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硅基应力协变衬底及制备方法、氮化镓LED及制备方法

阅读：454发布：2020-05-12

专利汇可以提供硅基应力协变衬底及制备方法、氮化镓LED及制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种硅基应力协变衬底及其制备方法，以及应用该硅基应力协变衬底的垂直结构氮化镓LED及其制备方法；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。，下面是硅基应力协变衬底及制备方法、氮化镓LED及制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.硅基应力协变衬底，其特征在于，包括：
一双面抛光硅单晶基底(11)；
一薄氮化锆导电反光应力协变层(12)，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(12)的厚度为50nm～350nm；
一薄氮化镓单晶薄膜模板层(13)，形成在所述薄氮化锆导电反光应力协变层(12)上，所述薄氮化镓单晶薄膜模板层(13)的厚度不小于所述薄氮化锆导电反光应力协变层(12)的厚度。
2.根据权利要求1所述的硅基应力协变衬底，其特征在于，所述薄氮化镓单晶薄膜模板层(13)的厚度为0.5μm～5μm。
3.根据权利要求1所述的硅基应力协变衬底，其特征在于，所述硅基应力协变衬底用于氮化镓、氮化铟、铟镓氮、铟铝镓氮、铟铝氮、铝镓氮、氮化铝、氧化锌、碳化硅及氮化硼的单晶薄膜材料外延生长。
4.如权利要求1所述的硅基应力协变衬底的制备方法，其特征在于，包括：
(1)对双面抛光硅单晶基底的上表面进行高温烘烤和清洗，形成原子台阶；
(2)在双面抛光硅单晶基底的上表面制备薄氮化锆导电反光应力协变层；
(3)在薄氮化锆导电反光应力协变层的上表面上制备薄氮化镓单晶薄膜模板层，并降至室温。
5.根据权利要求4所述的硅基应力协变衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)采用如下两种方式之一形成薄氮化锆导电反光应力协变层：
方式一：在双面抛光硅单晶基底的上表面直接沉积氮化锆薄膜制备生长形成薄氮化锆导电反光应力协变层；
方式二：先在双面抛光硅单晶基底上表面覆盖一层超薄金属锆薄膜，再将超薄金属锆薄膜完全氮化形成超薄氮化锆薄膜，多次重复覆盖超薄金属锆薄膜和完全氮化超薄金属锆薄膜过程，直至多次形成的超薄氮化锆薄膜厚度总和达到薄氮化锆导电反光应力协变层厚度要求。
6.根据权利要求4所述的硅基应力协变衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)采用相同的材料气相沉积制备工艺。
7.根据权利要求4所述的硅基应力协变衬底的制备方法，其特征在于，所述薄氮化镓单晶薄膜模板层从制备生长温度降至室温的降温速率为2℃/分钟至20℃/分钟。
8.氮化镓LED，所述氮化镓LED为垂直结构，包括：顶部氧化物透明电极(3)、底部欧姆接触金属电极(4)，以及位于顶部氧化物透明电极(3)和底部欧姆接触金属电极(4)之间的氮化镓LED器件结构(2)和硅基应力协变衬底(1)，其特征在于，所述硅基应力协变衬底(1)为权利要求1-3所述的任一项硅基应力协变衬底。
9.如权利要求8所述的氮化镓LED的制备方法，其特征在于，包括：
(S1)制备硅基应力协变衬底，在硅基应力协变衬底的薄氮化镓单晶薄膜模板层表面上制备氮化镓LED器件结构，并降至室温；
(S2)在氮化镓LED器件结构的上表面制备顶部氧化物透明电极；
(S3)在硅基应力协变衬底的双面抛光硅单晶基底的下表面制备底部欧姆接触金属电极；
(S4)对硅基应力协变衬底和氮化镓LED器件结构进行退火处理；
(S5)对硅基应力协变衬底和氮化镓LED器件结构进行切割、晶粒分选、芯片封装。
10.根据权利要求9所述的氮化镓LED的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的降温速率为2℃/分钟～20℃/分钟。

