專利名稱：藍寶石基復合襯底及其制造方法
技術領域：
本發明涉及用于半導體材料外延生長的襯底，更具體地，涉及一種用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底。
背景技術：
氮化物半導體，尤其是氮化鎵(GaN)，是制備應用于半導體照明和顯示器背光領域的發光二極管(LED)器件的核心材料。由于缺少同質體單晶材料，GaN材料的器件應用通常在異質基底上進行，最常用的是藍寶石(a_Al203)基底。但由于藍寶石基底與GaN材料在晶格常數和熱膨脹系數存在較大差異會遇到兩方面的問題(1)大晶格失配問題因GaN 的晶格常數(a = 0. 3189nm, c = 0. 5185nm)和 B-Al2O3 的晶格常數(a = 0. 4758nm, c = 1. 299nm)不同致使在GaN外延層外延生長初期產生非常大的晶格失配應力，當生長的GaN 外延層的厚度超過某一臨界厚度(幾nm、幾十nm或幾百nm厚，具體視引入的中間層情況而定)后，積聚在GaN外延層中的這種大晶格失配應力就會以在界面處產生位錯和缺陷的形式釋放，這將造成GaN外延層結晶質量的惡化進而降低后續LED器件的性能；( 大熱失配問題因GaN的熱膨脹系數(a :5. 59 X IO^6K, c :3. 17 X I(TfiK)和B-Al2O3的熱膨脹系數(a 7. 5X 10_6K，c 8. 5 X 10_6K)也存在很大差異致使GaN外延層或LED器件結構從很高的生長溫度(如800 1100°C)降到室溫的過程中積聚非常大的熱應力，這種熱應力對GaN外延層而言是一種壓應力進而造成GaN外延層的彎曲。采用積聚較大熱壓應力與彎曲的GaN外延層制備LED器件，勢必影響LED器件性能和良品率的提高。目前轉移和協調釋放藍寶石 (B-Al2O3)基底上GaN外延層的大失配應力的常用方法有應力協變層(包括緩沖層、柔性層、插入層等)和圖形襯底。現有的應力協變層，如低溫GaN緩沖層、AKiaN組分漸變緩沖層、薄AlN柔性層、薄InMGaN柔性層等，盡管在轉移和協調釋放大晶格失配應力方面具有較好效果，但在轉移和協調釋放大熱失配應力方面作用有限。而圖形襯底方法需要在藍寶石基底或GaN外延層上做掩模和光刻圖形(納米或微米尺度的圖形)，因窗口處位錯密度難以降低而需多次掩模和光刻圖形，工藝復雜且進一步抬高了材料制備成本，同時還難于獲得無彎曲且結晶質量均勻的大尺寸GaN外延層材料，如直徑2英寸以上的GaN外延層材料。
發明內容
本發明的目的在于針對藍寶石(a-Al203)基底上制備氮化鎵基LED外延片材料中的大晶格失配、大熱失配和界面化學問題以及現有技術的不足，提供一種用于氮化鎵基LED 外延片材料制備的藍寶石基復合襯底。本發明提供一種用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底，其特征在于，包含一藍寶石單晶基底；一復合應力協變層，覆蓋在所述藍寶石單晶基底上，由多層氮化鋁單晶薄膜材料和多層氮化鈦單晶薄膜材料交替堆疊構成；一氮化鎵模板層，生長在所述復合應力協變層上，由氮化鎵單晶薄膜材料構成。復合應力協變層中氮化鋁(AlN)層的厚度為15 90nm。
復合應力協變層中每層氮化鈦單晶薄膜材料的厚度不大于每層氮化鋁單晶薄膜材料的厚度的1/3。在復合應力協變層中與藍寶石基底接觸的層為氮化鋁單晶薄膜材料。在復合應力協變層中與氮化鎵模板層接觸的層為氮化鋁單晶薄膜材料。在復合應力協變層中氮化鋁單晶薄膜材料的層數為2 10層。氮化鋁單晶薄膜材料對藍寶石(a-Al203)基底上的氮化鎵(GaN)材料起晶格失配應力轉移與協調釋放作用，以降低氮化鎵(GaN)外延材料的位錯密度并改善結晶生長質量。各氮化鈦(TiN)層分別插入到各氮化鋁(AlN)層之間，通過調控氮化鎵(GaN)模板層從生長溫度降到室溫的降溫速率來實現藍寶石(a-Al203)基氮化鎵(GaN)材料熱應力轉移和協調釋放，以消除氮化鎵(GaN)模板層的應力和彎曲。氮化鎵(GaN)模板層的厚度不小于2 μ m，生長氮化鎵模板層時從1100°C的生長溫度降到室溫的降溫速率為5 20°C /分鐘。用于制備復合應力協變層中的AlN和TiN單晶薄膜材料以及GaN模板層的材料生長工藝包括但不限于金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)、離子束外延(IBE)、分子束外延 (MBE)、脈沖激光沉積(PLD)、等離子體輔助化學氣相沉積(PE-CVD)及磁控濺射沉積(MSD)。