一種利用涂層硅襯底生長(zhǎng)氮化鎵晶體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氮化鎵晶體生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種利用涂層硅襯底生長(zhǎng)氣化嫁晶體的方法，旨在提尚外延生長(zhǎng)GaN的晶體質(zhì)量。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵屬于直接躍迀型寬禁帶半導(dǎo)體材料，寬直接帶隙為3.4eV，被譽(yù)為第三代半導(dǎo)體材料。GaN材料同時(shí)也是一種極穩(wěn)定的、堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，具有電子飽和速率高、介電系數(shù)小、導(dǎo)熱性能好和抗輻射強(qiáng)度高等優(yōu)良性能，是制作半導(dǎo)體照明和顯示器背光領(lǐng)域的發(fā)光器件的核心基礎(chǔ)材料。
[0003]由于缺少同質(zhì)體單晶材料，GaN基材料的器件應(yīng)用通常在異質(zhì)襯底上進(jìn)行，最常用的是藍(lán)寶石襯底、碳化娃襯底和娃襯底。由于藍(lán)寶石襯底不導(dǎo)電、硬度高且導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能差、價(jià)格較高，且在藍(lán)寶石上成長(zhǎng)GaN的晶格不批配高達(dá)13.6%，容易造成晶格缺陷，使得成長(zhǎng)后發(fā)光器件的發(fā)光效率降低。碳化硅(SiC)襯底相比藍(lán)寶石與氮化鎵有更好的晶格匹配關(guān)系，但其價(jià)格昂貴，使得器件生產(chǎn)成本大幅上升，因此較難廣泛商業(yè)化推廣。硅襯底具有價(jià)格便宜、質(zhì)量高、尺寸大、熱導(dǎo)率較高等優(yōu)點(diǎn)，用硅作為外延層的襯底可大大降低器件的制作成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此硅被認(rèn)為最有前途的制備氮化鎵薄膜的理想襯底材料。
[0004]雖然以硅作為GaN晶體的襯底材料，在制作成本上有了突破性降低，但從技術(shù)上其與藍(lán)寶石及碳化硅相比，仍然存在諸多缺陷，如硅與氮化鎵兩種材料的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差別很大，使得氮化鎵在其上磊晶生長(zhǎng)更為困難，因硅與氮化鎵之間的熱膨脹系數(shù)差別過大，導(dǎo)致芯片出現(xiàn)龜裂，并且晶格嚴(yán)重失配使氮化鎵與硅之間出現(xiàn)高的位錯(cuò)密度，從而影響材料的晶體質(zhì)量。
[0005]中國專利公開號(hào)CN104733511A公開了一種在硅襯底上生長(zhǎng)的氮化鎵外延結(jié)構(gòu)，包括硅襯底，該硅襯底上從下至上依次生長(zhǎng)有A1N成核層，漸變AlXGal-XN緩沖層，周期性GaN/AlGaN超晶格插入層，氮化鎵層。本發(fā)明提供的這種氮化鎵外延結(jié)構(gòu)能夠有效的阻止Si原子從襯底層擴(kuò)散到GaN層中，減少了氮化鎵外延層中的位錯(cuò)等缺陷密度，提高了半絕緣GaN的晶體質(zhì)量和表面形貌，優(yōu)化了生長(zhǎng)工藝，降低了生長(zhǎng)成本，提高了產(chǎn)品的良率。
[0006]中國專利公開號(hào)CN101515543公開了在硅襯底上生長(zhǎng)的氮化鎵薄膜結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，采用金屬有機(jī)氣相法，在硅襯底上生長(zhǎng)一層鋁后生長(zhǎng)一層氮化鋁成核層，在該氮化鋁成核層上生長(zhǎng)鋁和氮化鋁的超晶格，在超晶格上生長(zhǎng)氮化鎵層。利用本發(fā)明方法可以緩解來自硅襯底的拉應(yīng)力，減少表面裂紋密度，抑制氮化鎵外延薄膜中的為錯(cuò)密度，提高氮化鎵薄膜的晶體質(zhì)量。