说明书全文

硅基应力协变衬底及制备方法、氮化镓LED及制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体衬底及半导体LED器件制备技术领域，具体涉及一种硅基应力协变衬底及其制备方法与利用该硅基应力协变衬底制备氮化镓LED器件的技术。

背景技术

[0002] 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：

[0003] (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(SixNy)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(SixGay)。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。

[0004] (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109-10cm-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。

[0005] (3)大热失配应力问题。Si基底的a轴热膨胀系数为3.59×10-6K-1，GaN外延层的a轴热膨胀系数为5.59×10-6K-1、c轴热膨胀系数为3.17×10-6K-1。硅基底与GaN外延层面内之间的热膨胀系数失配度高达55.7％。如Si基底GaN材料外延生长温度比较高(如MOCVD和HVPE工艺需要采用1050℃高温生长)，在材料制备生长过程中，特别是材料生长完成的后大幅度降温过程中，Si基底收缩慢，GaN外延层收缩快，则会产生比较大的热失配应力，而且是张应力，热失配张应力累积则会能导致GaN外延层凹面弯曲和表面起伏，而热失配张应力释放或与晶格失配应力与内应力释放共同作用，还将会导致GaN外延层龟裂形成高密度裂纹，降低GaN-LED器件成品率甚至无法进行GaN-LED器件制备。

[0006] 目前已发展多种硅基底制备技术用于缓解和克服Si基底GaN材料的大失配应力问题。比如：引入缓冲层、应力协变层及插入层，以及将Si基底表面刻槽或制作掩模图型直接外延或侧向外延生长。其中，基于中国科学院半导体研究所陈涌海等人关于“应变异质结构中超薄中间层的应变协调作用”研究结果(Chinese Journal of Semiconductors(半导体学报)，26(2005)1740-1743)，通过选择设计制备合适的应力协变层，可开发出有效协调大失配应力的硅基应力协变衬底(也称硅基柔性衬底)。此种硅基应力协变衬底有望完全克服Si基底GaN材料的大失配应力问题，实现Si基底GaN材料无裂纹、低应力乃至无应力制备生长。硅基应力协变衬底的设计制备，最关键是应力协变层的选择设计制备，需要兼顾三方面因素：(1)应力协变层应与Si基底和GaN外延层具有合适的晶格匹配关系。即应力协变层与Si基底和GaN外延层的晶格失配度最好符号相反(一正一负)且数值尽可能小。这样才能更有效减小晶格失配应力并具有更好的晶格失配应力协调转移效果，尽可能将晶格失配应力先转移到应力协变层中积聚或释放，而GaN单外延层中低应力乃至无应力；(2)应力协变层应与Si基底和GaN外延层具有合适的热失配关系。即应力协变层的热膨胀系数最好比Si基底和GaN外延层都大或都小但数值要尽可能接近。这样也才能有效减小热失配应力并具有更好的热配应力协调转移效果，尽可能将热失配应力先转移到应力协变层中积聚或释放，而GaN外延层中低应力乃至无应力；(3)应力协变层相比GaN外延层的厚度尽可能薄。薄应力协变层易于通过形变和滑移来协调转移到其上的失配应力，降低应力释放产生位错缺陷的几率。此外，考虑到后续垂直结构GaN-LED器件的设计制备，应力协变层材料还应具有良好的导电和反光性能，以降低器件功耗和提升器件出光效率。