藍寶石(a-Al203)基復合襯底可以用于氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(MN)、 鋁鎵氮(AWaN)、銦鎵氮(InGaN)、銦鋁鎵氮(InMGaN)單晶薄膜材料、及氮化物半導體LED 器件結構的制備生長。本發明還提供了一種制造藍寶石基復合襯底的方法，該藍寶石基復合襯底用于制備氮化物半導體外延材料，其特征在于，包含取一藍寶石單晶基底；在所述藍寶石單晶基底上形成一復合應力協變層，所述復合應力協變層由氮化鋁單晶薄膜材料和氮化鈦單晶薄膜材料交替堆疊構成；在所述復合應力協變層上形成一氮化鎵模板層，所述氮化鎵模板層由氮化鎵單晶薄膜材料構成。
圖1是用于制備氮化鎵(GaN) LED外延片材料的藍寶石(a_Al203)基復合襯底結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細闡述本發明的優選實施方式。圖1是用于制備氮化鎵(GaN) LED外延片材料的藍寶石(a_Al203)基復合襯底結構示意圖。如圖所示，藍寶石(a-Al203)基復合襯底1包含一藍寶石(a-Al203)單晶基底11以及從藍寶石(a-Al203)單晶基底11側依次設置的復合應力協變層12和氮化鎵(GaN)單晶薄膜模板層13。藍寶石(a-Al203)單晶基底11起支撐作用。復合應力協變層12覆蓋在藍寶石(a-Al203)單晶基底11上，由多層15 90nm厚的薄氮化鋁(AlN)單晶薄膜材料121和多層5 30nm厚的超薄氮化鈦(TiN)單晶薄膜材料122交替堆疊構成。如圖1所示，復合應力協變層12中與藍寶石(a-Al203)單晶基底11
4接觸的層優選為AlN層121，這是因為AlN層的晶格常數與藍寶石(a_Al203)更加接近，這樣可以提高復合應力協變層12的緩解晶格失配力的效果。然而，本發明并不限于圖1所示的情況，復合應力協變層與藍寶石(a_Al203)基底接觸的層也可以為TiN層。每個TiN層的厚度不大于每個AlN層厚度的1/3。薄AlN層121用來轉移和協調釋放藍寶石(a_Al203)基底與其上生長的氮化鎵單晶薄膜模板層13 (將在后面描述)在外延生長過程產生的晶格失配應力。超薄TiN層122用來轉移和協調釋放藍寶石基襯底上生長的GaN材料在大幅度降溫過程產生的熱應力。AlN層121和TiN層122的制備方法包括但不限于金屬有機物化學氣相沉積、離子束外延、分子束外延、脈沖激光沉積、等離子體輔助化學氣相沉積及磁控濺射沉積。氮化鎵(GaN)單晶薄膜模板層13覆蓋在復合應力協變層12上，厚度不小于2 μ m， 可通過調控復合應力協變層12中的薄AlN層121的厚度和層數來降低GaN模板層13中的位錯密度，還可通過調控復合應力協變層12中超薄TiN層122的厚度和層數以及控制生長 GaN模板層13時的降溫速率來消除GaN模板層13中的熱應力與彎曲。另外，由于AlN層的晶格常數與氮化鎵(GaN)單晶薄膜模板層13的晶格常數更加接近，如圖1所示，復合應力協變層12中與氮化鎵(GaN)單晶薄膜模板層13接觸的層優選為AlN層122。氮化鎵(GaN) 單晶薄膜模板層13的制備方法包括但不限于金屬有機物化學氣相沉積、離子束外延、分子束外延、脈沖激光沉積、等離子體輔助化學氣相沉積及磁控濺射沉積。上述三者組合在一起構成的藍寶石(a_Al203)基復合襯底1可以為后續氮化物半導體外延片材料制備提供低位錯密度、無應力與彎曲的同質單晶襯底模板。雖然上述以藍寶石(a-Al203)基復合襯底用于制備氮化鎵(GaN)為例進行了說明，然而，應該了解的是在藍寶石(a-Al203)基復合襯底上，還可以制備生長氮化鋁、氮化銦、鋁鎵氮、銦鎵氮、銦鋁鎵氮單晶薄膜材料等氮化物半導體材料、上述各種單晶薄膜材料的疊層、以及氮化物半導體 LED器件結構。本發明中的復合應力協變層相比現有應力協變層技術(包括緩沖層、柔性層、插入層等)具有更好的應力轉移和協調釋放效果。具體體現在如下三個方面1)選用與藍寶石(a-Al203)和氮化鎵(GaN)都有很好晶格匹配關系的多層薄氮化鋁(AlN)單晶薄膜材料作為晶格失配應力的轉移和協調釋放層。