(蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si))通过异质外延方式制备，特别是氮化镓LED器件。其中，Si单晶基底具有更好的晶体质量(位错密度可以降至0cm^-2)、更低的价格及更大的尺寸(直径2至18英寸)，且导电导热性能良好，特别适合研制散热良好的低功耗垂直结构氮化镓LED器件，Si基底GaN材料与LED器件制备技术已成为近年来半导体领域新的研究方向和热点。然而，如要利用Si单晶基底实现GaN材料和LED器件的高质量制备生长，应先克服或缓解其典型的大失配应力问题，这包括：

(1)界面化学与内应力问题。Si基底表面如先与氮源(如氨气(NH₃))接触会先形成不利于GaN高密度成核的薄非晶氮化硅(Si_xN_y)层；Si基底表面如先与镓源(如三甲基镓(TMGa))接触，金属镓(Ga)液滴则会腐蚀Si基底表面并形成不利于GaN高密度成核的硅镓合金层(Si_xGa_y)。如GaN成核密度低，将先以三维岛状或柱状大晶粒形式生长，晶粒长大合并成膜，则会在膜层中形成晶界并引入较大内应力。此外，GaN外延层往往需要在高温下制备生长，如MOCVD工艺生长温度高达1050℃，Si基底表面的Si原子在高温下易分解，如高浓度扩散进入GaN外延层中，不仅会影响GaN材料的光学和电学性能，还会导致GaN外延层晶格膨胀，又会在膜层中引入内应力。

(2)大晶格失配应力问题。Si基底具有立方金刚石晶体结构，晶格常数a＝0.5341nm；GaN具有六方纤锌矿晶体结构，晶格常数a＝0.31885nm、c＝0.5185nm。Si(111)与GaN(002)晶面的晶格失配度高达-16.97％，直接制备生长会产生非常大晶格失配应力。晶格失配应力积聚则会导致膜层起伏和弯曲，积聚到一定程度释放将会在界面处产生高密度线位错(高达10^9-10cm^-2)，线位错向上延伸易形成穿通位错。穿通位错延伸进入到氮化镓LED器件结构的有源发光层，如LED器件的InGaN/GaN多量子阱，不仅极大影响LED器件发光性能与成品率，还会增加器件漏电流和功耗，并导致器件抗击穿性能和使用寿命降低。