[0007] 现有硅基应力协变衬底制备技术常选用氮化铝(AlN)作为成核阻挡层和应力协变层(或缓冲层)。AlN具有六方纤锌矿结构，晶格常数a＝0.32496nm，c＝0.52065nm；a轴热膨胀系数为2.9×10-6K-1。AlN不仅与Si和GaN都具有比较小的晶格失配度(1.542％，-1.871％)，a轴热膨胀系数也比Si和GaN都小，应该算是比较合适的应力协变层材料。但是，由于AlN具有超宽禁带且对从深紫外到红外的各种波长的光透明，所构成的是不导电硅基应力协变衬底。如不去除硅基底，只能制作功耗高且出光效率低的横向结构GaN-LED器件(器件两个通电电极在同一侧)，由于硅基底对各种可见光都具有很强的吸收，出光效率不到50％。为提升出光效率，不得不先将原来的GaN器件结构倒装在另一镀有反光金属层(金属银(Ag)、银铝或银镍合金)的支撑硅基底上，再将生长硅基底连同不导电的AlN层一同去除，才可制备得到具有上下通电电极的垂直结构GaN-LED器件。但这种倒装器件工艺复杂、成品率低、生产成本高。此外，虽然AlN与GaN的常用制备生产工艺兼容(如MOCVD等)，但由于其六方纤锌矿晶体结构及生长初期Al原子在Si基底表面迁移速度慢，常表现为三维(3D)岛状或柱状晶粒合并的方式成膜。由于存在高密度晶界和线位错缺陷，经常需要制备至少
120nm厚，才可有效阻止Si基底的Si原子高温热扩散和具有比较平整的表面。而用这样厚度的AlN作为应力协变层，其协调释放大晶格失配应力和热失配应力的能力将大幅度下降。因此，又不得不在AlN和GaN外延层之间再插入多层具有不同铝(Al)组分浓度的铝镓氮(AlGaN)组分渐变缓冲层引入部分压应力补偿Si基底GaN单晶薄膜制备过程产生的大失配张应力，或者再插入几十乃至上百周期的AlN/GaN或者InGaN/GaN超晶格协调大失配应力和过滤阻挡位错向上延伸。虽然利用包含AlN的不导电硅基应力协变衬底和应力调控结构已能够将直径8英寸的硅基底氮化镓材料无裂纹厚度提升到5μm以上、位错密度降至108cm-2，但材料和器件制备工艺仍比较复杂、成品率低及不适合直接制备垂直结构GaN-LED器件，仍需要继续开发工艺更简单、成品率高及适合直接制备垂直结构GaN-LED器件的导电硅基应力协变衬底技术。

[0008] 2002年美国加州大学伯克利分校的R.Armitage曾利用磁控溅射工艺制备的200nm厚氮化铪(HfN)作为导电阻挡层和缓冲层实现Si基底GaN材料外延生长质量提升，并发现这种过渡族难熔金属氮化物HfN能够起到比较好的阻止界面化学反应和Si基底Si原子高温高浓度热扩散效果(Appl.Phys.Lett.,81(2002)1450)。HfN具有立方岩盐结构，晶格常数a＝0.4518nm，a轴热膨胀系数为6.9×10-6K-1，室温电导率σ300K为3.1×106S/m、电阻率为31μΩ.cm，室温热导率K300K为37W/mK，具有良好导电导热性能，且高温下热、化学稳定性也很好。尽管HfN与Si与GaN都具有更小晶格失配度(0.02％和0.35％)，但晶格失配度符号相同(都为正号)。因此，HfN不太合适作为应力协变层。其利用HfN设计制备的导电硅基应力协变衬底对Si基底GaN材料大失配应力协调效果尚不如AlN为应力协变层的不导电硅基应力协变衬底。由于改善提高Si基底GaN材料外延生长质量的程度有限，此种包含HfN层的导电硅基应力协变衬底一直未能产业化应用推广

[0009] 中国专利文献《一种硅基复合衬底及其制造方法》，申请号：201010156392.2，公开了由氮化铝和氮化钛单晶薄膜材料彼此多次交叠构成复合应力协变层的硅基复合衬底，其工艺流程中需重复多次制备薄AlN层和超薄TiN层，工艺复杂。

[0010] 综上所述，如要实现Si基底GaN材料外延生长质量进一步提升及设计制备出更高性能的Si基底垂直结构GaN-LED器件，还需要选择设计制备更合适的导电应力协变层，开发新的导电硅基应力协变衬底设计制备技术。

发明内容

[0011] 发明目的：本发明旨在提供一种在利用Si单晶基底实现GaN材料和LED器件的高质量制备生长时能够克服和缓解大失配应力问题的硅基应力协变衬底。

[0012] 技术方案：本发明一方面公开了一种硅基应力协变衬底，包括：

[0013] 一双面抛光硅单晶基底11；

[0014] 一薄氮化锆导电反光应力协变层12，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12的厚度为50nm～350nm；