由于薄AlN單晶薄膜材料相比GaN單晶薄膜材料(厚度至少2微米厚)和藍寶石(a-Al203)單晶基底(厚度至少100微米厚)的厚度都薄很多，基于可協變襯底 (Compliantsubsrates)的可協變中間層的應力轉移思想，GaN與藍寶石(a_Al203)之間的晶格失配應力在GaN模板層的GaN單晶薄膜材料生長過程中會先轉移分配到各層薄AlN單晶薄膜材料中協調釋放，因而降低在GaN模板層中引入位錯和缺陷的幾率，即使引入位錯也是先在藍寶石(a-Al203)與AlN單晶薄膜材料的界面處引入，而不會對上面的GaN模板層產生更不好的影響。特別是，本發明采用的多層AlN與TiN交疊結構，引入增加的界面又起到阻止下面穿透位錯向上增殖延伸的作用，從而進一步降低了位錯密度。在現有的一些研究工作和技術中大都采用單層薄AlN材料或其他材料做晶格失配應力轉移和協調釋放層，在抑制穿透位錯向上增殖延伸方面效果不明顯。2)選用熱膨脹系數大的多層超薄氮化鈦(TiN)單晶薄膜材料做為熱應力的轉移和協調釋放層。TiN的熱膨脹系數為9. 35 X ΙΟΙ，不僅相比GaN的5. 59X 10_6K和AlN的4. 15X101大很多，也比藍寶石(B-Al2O3)的7.5 X ΙΟ—Κ大，加上超薄TiN單晶薄膜材料相比薄AlN單晶薄膜材料、GaN模板層的GaN單晶薄膜材料及藍寶石(a_Al203)單晶基底都薄很多，基于可協變襯底的可協變中間層的應力轉移思想，在GaN單晶薄膜模板層從800 1100°C的生長溫度降到室溫過程中因藍寶石(a-Al203)與GaN之間熱膨脹系數差異會產生積聚的大熱壓應力，通過調控降溫速率可使熱應力先轉移到各層超薄TiN單晶薄膜材料中以張應力的形式協調釋放，進而實現GaN模板層無應力和彎曲。此外，本發明選用的TiN材料與AlN材料有較好的晶格匹配關系，立方TiN(Ill)面與六方A1N(00(^)面的晶格失配度為3. 45%，盡管與六方GaN(0002)面的晶格失配度為-6. 14%，由于TiN材料很薄，超薄TiN 層夾在各薄AlN層之間與AlN共格生長，因而相比現有低溫插入層技術不會影響上面的GaN 模板層的結晶生長質量。幻薄AlN和超薄TiN交替堆疊構成的復合應力協變層既具有相比現有應力協變層 (包括緩沖層、柔性層及低溫插入層)更好的晶格失配應力和熱應力轉移協調效果，還可采用與GaN模板層相同的生長工藝在同一設備上依次制備，因此相比現有的圖形襯底技術， 制備工藝更簡單也更實用。本發明僅通過調控復合應力協變層中的薄AlN與超薄TiN層的厚度與交替堆疊的層數以及外延生長GaN模板層后的降溫速率就可獲得低位錯密度和無應力與彎曲的藍寶石(a-Al203)基GaN復合襯底，用此種大尺寸襯底外延生長GaN材料和制備LED器件結構， 勢必會大幅度提高現有的藍寶石基底上制備的氮化鎵LED外延片材料的性能和良品率。因此，非常適合應用和市場推廣。下面介紹制備上述藍寶石(a-Al203)基GaN復合襯底的制備方法。應該理解，以下描述的制備方法僅為制備本發明藍寶石(a_Al203)基GaN復合襯底的一個具體實例。本領域的技術人員可以在本發明的教導下根據設計需要及其他因素作出改變。采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)工藝制備用于氮化物半導體外延片材料的藍寶石(a-Al203)基復合襯底的工藝流程如下步驟1 取一直徑2英寸的藍寶石(a-Al203)單晶基底11 ；步驟2 將清洗過的藍寶石單晶基底11放入MOCVD設備反應室中；步驟3 用MOCVD工藝在藍寶石單晶基底11上先制備生長1層厚50nm的薄AlN單晶薄膜材料121作為晶格失配應力協變層；步驟4 再用MOCVD工藝在厚50nm薄AlN層121上制備生長1層厚IOnm超薄TiN 單晶薄膜材料122作為熱應力協變層；步驟5 重復步驟3和步驟4，用MOCVD工藝制備得到由5層50nm厚的薄AlN層 121和4層IOnm厚的超薄TiN層122交替堆疊而成的復合應力協變層材料12 ；步驟6 用MOCVD工藝在復合應力協變層材料12上再制備生長1層2 μ m厚的feiN 單晶薄膜材料作為GaN模板層13 ；步驟7 調控GaN模板層13的降溫速率，先以10°C /分鐘的降溫速率從1050°C降到750°C，再以20°C /分鐘的降溫速率從750°C降到250°C，最后自然降到室溫；步驟8 從MOCVD設備反應室取出包含藍寶石(a_Al203)單晶基底11、復合應力協變層12、低位錯密度且無應力與彎曲的GaN模板層13的藍寶石(a_Al203)基復合襯底1 ；步驟9 以2英寸藍寶石(a-Al203)基復合襯底1做GaN同質單晶襯底模板，采用
