一種用於氮化鎵外延生長的複合襯底的製作方法

2023-06-11 11:22:41

專利名稱：一種用於氮化鎵外延生長的複合襯底的製作方法
技術領域：
本發明涉及氮化鎵(GaN)基半導體發光材料，具體是指一種用於氮化鎵發光材料外延生長的複合襯底。
背景技術：
GaN半導體材料具有在高頻、高溫條件下發射藍光的獨特性能，是繼Si和GaAs之後的新一代半導體材料。由GaN、InN和AlN所組成的合金InGaN、AlGaN等氮化鎵基半導體材料，通過調整組分可以獲得從1.9eV到6.2eV連續可調的帶隙，覆蓋從紫外光到可見光這樣一個很寬範圍的頻譜。這些GaN基半導體材料內、外量子效率高，具備高發光效率、高熱導率、耐高溫、抗輻射、耐酸鹼、高強度和高硬度等優點，可製成高效的藍、綠、紫、白色發光二極體和雷射二極體，而成為目前世界上最先進的半導體材料之一，具有廣闊的應用前景。
由於沒有適合氮化鎵外延生長的單晶襯底，GaN材料只能外延生長在失配襯底上。目前，大多數GaN基半導體發光材料都是採用藍寶石(Al2O3)作為襯底，由於藍寶石與GaN晶格失配達到13.4％，而且二者熱膨脹係數也不同，這就使得在其上生長的GaN外延層為了與藍寶石晶格匹配必然會產生大量位錯缺陷，形成半導體發光材料的非輻射複合中心；同時，由於應力的作用也限制了GaN外延層的厚度和面積。另一方面，由於藍寶石是絕緣體，硬度很大，使得器件製備工藝複雜，並且影響成品率。上述這些問題嚴重影響了GaN基半導體光電子器件的光學和電學性能，限制了它們實際應用。為此，人們一直在努力尋找一種能夠解決上述問題的襯底材料。如1.先在藍寶石上生長GaN或AlN緩衝層再生長GaN外延層。2.對藍寶石進行在位SiN預處理，形成島狀緩衝層後在生長GaN外延層。3.在藍寶石上側向外延生長GaN外延層；4.對藍寶石進行腐蝕處理再生長GaN外延層。這些措施雖然在一定程度上減小了位錯密度，改善了GaN外延層的質量，但仍無法徹底解決上述問題。近年來，人們把目光轉移到廉價的矽材料上來，並成功的在矽襯底上生長了GaN外延層，有效的解決了襯底材料難加工、成本高的問題，但由於矽與GaN的晶格常數不匹配，仍會產生大量缺陷，大面積的GaN外延層也難以形成。

發明內容
本發明的目的是提出一種可大幅度降低位錯密度和大面積生長GaN外延層的複合襯底。
本發明的複合襯底包括單晶矽片，在單晶矽片上有一層二氧化矽層，其特徵在於在二氧化矽層上有一單晶矽薄膜單元構成的陣列層，每一單晶矽薄膜單元為a×aμm的正方形，a值≤2μm，薄膜厚度為2～100nm，薄膜單元的間隔小於或等於所要生長GaN外延層厚度。
本發明通過光刻工藝將SiO2層上的單晶矽薄膜刻蝕成若干個尺寸很小的單晶矽單元，其原因是一方面非晶態的SiO2具有很好的伸展性，可以有效緩解晶格不匹配所引起的應力；另一方面，用於生長GaN的單晶矽單元尺寸小且很薄，可以減少與GaN的接觸面積，避免在大面積矽薄膜上所形成的應力，並且單晶矽薄膜單元可屈從於GaN的晶格變化，當單晶矽薄膜單元上生長的GaN達到一定厚度後，會向薄膜單元四周側向生長，最終將薄膜單元上生長的GaN連接起來，形成類似於以GaN單晶為襯底的生長模式。
因此，本發明的複合襯底具有加工方便，成本低廉的特點。同時生長的GaN外延層中位錯密度非常低，可大面積生長較大厚度的GaN外延層。


圖1為本發明的結構示意圖。
圖2為圖1的俯視圖。
具體實施例方式
以下通過實施例及附圖對本發明作進一步的詳細說明見圖1，本發明的複合襯底是由SOI即，單晶矽片1-二氧化矽層2-單晶矽薄膜經光刻形成的。SOI材料是新型集成電路的基礎材料，已形成一套成熟的製備工藝，可大規模工業化生產，並已形成產品，其中包括6英寸，8英寸，甚至12英寸的SOI圓片，因此，可根據實際需要採用現有製備方法如注氧隔離(SIMOX)或智能剝離(Smart-cut)法製備所需大小的SOI襯底材料。單晶矽薄膜單元3構成的陣列層是對SOI上層單晶矽薄膜進行光刻形成的。單晶矽薄膜單元3為正方形a×aμm2，其大小可由微電子光刻技術所能達到的最小線寬來確定。目前，光刻技術的最小線寬已達到0.15μm，a值可取0.15～2μm；單晶矽單元的尺寸越小，獲得的GaN外延層質量越好，技術人員可根據實際情況確定a值。單晶矽單元的間隔由GaN外延層的厚度決定，越接近GaN厚度越好，間隔越寬，側向生長的GaN就越多，但不能超過所要生長GaN外延層的厚度，否則單晶矽薄膜單元上生長的GaN不能連接起來形成一體的外延層。單晶矽薄膜的厚度為2～100nm。GaN外延層的生長可採用氫化物氣相外延(HVPE)的方法生長。
以上所述的實施例僅為了說明本發明的技術思想及特點，其目的在於使本領域的普通技術人員能夠了解本發明的內容並據以實施，本發明的範圍並不僅局限於上述具體實施例，即凡依本發明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍涵蓋在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種用於氮化鎵外延生長的複合襯底，包括單晶矽片(1)，在單晶矽片上有一層二氧化矽層(2)，其特徵在於在二氧化矽層上有一單晶矽薄膜單元構成的陣列層，每一單元(3)為a×aμm的正方形，a值≤2μm，單晶矽薄膜厚度為2～100nm，薄膜單元的間隔小於或等於所要生長GaN外延層厚度。
全文摘要
本發明提供一種用於氮化鎵外延生長的複合襯底，該襯底由單晶矽片、二氧化矽層和單晶矽薄膜單元構成的陣列層組成。單晶矽薄膜單元為正方形，邊長由光刻技術所能達到的最小線寬決定，厚度為2～100nm，單元間隔小於或等於所要生長GaN外延層的厚度。本發明的優點是結構簡單，成本低廉，便於大規模生產，可以生長面積大、厚度大、位錯密度非常低的GaN外延層，可用於製造發光亮度高、電學性質優良的GaN基半導體發光二極體、半導體雷射器及其它光電子器件。
文檔編號H01S5/00GK1622285SQ200410089448
公開日2005年6月1日 申請日期2004年12月13日 優先權日2004年12月13日
發明者陸衛, 夏長生, 李志鋒, 李寧, 張波, 王少偉, 陳平平, 陳效雙, 陳明法 申請人:中國科學院上海技術物理研究所, 上海藍寶光電材料有限公司