[0015] 一薄氮化镓单晶薄膜模板层13，形成在所述薄氮化锆导电反光应力协变层12上，所述薄氮化镓单晶薄膜模板层13的厚度不小于所述薄氮化锆导电反光应力协变层12的厚度。

[0016] 另一方面，本发明还公开了制备上述硅基应力协变衬底的方法，包括：

[0017] (1)对双面抛光硅单晶基底的上表面进行高温烘烤和清洗，形成原子台阶；

[0018] (2)在双面抛光硅单晶基底的上表面制备薄氮化锆导电反光应力协变层；

[0019] (3)在薄氮化锆导电反光应力协变层的上表面上制备薄氮化镓单晶薄膜模板层，并降至室温。

[0020] 本发明还公开了应用上述硅基应力协变衬底的垂直结构氮化镓LED，包括：

[0021] 顶部氧化物透明电极(3)、底部欧姆接触金属电极(4)，以及位于顶部氧化物透明电极(3)和底部欧姆接触金属电极(4)之间的氮化镓LED器件结构(2)和硅基应力协变衬底(1)。

[0022] 本发明还公开了制备上述垂直结构氮化镓LED的方法，包括：

[0023] (S1)制备硅基应力协变衬底，在硅基应力协变衬底的薄氮化镓单晶薄膜模板层表面上制备氮化镓LED器件结构，并降至室温；

[0024] (S2)在氮化镓LED器件结构的上表面制备顶部氧化物透明电极；

[0025] (S3)在硅基应力协变衬底的双面抛光硅单晶基底的下表面制备底部欧姆接触金属电极；

[0026] (S4)对硅基应力协变衬底和氮化镓LED器件结构进行退火处理；

[0027] (S5)对硅基应力协变衬底和氮化镓LED器件结构进行切割、晶粒分选、芯片封装。

[0028] 有益效果：本发明采用具有良好热、化学稳定性及良好导电、反光性能的氮化锆(ZrN)薄膜作为应力协变层设计制备硅基应力协变衬底，不仅能够完全克服Si基底GaN材料大失配应力问题，还可实现垂直结构氮化镓LED器件制备。

[0029] ZrN具有立方岩盐晶体结构，晶格常数a＝0.4576，a轴热膨胀系数为7.4×[0030] 10-6K-1，室温电导率σ300K为3.7×106S/m、电阻率为18μΩ.cm，室温热导率K300K为47W/mK，ZrN与Si和GaN之间的晶格失配度分别为1.107％和-1.458％，符号一正一负，而且热膨胀系数比Si和GaN都大。另外，通过调控ZrN的膜厚还可实现对从近紫外到近红外波段的各种波长的光具有非常高的反射率。

[0031] 相比常用的AlN和过渡族难熔金属氮化物HfN和TiN，选用过渡族难熔金属氮化物ZrN薄膜作为硅基应力协变衬底的应力协变层，ZrN具有更好的Si基底GaN材料大失配应力协调转移性能。基于应力协变衬底(Compliantsubstrates)的应力协变中间层的应力转移思想，由于ZrN与Si和GaN之间的晶格失配度分别为1.107％和-1.458％，符号一正一负，GaN与Si之间的大晶格失配应力在GaN单晶薄膜模板层生长过程中会先转移分配到薄ZrN单导电反光应力协变层中协调或释放，因而降低在GaN单晶薄膜模板层中引入位错和缺陷的几率，即使引入位错也是先在Si与薄ZrN导电反光应力协变层的界面处引入，而不会对上面的GaN单晶薄膜模板层产生更不好的影响。另外，由于ZrN的热膨胀系数比Si和GaN都大，在GaN单晶薄膜模板层大幅度降温过程中产生的热失配应力也会先转移分配到薄ZrN单导电反光应力协变层中协调或释放，因而降低在GaN单晶薄膜模板层中引入裂纹和造成膜层弯曲的几率，即使引入裂纹也是先在薄ZrN导电反光应力协变层中引入，也不会对上面的GaN单晶薄膜模板层产生更不好的影响。通过调控薄ZrN导电反光应力协变层的膜厚、GaN单晶薄膜模板层的膜厚与降温速率，就很容易实现Si基底GaN材料大失配应力与位错密度降低及无裂纹厚度与材料结晶质量与尺寸提升；