[0007]綜上所述，在硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵薄膜的方法經(jīng)常采用超晶格緩沖層或鋁組分漸變的鋁鎵氮緩沖層，消除應(yīng)力和阻擋穿透位錯(cuò)為了制備高質(zhì)量的氮化鎵晶體。目前主要采用A1N超晶格層緩沖層的方法也有存在的問題，由于直接在Si襯底上生長(zhǎng)超晶格比較困難，這樣超晶格緩沖層的作用也比較微弱，也不能在很大程度上阻止Si原子以及Ga原子的擴(kuò)散。因此，對(duì)于消除氮化鎵薄膜表面裂紋的效果并不明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對(duì)上述問題，提出一種利用涂層硅襯底生長(zhǎng)氮化鎵晶體的方法。該涂層硅襯底由硅基底和摻雜氮化硼薄片通過高壓熱處理鍵合在一起，其中摻雜氮化硼薄片是由鋁和高熔點(diǎn)金屬摻雜六方晶系氮化硼納米片組成，通過同向嚙合螺桿擠出機(jī)的反應(yīng)，使鋁離子和高熔點(diǎn)金屬離子均勻插入到氮化硼的層狀結(jié)構(gòu)中。本發(fā)明采用硅襯底作為基底，同時(shí)覆蓋一層摻雜的氮化硼薄片，改善硅襯底的表面結(jié)構(gòu)特性，解決了普通硅襯底用于生長(zhǎng)氮化鎵晶體存在的晶格不匹配及熱失配等問題，緩解應(yīng)力，無裂紋產(chǎn)生，從而降低了現(xiàn)有氮化鎵基半導(dǎo)體生長(zhǎng)襯底的成本，同時(shí)提高了其后續(xù)生長(zhǎng)的氮化鎵晶體的質(zhì)量。采用本發(fā)明的涂層硅襯底制備的氮化鎵晶體形貌較好、晶型規(guī)則、不易斷裂，有較好的應(yīng)用前景。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種利用涂層硅襯底生長(zhǎng)氮化鎵晶體的方法，其特征在于包括以下步驟:
⑴將氮化硼、A1(0H)3粉、高熔點(diǎn)金屬鹽按質(zhì)量比為1:0.卜0.3:0.01?0.05混合加入到行星球磨機(jī)中研磨10?15min，過20?100目篩；
(2)將步驟(1)中的研磨混合物放入攪拌反應(yīng)釜中，加入乙醇和水按體積比為1:0.5?1的混合液，配成質(zhì)量濃度為60?80%分散液，加入分散劑，以1000?5000rpm的速度混合攪拌分散20?40min，得到混合漿料；
(3)將步驟(2)中得到的漿料栗入同向嚙合螺桿擠出機(jī)加料口中，設(shè)置分散螺紋元件段反應(yīng)溫度為120?140°C，反應(yīng)10?20min，漿料通過分散螺紋元件，使鋁離子和高熔點(diǎn)金屬離子均勻插入到氮化硼的層狀結(jié)構(gòu)中；通過輔料口加入熱塑性樹脂膠黏劑，然后通過混煉螺紋元件，設(shè)置該段反應(yīng)溫度為300?400°C，混煉反應(yīng)10?15min，然后通過擠壓形成摻雜氮化硼薄片；
(4)將步驟(3)中的摻雜氮化硼薄片置于已經(jīng)進(jìn)行表面清理的硅基底上，之后進(jìn)行裝套，密封，進(jìn)行超高壓熱處理，溫度范圍為400?800°C、壓力為2?8GPa下，保溫1?15min，即將摻雜氮化硼薄片與硅基底鍵合在一起，冷卻即得生長(zhǎng)氮化鎵晶體的涂層硅襯底；
(5)將制備好的涂層硅襯底放入氫化物氣相外延系統(tǒng)中進(jìn)行GaN晶體外延生長(zhǎng)。
[0010]上述步驟(1)中所述的氮化硼為六方晶系氮化硼納米片;所述的高熔點(diǎn)金屬為釩、鉬、鋯、鎢、鉭、鈮中的至少一種。
[0011]上述步驟(2)中所述的分散劑為酯化淀粉、聚乙二醇、油酸銨、聚乙烯亞胺、聚苯乙烯磺酸鈉中的至少一種，分散劑的用量為研磨混合物總質(zhì)量的1?10%。
