CN201780987U - 一种用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底 - Google Patents

一种用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底 Download PDF

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杨少延
刘祥林
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Abstract

一种用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底，其特征在于，包含：一蓝宝石单晶基底；一复合应力协变层，覆盖在所述蓝宝石单晶基底上，由多层氮化铝单晶薄膜材料和多层氮化钛单晶薄膜材料交替堆叠构成；一氮化镓模板层，生长在所述复合应力协变层上，由氮化镓单晶薄膜材料构成。

Description

一种用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底
技术领域
本实用新型涉及用于半导体材料外延生长的衬底，更具体地，涉及一种用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底。
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(LED)器件的核心材料。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(a-Al2O3)基底。但由于蓝宝石基底与GaN材料在晶格常数和热膨胀系数存在较大差异会遇到两方面的问题：(1)大晶格失配问题：因GaN的晶格常数(a＝0.3189nm，c＝0.5185nm)和a-Al2O3的晶格常数(a＝0.4758nm，c＝1.299nm)不同致使在GaN外延层外延生长初期产生非常大的晶格失配应力，当生长的GaN外延层的厚度超过某一临界厚度(几nm、几十nm或几百nm厚，具体视引入的中间层情况而定)后，积聚在GaN外延层中的这种大晶格失配应力就会以在界面处产生位错和缺陷的形式释放，这将造成GaN外延层结晶质量的恶化进而降低后续LED器件的性能；(2)大热失配问题：因GaN的热膨胀系数(a：5.59×10-6K，c：3.17×10-6K)和a-Al2O3的热膨胀系数(a：7.5×10-6K，c：8.5×10-6K)也存在很大差异致使GaN外延层或LED器件结构从很高的生长温度(如800～1100℃)降到室温的过程中积聚非常大的热应力，这种热应力对GaN外延层而言是一种压应力进而造成GaN外延层的弯曲。采用积聚较大热压应力与弯曲的GaN外延层制备LED器件，势必影响LED器件性能和良品率的提高。目前转移和协调释放蓝宝石(a-Al2O3)基底上GaN外延层的大失配应力的常用方法有：应力协变层(包括缓冲层、柔性层、***层等)和图形衬底。现有的应力协变层，如低温GaN缓冲层、AlGaN组分渐变缓冲层、薄AlN柔性层、薄InAlGaN柔性层等，尽管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。而图形衬底方法需要在蓝宝石基底或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而需多次掩模和光刻图形，工艺复杂且进一步抬高了材料制备成本，同时还难于获得无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。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对蓝宝石(a-Al2O3)基底上制备氮化镓基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的不足，提供一种用于氮化镓基LED外延片材料制备的蓝宝石基复合衬底。