[0032] 相比常用的AlN和过渡族难熔金属氮化物HfN和TiN，过渡族难熔金属氮化物ZrN具有更好的导电和反光性能，选用ZrN薄膜作为硅基应力协变衬底的导电反光应力协变层，通过调控ZrN的膜厚可以设计制备对某一特定波长的光具有高出光效率的垂直结构氮化镓LED器件，而且还能够简化硅基底氮化镓LED器件制备工艺，特别是，能够实现硅基底氮化镓LED器件的成品率提升和生产成本降低。

[0033] 相比常用的过渡族难熔金属氮化物TiN和金属Ti，过渡族难熔金属氮化物ZrN和金属Zr具有更低的导通电阻和热、化学稳定性，选用ZrN和金属Zr薄膜作为垂直结构氮化镓LED器件硅基底一侧的欧姆接触金属电极材料的互扩散阻挡层和金属电极层，更有利于降低氮化镓LED器件的欧姆接触电阻，实现氮化镓LED器件工作性能和节能性能进一步提升。

[0034] 相比刻槽硅(Si)衬底加氮化铝(AlN)缓冲层技术及掩模图型加侧向外延技术，ZrN导电反光应力协变层可采用与GaN单晶薄膜模板层和GaN光电器件结构相同的材料制备生长工艺(如MOCVD)在同一设备上依次制备，具有更好的工艺兼容性，且工艺简单实用，利于规模化生产和应用推广。

[0035] 利用本发明的硅基应力协变衬底外延生长氮化镓单晶薄膜材料，不仅容易实现硅基底氮化镓材料无裂纹厚度增加，还有利于实现材料尺寸扩大。利用所制备的大尺寸硅基底氮化镓材料制作垂直结构氮化镓LED器件，势必会大幅度降低现有的氮化镓LED器件外延片材料的制备生产成本和提升现有的氮化镓LED器件成品率。因此，具有相当可观的经济效益和非常好的市场推广前景。附图说明

[0036] 图1为本发明公开的硅基应力协变衬底的结构示意图；

[0037] 图2为本发明公开的垂直结构氮化镓LED的结构示意图。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

[0039] 实施例1：

[0040] 本发明公开了一种硅基应力协变衬底，如图1所示，包括：一双面抛光硅(Si)单晶基底11；一薄氮化锆(ZrN)导电反光应力协变层12；一氮化镓(GaN)单晶薄膜模板层13。

[0041] 其中双面抛光硅单晶基底的直径包括但不限于2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸、18英寸。

[0042] 薄氮化锆导电反光应力协变层12形成在双面抛光硅单晶基底11上，由50nm～350nm厚的薄氮化锆(ZrN)薄膜材料构成，用于转移和协调释放硅(Si)基氮化镓(GaN)材料在外延生长过程产生的晶格失配应力、内应力以及在大幅度降温过程产生的热失配应力。

[0043] 薄氮化镓单晶薄膜模板层13，形成在所述薄氮化锆导电反光应力协变层12上，厚度不小于薄氮化锆(ZrN)导电反光应力协变层12的厚度，为0.5μm～5μm厚。本发明通过调控薄氮化锆(ZrN)导电反光应力协变层12的厚度和结晶质量来降低氮化镓(GaN)单晶薄膜模板层13的应力、位错密度及表面粗糙度，还可通过调控薄氮化镓单晶薄膜模板层13的厚度以及降温速率消除氮化镓(GaN)单晶薄膜模板层13中的弯曲和裂纹。

[0044] 以下为上述硅(Si)基应力协变衬底的制备方法：

[0045] 步骤1：将一6英寸双面抛光Si(111)单晶基底11置入金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备的生长室内进行Si(111)单晶基底11上表面高温烘烤清洗处理；具体工艺过程为：

[0046] 先将基底11加热温度升温至1100℃，再通氢气，在50Torr生长室压强下烘烤30分钟，完全去除Si(111)基底上表面残留的氧化层和吸附的杂质，形成利于氮化锆(ZrN)薄膜材料表面和界面光滑平整生长的原子台阶。