6MOCVD工藝制備高效發光的氮化鎵(GaN)基藍光LED外延片材料。 最后應說明的是，以上示例僅用以說明本發明的技術方案而非對其進行限制。盡管參照所給出示例對本發明進行了詳細說明，但是本領域的普通技術人員可根據需要對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍。
權利要求
1.一種用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底，其特征在于，包含一藍寶石單晶基底；一復合應力協變層，覆蓋在所述藍寶石單晶基底上，由多層氮化鋁單晶薄膜材料和多層氮化鈦單晶薄膜材料交替堆疊構成；一氮化鎵模板層，生長在所述復合應力協變層上，由氮化鎵單晶薄膜材料構成。
2.根據權利要求1所述的用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底，其特征在于，其中所述復合應力協變層中每層所述氮化鋁單晶薄膜材料的厚度為15 90nm。
3.根據權利要求1所述的用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底，其特征在于，所述復合應力協變層中每層所述氮化鈦單晶薄膜材料的厚度不大于每層所述氮化鋁單晶薄膜材料的厚度的1/3。
4.根據權利要求1所述的用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底，其特征在于，所述復合應力協變層中與所述藍寶石基底接觸的層為所述氮化鋁單晶薄膜材料。
5.根據權利要求1所述的用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底，其特征在于，所述復合應力協變層中與所述氮化鎵模板層接觸的層為所述氮化鋁單晶薄膜材料。
6.根據權利要求1所述的用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底，其特征在于，所述氮化鋁單晶薄膜材料的層數為2 10層。
7.根據權利要求1所述的用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底，其特征在于，所述氮化鎵模板層的厚度不小于2 μ m。
8.根據權利要求1所述的用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底，其特征在于，在生長所述氮化鎵模板層時從1100°C的生長溫度降到室溫的降溫速率為5 20°C /分鐘。
9.根據權利要求1所述的用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底，其特征在于，用于制備所述復合應力協變層中的氮化鋁單晶薄膜材料和氮化鈦單晶薄膜材料以及氮化鎵模板層的材料生長工藝包括金屬有機物化學氣相沉積、離子束外延、分子束外延、 脈沖激光沉積、等離子體輔助化學氣相沉積及磁控濺射沉積。
10.根據權利要求1所述的用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底，其特征在于，所述藍寶石基復合襯底可以用于氮化鎵、氮化鋁、氮化銦、鋁鎵氮、銦鎵氮、銦鋁鎵氮單晶薄膜材料、及氮化物半導體LED器件結構的制備生長。
11.一種藍寶石基復合襯底的制造方法，該藍寶石基復合襯底用于制備氮化物半導體外延材料，其特征在于，包含取一藍寶石單晶基底；在所述藍寶石單晶基底上形成一復合應力協變層，所述復合應力協變層由氮化鋁單晶薄膜材料和氮化鈦單晶薄膜材料交替堆疊構成；在所述復合應力協變層上形成一氮化鎵模板層，所述氮化鎵模板層由氮化鎵單晶薄膜材料構成。
全文摘要
本發明提供一種藍寶石基復合襯底及其制造方法。該藍寶石復合襯底用于制備氮化物半導體外延材料的藍寶石基復合襯底，其特征在于，包含一藍寶石單晶基底；一復合應力協變層，覆蓋在所述藍寶石單晶基底上，由多層氮化鋁單晶薄膜材料和多層氮化鈦單晶薄膜材料交替堆疊構成；一氮化鎵模板層，生長在所述復合應力協變層上，由氮化鎵單晶薄膜材料構成。
文檔編號H01L21/20GK102208338SQ20101015639
公開日2011年10月5日 申請日期2010年3月30日 優先權日2010年3月30日
發明者劉祥林, 施建江, 楊少延 申請人:杭州海鯨光電科技有限公司