本实用新型提供一种用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底，其特征在于，包含：一蓝宝石单晶基底；一复合应力协变层，覆盖在所述蓝宝石单晶基底上，由多层氮化铝单晶薄膜材料和多层氮化钛单晶薄膜材料交替堆叠构成；一氮化镓模板层，生长在所述复合应力协变层上，由氮化镓单晶薄膜材料构成。
复合应力协变层中氮化铝(AlN)层的厚度为15～90nm。
复合应力协变层中每层氮化钛单晶薄膜材料的厚度不大于每层氮化铝单晶薄膜材料的厚度的1/3。
在复合应力协变层中与蓝宝石基底接触的层为氮化铝单晶薄膜材料。
在复合应力协变层中与氮化镓模板层接触的层为氮化铝单晶薄膜材料。
在复合应力协变层中氮化铝单晶薄膜材料的层数为2～10层。
氮化铝单晶薄膜材料对蓝宝石(a-Al2O3)基底上的氮化镓(GaN)材料起晶格失配应力转移与协调释放作用，以降低氮化镓(GaN)外延材料的位错密度并改善结晶生长质量。
各氮化钛(TiN)层分别***到各氮化铝(AlN)层之间，通过调控氮化镓(GaN)模板层从生长温度降到室温的降温速率来实现蓝宝石(a-Al2O3)基氮化镓(GaN)材料热应力转移和协调释放，以消除氮化镓(GaN)模板层的应力和弯曲。
氮化镓(GaN)模板层的厚度不小于2μm，生长氮化镓模板层时从1100℃的生长温度降到室温的降温速率为5～20℃/分钟。
用于制备复合应力协变层中的AlN和TiN单晶薄膜材料以及GaN模板层的材料生长工艺包括但不限于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、离子束外延(IBE)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、等离子体辅助化学气相沉积(PE-CVD)及磁控溅射沉积(MSD)。
蓝宝石(a-Al2O3)基复合衬底可以用于氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)、铝镓氮(AlGaN)、铟镓氮(InGaN)、铟铝镓氮(InAlGaN)单晶薄膜材料、及氮化物半导体LED器件结构的制备生长。
附图说明
图1是用于制备氮化镓(GaN)LED外延片材料的蓝宝石(a-Al2O3)基复合衬底结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细阐述本实用新型的优选实施方式。
图1是用于制备氮化镓(GaN)LED外延片材料的蓝宝石(a-Al2O3)基复合衬底结构示意图。如图所示，蓝宝石(a-Al2O3)基复合衬底1包含一蓝宝石(a-Al2O3)单晶基底11以及从蓝宝石(a-Al2O3)单晶基底11侧依次设置的复合应力协变层12和氮化镓(GaN)单晶薄膜模板层13。
蓝宝石(a-Al2O3)单晶基底11起支撑作用。
复合应力协变层12覆盖在蓝宝石(a-Al2O3)单晶基底11上，由多层15～90nm厚的薄氮化铝(AlN)单晶薄膜材料121和多层5～30nm厚的超薄氮化钛(TiN)单晶薄膜材料122交替堆叠构成。如图1所示，复合应力协变层12中与蓝宝石(a-Al2O3)单晶基底11接触的层优选为AlN层121，这是因为AlN层的晶格常数与蓝宝石(a-Al2O3)更加接近，这样可以提高复合应力协变层12的缓解晶格失配力的效果。然而，本实用新型并不限于图1所示的情况，复合应力协变层与蓝宝石(a-Al2O3)基底接触的层也可以为TiN层。每个TiN层的厚度不大于每个AlN层厚度的1/3。薄AlN层121用来转移和协调释放蓝宝石(a-Al2O3)基底与其上生长的氮化镓单晶薄膜模板层13(将在后面描述)在外延生长过程产生的晶格失配应力。超薄TiN层122用来转移和协调释放蓝宝石基衬底上生长的GaN材料在大幅度降温过程产生的热应力。AlN层121和TiN层122的制备方法包括但不限于金属有机物化学气相沉积、离子束外延、分子束外延、脉冲激光沉积、等离子体辅助化学气相沉积及磁控溅射沉积。