[0047] 步骤2：采用MOCVD工艺在Si(111)单晶基底11上表面制备薄氮化锆(ZrN)导电反光应力协变层12；制备薄氮化锆(ZrN)导电反光应力协变层12可以采用如下两种方式之一：

[0048] 方式一：在双面抛光硅单晶基底的上表面直接沉积氮化锆薄膜制备生长形成薄氮化锆导电反光应力协变层；

[0049] 方式二：先在双面抛光硅单晶基底上表面覆盖一层超薄金属锆薄膜，再将超薄金属锆薄膜完全氮化形成超薄氮化锆薄膜，多次重复覆盖超薄金属锆薄膜和完全氮化超薄金属锆薄膜过程，直至多次形成的超薄氮化锆薄膜厚度总和达到薄氮化锆导电反光应力协变层厚度要求。

[0050] 本实施例采用方式一，所形成的薄氮化锆(ZrN)导电反光应力协变层12的厚度100nm厚；具体工艺过程为：

[0051] 保持MOCVD生长室压强50Torr，将基底加热温度降至650℃；先通氢气做载气流量1000sccm的金属有机物源料四(甲乙胺)锆120秒，四(甲乙胺)锆源料分解先在Si(111)基底表面上形成一层超薄金属锆(α-Zr)薄膜；关闭四(甲乙胺)锆源料气体，再通氢气做载气流量5000sccm的氨气(NH3)源料240秒，氨气(NH3)分解将超薄金属锆(α-Zr)薄膜完全氮化形成超薄氮化锆(ZrN)薄膜作为后续薄氮化锆导电反光应力协变层制备生长的成核层；关闭氨气(NH3)源料气体，将基底加热温度升至1050℃，同时开启氢气做载气的四(甲乙胺)锆源料和氨气(NH3)源料，四(甲乙胺)锆源料流量1000sccm，氨气(NH3)源料流量5000sccm，两种源料气体在超薄氮化锆(ZrN)成核层上同时分解并化合生长100nm厚氮化锆(ZrN)薄膜，进而形成薄氮化锆(ZrN)导电反光应力协变层12。

[0052] 通过控制源料流量和生长时间可以控制生成出的氮化锆(ZrN)薄膜厚度，从而控制薄氮化锆(ZrN)导电反光应力协变层12的厚度。

[0053] 步骤3：采用MOCVD工艺在薄氮化锆(ZrN)导电反光应力协变层12上制备生长薄氮化镓(GaN)单晶薄膜模板层13。形成的氮化镓单晶薄膜模板层13的膜厚1000nm；具体工艺过程为：

[0054] 不降温不取出样品，保持MOCVD生长室压强50Torr，将基底加热温度升至1050℃，同时开启氢气做载气的三甲基镓源料和氨气(NH3)源料，三甲基镓源料的流量50sccm，氨气(NH3)源料流量6000sccm，两种源料气体在薄氮化锆(ZrN)导电反光应力协变层12上同时分解并化合制备生长1000nm厚氮化镓(GaN)单晶薄膜，进而形成氮化镓单晶薄膜模板层13；控制降温速率5℃/分钟，将基底加热温度降至室温，制备得到具有无裂纹、低位错密度、低应力乃至无应力薄氮化镓(GaN)单晶薄膜模板层的硅(Si)基应力协变衬底1。

[0055] 通过控制源料流量和生长时间可以控制生成出的氮化镓(GaN)单晶薄膜厚度，从而控制氮化镓单晶薄膜模板层13的厚度。

[0056] 薄氮化锆导电反光应力协变层12和薄氮化镓单晶薄膜模板层13采用相同气相沉积制备工艺，包括但不限于金属有机物化学气相沉积、氢化物气相外延、卤化物气相外延、原子层沉积、微波等离子体化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积、分子束外延、离子束外延、脉冲激光沉积、磁控溅射及电子束蒸发。本实施例仅以金属有机物化学气相沉积(MOCVD)制备工艺为示范。

