CN102593294B - 复合式氮化镓基半导体生长衬底及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合式氮化镓基半导体生长衬底，其包括：基板；晶格缓冲层，形成于石英玻璃上，其由类钻石薄膜(Diamond‑Like Carbon，简称DLC)构成；晶格转换层，形成于晶格缓冲层，其为多晶结构，晶格系数介于GaN与DCL之间。利用DCL与氮化物的组合，克服了石英玻璃或金属基板等普通基板用于生长氮化镓基半导体材料存在的晶格不匹配及热失配等问题，从而降低了现有氮化镓基半导体生长衬底的成本，同时提高了其后续生长的氮化镓基半导体材料的质量。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种复合式氮化镓基半导体生长衬底及其制作方法。
背景技术
氮化镓基半导体材料是制备应用于半导体照明和显示器背光领域的发光器件的核心基础材料。由于缺少同质体单晶材料，GaN基材料的器件应用通常在异质衬底上进行，最常用的是蓝宝石（Al2O3）衬底，由于蓝宝石衬底不导电、硬度大、价格较高，且在蓝宝石上成长GaN的晶格不批配高达13.6%，容易造成晶格缺陷，使得成长后发光器件的发光效率降低。碳化硅（SiC）衬底相比蓝宝石与氮化镓有更好的晶格匹配关系，但其价格昂贵，且其上的GaN基发光器件工艺为个别大公司掌握，因此较难广泛商业化推广。
发明内容
针对现有氮化镓基半导体生长衬底存在的上述问题，本发明提供了一种复合式氮化镓基半导体生长衬底及其制作方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种复合式氮化镓基半导体生长衬底，其包含：一石英玻璃基板；一晶格缓冲层，形成于石英玻璃基板上，其由类钻石薄膜(Diamond-LikeCarbon，简称DLC)构成；一晶格转换层，形成于晶格缓冲层之上，其晶格系数介于GaN与类钻石薄膜之间。
在本发明的一个优选实施例中，所述基板选用石英玻璃；所述晶格缓冲层的厚度为1~10000nm，其材料选自Si-DLC膜、C-DLC膜、Ni-DLC或碳化钛-DLC；所述晶格转换层的材料为氮化物，可选自氮化铝、氮化铝镓、氮化镓、氮化镓铟、氮化铟或氮化铝镓铟，其厚度为10~10000nm。
在本发明的另一个优选实施例中，所述基板选用金属基板，可选自碳化钨基板、钨基板、碳化硅或钢材基板；在金属基板与DLC晶格缓冲层之间设置一子种子层，其材料选自铬、钛或镍所述晶格缓冲层和晶格转换层参考前一优选实施例。
根据本发明的一方面，提供了一种复合式氮化镓基半导体生长衬底的制作方法，其包括如下步骤：提供一基板；在所述基板上形成一类钻石薄膜，作为晶格缓冲层；在所述晶格缓冲层上形成一晶格转换层，其晶格系数介于GaN与类钻石薄膜之间，构成复合成氮化镓生长衬底。
在本明发明的优选实施例中，所述类钻石薄膜通过磁控溅镀法(magneticallysputteringmethod)、离子蒸镀法(ionplatingmethod)、电弧离子蒸镀法(arcionplating)，或电浆辅助化学气相沉积法(plasma-enhancedchemicalvapordeposition)形成于石英玻璃上。所述晶格缓冲层的厚度为1~10000nm，其材料选自Si-DLC膜、C-DLC膜、Ni-DLC或碳化钛-DLC。所述晶格转换层的厚度为10~10000nm，其材料为氮化物，可选用氮化铝、氮化铝镓、氮化镓、氮化镓铟、氮化铟或氮化铝镓铟。
本发明使用类钻石膜作为晶格缓冲层，氮化物（如氮化铝）作为晶格转换层，将石英玻璃或金属基板等普通便宜基板变成可供氮化镓成长的生长衬底，克服了石英玻璃或金属基板用于生长氮化镓基半导体材料存在的晶格不匹配及热失配等问题，从而降低了现有氮化镓基半导体生长衬底的成本，同时提高了其后续生长的氮化镓基半导体材料的质量。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为本发明第一实施例的结构示意图。
图2为本发明第二实施例的结构示意图。
图中各标号为：
100：石英玻璃；110，210：晶格缓冲层；120，220：晶格转换层；130，230：GaN基材料层；200：金属基板；240：种子层。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例一：
如图1所示，GaN基材料层130外延生长于一种基于石英玻璃的复合式氮化镓基半导体生长衬底上。该复合式生长衬底包括：石英玻璃100，作为复合式生长衬底的基底；类钻石膜层110形成于在石英玻璃上以作为晶格缓冲层，其材料可为Si-DLC膜、C-DLC膜、Ni-DLC或碳化钛-DLC，厚度为1~10000nm；晶格转换层120形成于晶格缓冲层110上。晶格转换层的晶格系数介于GaN与类钻石薄膜之间，其与氮化镓基半导体材料匹配，可采用氮化物（如氮化铝、氮化铝镓、氮化镓、氮化镓铟、氮化铟或氮化铝镓铟），在本实施例中，采用氮化铝（AlN）,厚度为10~10000nm。