氮化镓(GaN)单晶薄膜模板层13覆盖在复合应力协变层12上，厚度不小于2μm，可通过调控复合应力协变层12中的薄AlN层121的厚度和层数来降低GaN模板层13中的位错密度，还可通过调控复合应力协变层12中超薄TiN层122的厚度和层数以及控制生长GaN模板层13时的降温速率来消除GaN模板层13中的热应力与弯曲。另外，由于AlN层的晶格常数与氮化镓(GaN)单晶薄膜模板层13的晶格常数更加接近，如图1所示，复合应力协变层12中与氮化镓(GaN)单晶薄膜模板层13接触的层优选为AlN层122。氮化镓(GaN)单晶薄膜模板层13的制备方法包括但不限于金属有机物化学气相沉积、离子束外延、分子束外延、脉冲激光沉积、等离子体辅助化学气相沉积及磁控溅射沉积。
上述三者组合在一起构成的蓝宝石(a-Al2O3)基复合衬底1可以为后续氮化物半导体外延片材料制备提供低位错密度、无应力与弯曲的同质单晶衬底模板。虽然上述以蓝宝石(a-Al2O3)基复合衬底用于制备氮化镓(GaN)为例进行了说明，然而，应该了解的是在蓝宝石(a-Al2O3)基复合衬底上，还可以制备生长氮化铝、氮化铟、铝镓氮、铟镓氮、铟铝镓氮单晶薄膜材料等氮化物半导体材料、上述各种单晶薄膜材料的叠层、以及氮化物半导体LED器件结构。
本实用新型中的复合应力协变层相比现有应力协变层技术(包括缓冲层、柔性层、***层等)具有更好的应力转移和协调释放效果。具体体现在如下三个方面：
1)选用与蓝宝石(a-Al2O3)和氮化镓(GaN)都有很好晶格匹配关系的多层薄氮化铝(AlN)单晶薄膜材料作为晶格失配应力的转移和协调释放层。
由于薄AlN单晶薄膜材料相比GaN单晶薄膜材料(厚度至少2微米厚)和蓝宝石(a-Al2O3)单晶基底(厚度至少100微米厚)的厚度都薄很多，基于可协变衬底(Compliantsubsrates)的可协变中间层的应力转移思想，GaN与蓝宝石(a-Al2O3)之间的晶格失配应力在GaN模板层的GaN单晶薄膜材料生长过程中会先转移分配到各层薄AlN单晶薄膜材料中协调释放，因而降低在GaN模板层中引入位错和缺陷的几率，即使引入位错也是先在蓝宝石(a-Al2O3)与AlN单晶薄膜材料的界面处引入，而不会对上面的GaN模板层产生更不好的影响。特别是，本实用新型采用的多层AlN与TiN交叠结构，引入增加的界面又起到阻止下面穿透位错向上增殖延伸的作用，从而进一步降低了位错密度。在现有的一些研究工作和技术中大都采用单层薄AlN材料或其他材料做晶格失配应力转移和协调释放层，在抑制穿透位错向上增殖延伸方面效果不明显。
2)选用热膨胀系数大的多层超薄氮化钛(TiN)单晶薄膜材料做为热应力的转移和协调释放层。TiN的热膨胀系数为9.35×10-6K，不仅相比GaN的5.59×10-6K和AlN的4.15×10-6K大很多，也比蓝宝石(a-Al2O3)的7.5×10-6K大，加上超薄TiN单晶薄膜材料相比薄AlN单晶薄膜材料、GaN模板层的GaN单晶薄膜材料及蓝宝石(a-Al2O3)单晶基底都薄很多，基于可协变衬底的可协变中间层的应力转移思想，在GaN单晶薄膜模板层从800～1100℃的生长温度降到室温过程中因蓝宝石(a-Al2O3)与GaN之间热膨胀系数差异会产生积聚的大热压应力，通过调控降温速率可使热应力先转移到各层超薄TiN单晶薄膜材料中以张应力的形式协调释放，进而实现GaN模板层无应力和弯曲。此外，本实用新型选用的TiN材料与AlN材料有较好的晶格匹配关系，立方TiN(111)面与六方AlN(0002)面的晶格失配度为3.45％，尽管与六方GaN(0002)面的晶格失配度为-6.14％，由于TiN材料很薄，超薄TiN层夹在各薄AlN层之间与AlN共格生长，因而相比现有低温***层技术不会影响上面的GaN模板层的结晶生长质量。
3)薄AlN和超薄TiN交替堆叠构成的复合应力协变层既具有相比现有应力协变层(包括缓冲层、柔性层及低温***层)更好的晶格失配应力和热应力转移协调效果，还可采用与GaN模板层相同的生长工艺在同一设备上依次制备，因此相比现有的图形衬底技术，制备工艺更简单也更实用。
本实用新型仅通过调控复合应力协变层中的薄AlN与超薄TiN层的厚度与交替堆叠的层数以及外延生长GaN模板层后的降温速率就可获得低位错密度和无应力与弯曲的蓝宝石(a-Al2O3)基GaN复合衬底，用此种大尺寸衬底外延生长GaN材料和制备LED器件结构，势必会大幅度提高现有的蓝宝石基底上制备的氮化镓LED外延片材料的性能和良品率。因此，非常适合应用和市场推广。