[0057] 实施例2：

[0058] 硅(Si)单晶基底11、薄氮化锆(ZrN)导电反光应力协变层12、薄氮化镓(GaN)单晶薄膜模板层13，三者组合构成的硅(Si)基应力协变衬底1，可以用于氮化镓、氮化铟、铟镓氮、铟铝镓氮、铟铝氮、铝镓氮、氮化铝、氧化锌、碳化硅及氮化硼的单晶薄膜材料外延生长，能够提供无裂纹、低位错密度、低应力乃至无应力的同质氮化镓(GaN)单晶衬底模板；可以用于制备垂直结构氮化镓光电器件包括但不限于氮化镓LED、氮化镓激光器及氮化镓光探测器；氮化镓光电器件的发光波长和光吸收波长包括但不限于紫外光、紫光、蓝光、青光、绿光、黄光、橙黄光、红光、红外光及白光。

[0059] 本实施例以利用上述硅(Si)基应力协变衬底1制备的垂直结构氮化镓(GaN)蓝光LED器件为例来介绍本发明公开的硅(Si)基应力协变衬底的应用。

[0060] 如图2所示，为垂直结构氮化镓(GaN)蓝光LED的结构示意图，包括：顶部氧化物透明电极3、底部欧姆接触金属电极4，以及位于顶部氧化物透明电极3和底部欧姆接触金属电极4之间的氮化镓LED器件结构2和硅基应力协变衬底1。其中氮化镓LED器件结构2从硅基应力协变衬底1至顶部氧化物透明电极3依次为：2～5μm厚n-GaN层21、3～9个周期InGaN/GaN多量子阱(MQWs)蓝光发光层22、50～150nm厚p-GaN层23；

[0061] 顶部氧化物透明电极3为包括但不限于ZAO(掺铝氧化锌)、ITO(氧化铟锡)透明氧化物薄膜；

[0062] 底部欧姆接触金属电极4从硅基应力协变衬底1至下表面依次为：氮化锆互扩散阻挡层41、金属锆电极层42、金属金电极盖层43。

[0063] 制备上述垂直结构氮化镓(GaN)蓝光LED的步骤如下：

[0064] 步骤S1：采用MOCVD工艺在硅(Si)基应力协变衬底1上制备氮化镓蓝光LED器件结构2，并降至室温；具体工艺过程为：

[0065] 制备好硅(Si)基应力协变衬底1并降至室温后，不取出样品，保持MOCVD生长室压强50Torr。先将基底加热温度升至1050℃，同时开启氢气做载气的三甲基镓源料、氨气(NH3)源料及硅烷(SiH4)n型掺杂剂源料，先制备得到3μm厚n型载流子浓度3×1018cm-3的n-GaN层21；关闭硅烷(SiH4)n型掺杂剂源料，再将基底加热温度降至850℃，交替开启氢气做载气的三甲基铟源料气体，再制备得到5个周期InGaN/GaN多量子阱(MQWs)蓝光发光层22，InGaN阱层中的In组分浓度20％，层厚3nm，GaN垒层中的载流子浓度3×1017cm-3，层厚6nm；关闭三甲基铟源料气体，保持基底加热温度850℃，开启氢气做载气的p型掺杂剂二茂镁源料气体，最后制备得到100nm厚p型载流子浓度3×1018cm-3的p-GaN层23；调控降温速率5℃/分钟，将基底加热温度降至室温，制备得到无裂纹、低位错密度、低应力乃至无应力氮化镓蓝光LED器件结构2；

[0066] 步骤S2：采用磁控溅射工艺在氮化镓LED器件结构的上表面制备顶部氧化物透明电极3，本实施例中顶部氧化物透明电极3为500nm厚ZAO薄膜；具体工艺过程为：

[0067] 将包含硅基应力协变衬底和氮化镓蓝光LED器件结构的样品转移到磁控溅射设备生长室内，并将生长室本底真空抽至5×10-5Pa。先将基底加热温度升至700℃烘烤20分钟；完成烘烤除气后，再将基底加热温度降至450℃，通溅射气体Ar气，待生长室内的工作气压提升到0.5Pa后，采用100W的射频溅射(RF)功率溅射ZAO(ZnO:Al)靶材，先在氮化镓LED器件结构的p-GaN层上先预沉积10nm厚超薄ZAO薄膜，再减少Ar气流量，通辅助反应气体氧气(O2)，O2与Ar气流量比1:5，工作气压维持在0.5Pa，射频溅射功率维持100W，沉积500nm厚ZAO薄膜，进而形成氮化镓蓝光LED器件结构的顶部透明氧化物电极3。