前述基于石英玻璃的复合式氮化镓基半导体生长衬底的制备方法，步骤如下：
首先，提供一石英玻璃100。
下一步，在所述石英玻璃上形成一类钻石薄膜，作为晶格缓冲层110。可采用磁控溅镀法(magneticallysputteringmethod)、离子蒸镀法(ionplatingmethod)、电弧离子蒸镀法(arcionplating)，或电浆辅助化学气相沉积法(plasma-enhancedchemicalvapordeposition)等方法。
下一步，在所述晶格缓冲层120上生长一层AlN，作为晶格转换层130，构成复合成氮化镓基半导体生长衬底。
在本实施例中，采用具有高硬度、高弹性模量、低摩擦因数、耐磨损以及良好的真空摩擦学特性的石英玻璃作为基底，在其上蒸镀一层散热性极佳的类钻石膜(DLC)，当作晶格缓冲层(crystalbufferlayer)，解决了热失配问题的同时，增加了石英玻璃的结构强度与硬度，再镀上一层AlN，当作晶格转换层(crystaltranslationlayer)，减少晶格不匹配所造成应力的影响，使得外延片生长基台MOCVD能在价格低廉的石英玻璃上生长GaN材质，大大地降低了生长衬底的成本。另外，在材料应变（strain）方面，DLC层为可逆的弹性变形，其与AlN组合，界面应力很小，有效改善复合衬底上生长的GaN基材料的质量。
实施例二：
与实施例一的不同之处主要在于本实施例采用金属基板作为复合式生长衬底的基底，在金属基板200与晶格缓冲层210之间，增加一层种子层240，其作用为磊晶基底之用，使GaN基材料能藉由此种子层顺利成长上去。
如图2所示，GaN基材料层230外延生长于一种基于金属基板的复合式氮化镓基半导体生长衬底。该复合式生长衬底其包括：金属基板200，种子层240，由类钻石薄膜构成的晶格缓冲层210，晶格转换层220。
金属基板200的熔点最好高于1000℃，可选用碳化钨基板、钨基板、碳化硅或钢材基板。种子层240位于金属基板上，其材料可选用铬、钛或镍。晶络缓冲层210位于种子层240上，材料选自Si-DLC膜、C-DLC膜、Ni-DLC或碳化钛-DLC。晶格转换层220位于晶格缓冲层210上，其材料为AlN。
前述基于石英玻璃的复合式氮化镓基半导体生长衬底可通过下面步骤制备。
首先，提供一钢材基板200。
下一步，在钢材基板200上蒸镀一层铬作为种子层240。
下一步，在种子层上形成一类钻石薄膜，作为晶格缓冲层210。可采用磁控溅镀法(magneticallysputteringmethod)、离子蒸镀法(ionplatingmethod)、电弧离子蒸镀法(arcionplating)，或电浆辅助化学气相沉积法(plasma-enhancedchemicalvapordeposition)等方法。
下一步，在所述晶格缓冲层220上生长一层AlN，作为晶格转换层230，构成复合成氮化镓基半导体生长衬底。
上面的实施例中对各层材料做了列举，应注意的是，各层材料的选择并不局限此，只要是符合该层特性的材料都应是可用于实施本发明。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。
Claims (8)
1.复合式氮化镓基半导体生长衬底，其包含：
一石英玻璃基板；
一晶格缓冲层，形成于石英玻璃基板上，其由类钻石薄膜构成；
一晶格转换层，形成于晶格缓冲层，其晶格系数介于GaN与类钻石薄膜之间。
2.根据权利要求1所述的复合式氮化镓基半导体生长衬底，其特征在于：所述晶格缓冲层的材料选自Si-DLC膜、C-DLC膜、Ni-DLC或碳化钛-DLC。
3.根据权利要求1所述的复合式氮化镓基半导体生长衬底，其特征在于：所述晶格转换层的材料为氮化物。
4.根据权利要求3所述的复合式氮化镓基半导体生长衬底，其特征在于：所述晶格转换层的材料选自氮化铝、氮化铝镓、氮化镓、氮化镓铟、氮化铟或氮化铝镓铟。
5.复合式氮化镓基半导体生长衬底的制作方法，其包括如下步骤：
提供一石英玻璃基板；
在所述基板上形成一类钻石薄膜，作为晶格缓冲层；
在所述晶格缓冲层上形成一晶格转换层，其晶格系数介于GaN与类钻石薄膜之间，构成复合成氮化镓生长衬底。
6.根据权利要求5所述的复合式氮化镓基半导体生长衬底的制作方法，其特征在于：所述类钻石薄膜通过磁控溅镀法、离子蒸镀法、电弧离子蒸镀法，或电浆辅助化学气相沉积法形成于石英玻璃上。
7.根据权利要求5所述的复合式氮化镓基半导体生长衬底的制作方法，其特征在于：所述晶格缓冲层的材料选自选自Si-DLC膜、C-DLC膜、Ni-DLC或碳化钛-DLC。
8.根据权利要求5所述的复合式氮化镓基半导体生长衬底的制作方法，其特征在于：所述晶格转换层的材料选自氮化铝、氮化铝镓、氮化镓、氮化镓铟、氮化铟或氮化铝镓铟。
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