[0012]上述步驟(3)中所述的熱塑性樹脂膠黏劑為聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯共聚樹月旨、過氯乙烯樹脂、聚丙烯酸酯和聚酰胺中的至少一種，其中熱塑性樹脂膠黏劑的用量為混合漿料總量的1~5%。
[0013]本發(fā)明一種利用涂層硅襯底生長(zhǎng)氮化鎵晶體的方法，該涂層硅襯底由硅基底和摻雜氮化硼薄片通過高壓熱處理鍵合在一起，其中摻雜氮化硼薄片是由鋁和高熔點(diǎn)金屬摻雜六方晶系氮化硼納米片組成，通過同向嚙合螺桿擠出機(jī)的反應(yīng)，使鋁離子和高熔點(diǎn)金屬離子均勻插入到氮化硼的層狀結(jié)構(gòu)中，在生長(zhǎng)氮化鎵晶體的同時(shí)插層在氮化硼中的鋁反應(yīng)生成一層緩沖層氮化鋁，使硅襯底上形成一層氮化硼/氮化鋁/氮化硼的結(jié)構(gòu)，其中氮化鋁可以作為成核層，提供氫化物氣相外延階段的成核和生長(zhǎng)，而氮化硼層可以作為緩沖層，改善硅襯底的晶格失配應(yīng)力及熱失配應(yīng)力，有效的阻止Si原子從襯底層擴(kuò)散到GaN層中，減少了氮化鎵外延層中的位錯(cuò)等缺陷密度，氮化鎵晶體質(zhì)量有明顯的提高。
[0014]本發(fā)明一種利用涂層硅襯底生長(zhǎng)氮化鎵晶體的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比突出的特點(diǎn)和有益的效果在于:
1、本發(fā)明一種利用涂層硅襯底生長(zhǎng)氮化鎵晶體的方法，通過在硅襯底上覆蓋一層摻雜氮化硼片層，插層在氮化硼中的鋁在生長(zhǎng)氮化鎵晶體時(shí)生成氮化鋁緩沖層，緩解了來自硅襯底的拉應(yīng)力，減少表面裂紋密度;硅襯底上的氮化硼能夠有效的阻止Si原子從襯底層擴(kuò)散到GaN層中，減少了氮化鎵外延層中的位錯(cuò)等缺陷密度，GaN晶體質(zhì)量有明顯的提高。
[0015]2、采用本發(fā)明的方法制備的氮化鎵晶體形貌較好、晶型規(guī)則、不易斷裂、無裂紋，有較好的應(yīng)用前景。
[0016]3、本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜昂貴的儀器設(shè)備，成本低廉，且生長(zhǎng)溫度低，適合于批量生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并不限制于本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段做出的各種替換或改進(jìn)，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0018]實(shí)施例1
(1)將氮化硼、A1(0H)3粉、金屬銀鹽按質(zhì)量比為1:0.1:0.05混合加入到行星球磨機(jī)中研磨 10~15min，過20~100 目篩；
(2)將步驟(1)中的研磨混合物放入攪拌反應(yīng)釜中，加入乙醇和水按體積比為1:0.5?1的混合液，配成質(zhì)量濃度為60?80%分散液，加入酯化淀粉，以1000?5000rpm的速度混合攪拌分散20?40min，得到混合漿料；
(3)將步驟(2)中得到的漿料栗入同向嚙合螺桿擠出機(jī)加料口中，設(shè)置分散螺紋元件段反應(yīng)溫度為120?140°C，反應(yīng)10?20min，漿料通過分散螺紋元件，使鋁離子和高熔點(diǎn)金屬離子均勻插入到氮化硼的層狀結(jié)構(gòu)中；通過輔料口加入聚乙酸乙烯酯，然后通過混煉螺紋元件，設(shè)置該段反應(yīng)溫度為300?400°C，混煉反應(yīng)10?15min，然后通過擠壓形成摻雜氮化硼薄片;
(4)將步驟(3)中的摻雜氮化硼薄片置于已經(jīng)進(jìn)行表面清理的硅基底上，之后進(jìn)行裝套，密封，進(jìn)行超高壓熱處理，溫度范圍為40