CN106910807B - 一种用于生长外延片的复合衬底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生长外延片的复合衬底及其制备方法，包括硅衬底和制备在该硅衬底上的氮化铝层，利用波长小于或者等于250nm的激光在氮化铝层上按照预设路径加工若干个几何图形形成图形化氮化铝层，该图形化氮化铝层为单层或者多层的单晶或者准单晶。本发明为选区外延生长提供了种子层实现选区生长，降低了大尺寸氮化物Si材料的应力，以及对提高晶体质量有较好的效果。

Description

一种用于生长外延片的复合衬底及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体光电子器件与金属有机化学气相沉积制造领域，尤其涉及用于生长大尺寸氮化镓、碳化硅等外延片的衬底或者复合衬底及其制备方法。

背景技术

近年来，以Si、GaN、SiC为衬底的半导体器件研究取得重大突破及部分实现了产业化的应用。比如，以GaN、InGaN、AlN、AlGaN为主的III-V氮化物最为典型的例子，以GaN基的发光二极管得到了大规模的应用，为节能技术带来了巨大的进步。其次，高饱和电子迁移率等特性使其成为激光器、功率器件等光电子器件的理想材料。

目前，GaN基的光电子器件一般是以Si、蓝宝石、SiC为衬底的异质外延器件制备，但是GaN与这三种衬底存在着不同程度的晶格和热胀失配。例如，与Si的晶格和热胀失配分别为-16.96%和3.9%。如此大的晶格和热胀失配使GaN在外延器件过程中受到巨大的应力场，从而影响器件性能，解决异质外延生产的应力场成为提高GaN器件性能的主要技术研究方向。现有的氮化镓光电子器件的外延技术主要在MOCVD反应室原位进行，生长过程中通过改变生长工艺参数（温度、时间、流量、压强等），例如侧向外延生长，缓冲插入层，超晶格交替生长层，应力补偿层等。这些外延技术在小尺寸衬底（2-4英寸）一定程度上减弱了应力场对器件性能的影响。然而，对于6英寸以上的衬底，现有的生长技术有一定的局限性，较难实现原位进行应力调控，翘曲比较严重，均匀性较差，较难实现量产化的要求。为了实现6英寸以上的大尺寸衬底的量产化要求，必须解决大尺寸衬底的应力与翘曲问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于生长外延片的复合衬底及其制备方法，为选区外延生长提供了种子层实现选区生长，降低了大尺寸氮化物Si材料的应力，以及对提高晶体质量有较好的效果。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种用于生长外延片的复合衬底，包括硅衬底和制备在该硅衬底上的氮化铝层，利用波长小于或者等于250nm的激光在氮化铝层上加工若干个几何图形形成图形化氮化铝层。

所述图形化氮化铝层为至少一层的单晶或者准单晶。

所述图形化氮化铝层上的相邻几何图形之间具有间隔，该间隔20nm-5um。

所述图形化氮化铝层的厚度为10nm-2um。

所述图形化氮化铝层上的几何图形的横截面为圆形、三角形、多边形或条纹状。

所述硅衬底为6-20英寸的N型、P型或本征，晶向为<111>或<100>。

所述氮化铝层通过MOCVD、PLD或溅射的方法进行制备。

一种复合衬底的制备方法，包括以下步骤：

选择6-20英寸的N型、P型或本征，以及 <111>或<100> 晶向的硅衬底；

在硅衬底上制备一层厚度为10nm-2um的单晶氮化铝层；

利用波长小于或者等于250nm的激光，在氮化铝层上按照预设路径进行扫描，在氮化铝层上加工出几何图形，同时氮化铝层吸收激光能量形成多晶氮化铝或者铝氧氮混合物，扫描完成后，形成铝氧氮混合物与氮化铝层交替相隔的复合衬底；

然后将铝氧氮混合物去除裸露出硅衬底表面，得到结构为图形化氮化铝层/硅衬底的复合衬底。

所述激光的能量为2毫瓦-20瓦。

本发明制备得到的图形化氮化铝层/硅衬底结构的复合衬底，在外延刚开始过程起到种子层的作用，直接实现选区生长模式，最终提高晶体质量及实现释放应力的效果，在大尺寸硅基氮化物光电子器件有着较好的应用成果。