下面介绍制备上述蓝宝石(a-Al2O3)基GaN复合衬底的制备方法。应该理解，以下描述的制备方法仅为制备本实用新型蓝宝石(a-Al2O3)基GaN复合衬底的一个具体实例。本领域的技术人员可以在本实用新型的教导下根据设计需要及其他因素作出改变。
采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺制备用于氮化物半导体外延片材料的蓝宝石(a-Al2O3)基复合衬底的工艺流程如下：
步骤1：取一直径2英寸的蓝宝石(a-Al2O3)单晶基底11；
步骤2：将清洗过的蓝宝石单晶基底11放入MOCVD设备反应室中；
步骤3：用MOCVD工艺在蓝宝石单晶基底11上先制备生长1层厚50nm的薄AlN单晶薄膜材料121作为晶格失配应力协变层；
步骤4：再用MOCVD工艺在厚50nm薄AlN层121上制备生长1层厚10nm超薄TiN单晶薄膜材料122作为热应力协变层；
步骤5：重复步骤3和步骤4，用MOCVD工艺制备得到由5层50nm厚的薄AlN层121和4层10nm厚的超薄TiN层122交替堆叠而成的复合应力协变层材料12；
步骤6：用MOCVD工艺在复合应力协变层材料12上再制备生长1层2μm厚的GaN单晶薄膜材料作为GaN模板层13；
步骤7：调控GaN模板层13的降温速率，先以10℃/分钟的降温速率从1050℃降到750℃，再以20℃/分钟的降温速率从750℃降到250℃，最后自然降到室温；
步骤8：从MOCVD设备反应室取出包含蓝宝石(a-Al2O3)单晶基底11、复合应力协变层12、低位错密度且无应力与弯曲的GaN模板层13的蓝宝石(a-Al2O3)基复合衬底1；
步骤9：以2英寸蓝宝石(a-Al2O3)基复合衬底1做GaN同质单晶衬底模板，采用MOCVD工艺制备高效发光的氮化镓(GaN)基蓝光LED外延片材料。
最后应说明的是，以上示例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出示例对本实用新型进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底，其特征在于，包含：
一蓝宝石单晶基底；
一复合应力协变层，覆盖在所述蓝宝石单晶基底上，由多层氮化铝单晶薄膜材料和多层氮化钛单晶薄膜材料交替堆叠构成；
一氮化镓模板层，生长在所述复合应力协变层上，由氮化镓单晶薄膜材料构成。
2.根据权利要求1所述的用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底，其特征在于，其中所述复合应力协变层中每层所述氮化铝单晶薄膜材料的厚度为15～90nm。
3.根据权利要求1所述的用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底，其特征在于，所述复合应力协变层中每层所述氮化钛单晶薄膜材料的厚度不大于每层所述氮化铝单晶薄膜材料的厚度的1/3。
4.根据权利要求1所述的用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底，其特征在于，所述复合应力协变层中与所述蓝宝石基底接触的层为所述氮化铝单晶薄膜材料。
5.根据权利要求1所述的用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底，其特征在于，所述复合应力协变层中与所述氮化镓模板层接触的层为所述氮化铝单晶薄膜材料。
6.根据权利要求1所述的用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底，其特征在于，所述氮化铝单晶薄膜材料的层数为2～10层。
7.根据权利要求1所述的用于制备氮化物半导体外延材料的蓝宝石基复合衬底，其特征在于，所述氮化镓模板层的厚度不小于2μm。 
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