[0068] 步骤S3：在硅基应力协变衬底的双面抛光硅单晶基底的下表面制备底部欧姆接触金属电极4；底部欧姆接触金属电极4的各层结构可以采用包括但不限于磁控溅射工艺、电子束蒸发工艺在同一设备依次制备；本实施例采用磁控溅射工艺在Si(111)基底11下表面制作底部欧姆接触金属电极。所形成的底部欧姆接触金属电极由氮化锆(ZrN)互扩散阻挡层41/金属锆(α-Zr)电极层42/金属金(Au)电极盖层43构成。其中，氮化锆(ZrN)互扩散阻挡层41由50nm厚氮化锆(ZrN)薄膜构成，金属锆(α-Zr)电极层42由100nm厚金属锆(α-Zr)薄膜构成，金属金(Au)电极盖层由200nm厚金属金(Au)薄膜构成；具体工艺过程为：

[0069] 将步骤S2降至室温的样品倒置，即Si(111)基底下表面向上放置在磁控溅射基底托盘上，并将磁控溅射生长室本底真空抽至5×10-5Pa。先将基底加热温度升高至700℃烘烤20分钟；完成烘烤除气后，再将基底加热温度降至450℃，通溅射气体Ar气，待生长室内的工作气压提升至0.5Pa后，基底加负偏压，采用100W的直流溅射(DC)溅射功率，利用Ar+反溅Si(111)基底下表面2～5分钟，完全去除Si(111)基底下表面残留氧化层和杂质并形成利于氮化锆薄膜表面平整生长的原子台阶；完成Si基底下表面溅射清洗，基底加正偏压，金属锆(α-Zr)靶加负偏压，采用100W的直流溅射(DC)溅射功率，利用Ar+先溅射高纯金属锆(α-Zr)靶材5分钟，在Si(111)基底表面先沉积5nm超薄金属锆薄膜，然后减少Ar气流量，通辅助反应气体氮气(N2)，N2与Ar气的流量比大小1:5，工作气压维持在0.1～1Pa，直流溅射功率维持100W，反应沉积50nm厚氮化锆(ZrN)薄膜，进而形成底部欧姆接触金属电极的氮化锆(ZrN)互扩散阻挡层41；关闭辅助反应气体氮气(N2)，采用100W射频溅射功率溅射高纯金属锆(α-Zr)靶材，沉积100nm厚金属锆(α-Zr)薄膜，进而形成底部欧姆接触金属电极的金属锆(α-Zr)金属电极层42；最后，采用50～150W射频溅射功率溅射高纯金属金(Au)靶材，沉积200nm厚金属金(Au)薄膜，进而形成底部欧姆接触金属电极的金属金(Au)电极盖层43。完成Si(111)基底下表面的底部欧姆接触金属电极4的制作。

[0070] 步骤S4：采用快速退火工艺对垂直结构氮化镓(GaN)蓝光LED外延片材料进行退火处理，快速退火温度650℃，快速退火时间120秒。

[0071] 步骤S5：对所制备得到的硅基底垂直结构氮化镓(GaN)蓝光LED外延片材料进行切割、晶粒分选、芯片封装。其中，芯片封装可采用导热性能好的多晶碳化硅和碳化硼陶瓷基板提升垂直结构氮化镓LED器件散热性能。

[0072] 最终完成垂直结构氮化镓(GaN)蓝光LED器件制备和制作。

[0073] 以上实施方式只是对本发明的示例性说明而不限定其保护范围。本领域人员可以对其进行局部改变，在没有脱离本发明精神实质前提下，都属于对本发明等同替换，因此都在本发明保护范围之内。

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硅基应力协变衬底及制备方法、氮化镓LED及制备方法

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