附图说明

附图1为本发明复合衬底的剖面结构示意图；

附图2为本发明制备方法的制备过程示意图；

附图3为应用本发明的复合衬底生长氮化物器件的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1所示，本发明揭示了一种用于生长氮氮化镓、碳化硅等外延片的复合衬底，包括硅衬底1和制备在该硅衬底上的氮化铝层2，利用波长小于或者等于250nm、能量为10毫瓦-20瓦的激光在氮化铝层上加工若干个几何图形形成图形化氮化铝层。该图形化氮化铝层为至少一层的单晶或者准单晶，通常优选设置为单晶结构。该几何图形的横截面为圆形、三角形、多边形或条纹状，相应的直径、边长或者间距为20nm-5um。或者可以为其他形状，上述列举并非是限定。激光的能量可以设计为持续可调，并非是固定不变，有利于激光能量的调节操作。

图形化氮化铝层上的相邻几何图形之间具有间隔，该间隔20nm-5um。并且图形化氮化铝层的厚度为10nm-2um。该氮化铝层可通过MOCVD、PL或溅射的方法进行制备。

硅衬底为6-20英寸的N型、P型或本征，晶向为<111>或<100>。

可采用固态或者气态类型的激光器，其激光的扫描路径可根据几何参数进行设定。激光的能量与氮化铝层的禁带宽度相匹配或者大于氮化铝层的禁带宽度。激光的扫描路径可以根据图形的周期及大小进行设计，激光的能量根据工艺实际需要进行设定，范围为 2毫瓦-20瓦，从而高效和快速地对氮化铝层进行加工而形成图形。

另外，本发明还揭示了一种复合衬底的制备方法，包括以下步骤：

S1，选择8英寸的P型以及 <111>晶向的硅衬底1。

S2,在硅衬底上利用溅射的方法沉积一层厚度为20nm的单晶氮化铝层2。

S3,利用波长为220nm的激光，在氮化铝层上按照预设路径进行扫描，扫描路径为等间隔等直径圆形，间隔距离为500nm,氮化铝图形直径为1um，激光能量设定为6瓦，设定相应参数与对焦距后对圆形阵列之外的间隔区域进行加工，在氮化铝层上加工出几何图形，同时氮化铝层吸收激光能量发生物性改变，形成多晶氮化铝或者铝氧氮混合物5，扫描完成后，形成铝氧氮混合物与氮化铝层交替相隔的复合衬底。通过激光加工，使得图形化氮化铝层具有较好的应力释放性，解决大尺寸氮化物的应力问题。

S4，然后利用酸的方法将铝氧氮混合物腐蚀干净，裸露出硅衬底表面3，得到结构为图形化氮化铝层/硅衬底的复合衬底。

然后可利用该得到的复合衬底进行电子器件的生长，如附图3所示，在制备过程中，由于多晶氮化铝或者铝氧氮混合物5或者裸露的硅衬底表面3所在区域没有单晶氮化铝种子层，在外延过程中会形成多晶氮化物，只有在单晶氮化铝种子层区域才能形成氮化镓单晶，通过横向外延把裸露的硅衬底表面3或者多晶氮化铝或者铝氧氮混合物5的区域覆盖后，最终形成统一的单晶层,在此基础上制备氮化物器件，而原来裸露的硅衬底表面3区域形成了疏松的氮化物多晶或者空气间隙3A，降低了氮化物器件与硅衬底的相互接触，从而减少硅衬底的晶格失配及热失配的影响，最终达到了提高晶体质量及释放应力的效果，对氮化物光电性器有进一步的提高。

需要说明的是，以上所述并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种复合衬底的制备方法，包括以下步骤：

选择6-20英寸的N型、P型或本征，以及 <111>或<100> 晶向的硅衬底；

在硅衬底上制备一层厚度为10nm-2um的单晶氮化铝层；

利用波长小于或者等于250nm的激光，在氮化铝层上按照预设路径进行扫描，在氮化铝层上加工出几何图形，同时氮化铝层吸收激光能量形成铝氧氮混合物，扫描完成后，形成铝氧氮混合物与氮化铝层交替相隔的复合衬底；

然后将铝氧氮混合物去除裸露出硅衬底表面，得到结构为图形化氮化铝层/硅衬底的复合衬底。

2.根据权利要求1所述的复合衬底的制备方法，其特征在于，所述激光的能量为2毫瓦-20瓦。