本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料，尤其涉及一種包含大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)的硅襯底氮化鎵晶片及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、硅(si)單晶襯底具有大尺寸單晶、價(jià)格低廉、器件工藝成熟及易于系統(tǒng)集成，近年來又已發(fā)展成為化合物半導(dǎo)體材料和器件制備生產(chǎn)的主流單晶襯底材料之一。特別是，隨著硅(si)襯底氮化鎵(gan)單晶薄膜材料外延生長技術(shù)進(jìn)步，材料尺寸由2英寸擴(kuò)大到8英寸，無裂紋厚度由不到2微米提升到3微米(μm)乃至5微米(μm)以上，位錯(cuò)密度由1010cm-2以上降到與藍(lán)寶石圖形襯底相當(dāng)?shù)乃?不高于5×108cm-2)，并在發(fā)光二極管器件和低壓功率電子器件(耐壓不高于650v)領(lǐng)域開始應(yīng)用推廣，由此推動(dòng)了led半導(dǎo)體照明、mini?led顯示、micro-led顯示及消費(fèi)類電子產(chǎn)品手機(jī)快充等技術(shù)的發(fā)展。但是，由于硅(si)具有立方金剛石晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為0.5341nm，si(111)晶面的面內(nèi)晶格常數(shù)為0.383nm、面內(nèi)熱膨脹系數(shù)為3.59×10-6k-1；氮化鎵(gan)具有六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a＝0.31885nm、c＝0.5185nm，a軸熱膨脹系數(shù)為5.59×10-6k-1、c軸熱膨脹系數(shù)為3.17×10-6k-1。在硅(si)單晶襯底上制備生長氮化鎵(gan)外延層不僅存在非常大的晶格失配(失配度-16.9％)和熱失配(失配度56％)，還存在比較嚴(yán)重的界面反應(yīng)和界面成分互擴(kuò)散問題。如硅(si)襯底表面先與氮(n)源接觸，硅(si)表面氮(n)化形成非晶氮化硅(sixny)，氮化鎵(gan)在非晶氮化硅(sixny)上難以成核，成核密度低常出現(xiàn)大的氮化鎵(gan)顆粒狀多晶生長；如硅(si)襯底表面先與鎵(ga)源接觸，金屬鎵(ga)液滴會(huì)回熔腐蝕硅(si)襯底表面形成硅鎵合金(sixgay)不規(guī)則起伏表面，硅(si)襯底表面被破壞也難以實(shí)現(xiàn)氮化鎵(gan)薄膜表面平整單晶生長。此外，如在高溫(如高于1000℃)低壓下制備生長，硅(si)表面易分解產(chǎn)生大量硅(si)原子，其向氮化鎵(gang)外延層中高濃度擴(kuò)散，既會(huì)對氮化鎵(gan)外延層形成摻雜濃度不可控的n型重?fù)诫s，如沿線位錯(cuò)向上擴(kuò)散還會(huì)形成硅(si)斑和漏電通道，更難以提升硅(si)襯底氮化鎵(gan)功率電子器件的耐壓性能。

2、為克服硅(si)襯底上制備常出現(xiàn)的上述大失配異質(zhì)外延技術(shù)問題，目前常采用生長溫度1000℃以上的高溫mocvd工藝，在硅單晶襯底上依次制備包含氮化鋁(aln)單晶薄膜阻擋層緩沖層、多層鋁鎵氮(algan)單晶薄膜組分漸變緩沖層或多層插入層(如低溫氮化鋁(aln)插入層或氮化鋁/氮化鎵(aln/gan)超晶格)的大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)，再制備無裂紋的氮化鎵單晶薄膜質(zhì)量提升層(無裂紋厚度至少2μm、位錯(cuò)密度不高于1×1010cm-2)。其中，氮化鋁(aln)具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a＝0.3112nm，c＝0.4882nm；a軸熱膨脹系數(shù)為4.15×10-6k-1、c軸熱膨脹系數(shù)為5.27×10-6k-1。盡管氮化鋁(aln)的c面晶格常數(shù)比c面氮化鎵(gan)和si(111)晶面的晶格常數(shù)都小，但仍存在較大晶格失配。且為能夠起到更好的阻擋硅(si)襯底表面分解產(chǎn)生的硅(si)原子向氮化鎵(gan)外延層中高濃度擴(kuò)散問題，氮化鋁單晶薄膜阻擋層緩沖層的厚度至少達(dá)到100nm方能起到較好的阻擋硅(si)擴(kuò)散效果。氮化鋁(aln)厚度的增加反而降低其協(xié)調(diào)晶格失配應(yīng)力效果，這也是目前仍難以進(jìn)一步降低硅(si)襯底氮化鎵(gan)位錯(cuò)密度的原因之一。而氮化鋁(aln)的c面面內(nèi)熱膨脹系數(shù)介于si(111)晶面和c面氮化鎵之間。因此，只能部分分擔(dān)大幅度降溫因硅(si)襯底與氮化鎵(gan)外延層之間存在大的熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。這導(dǎo)致硅(si)襯底尺寸越大，氮化鎵(gan)外延層無裂紋厚度越小。這也是目前6英寸硅(si)襯底氮化鎵(gan)外延層的無裂紋厚度很難提升到5μm以上及8英寸硅(si)襯底氮化鎵(gan)外延層的無裂紋厚度難以提升到3μm以上的原因之一。如要進(jìn)一步提升硅(si)襯底氮化鎵(gan)外延層無裂紋厚度，不得不提升多層鋁鎵氮(algan)單晶薄膜組分漸變緩沖層的厚度或?qū)訑?shù)，這又會(huì)極大降低材料制備效率而增加材料制備生產(chǎn)成本。此外，由于利用高溫金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(mocvd)工藝制備的高溫氮化鋁(aln)單晶薄膜阻擋層緩沖層及多層鋁鎵氮(algan)單晶薄膜組分漸變緩沖層與應(yīng)力調(diào)控層的結(jié)晶質(zhì)量仍比較差且存在高密度晶界和線位錯(cuò)，硅(si)單晶襯底表面高溫分解的硅(si)原子還可能會(huì)由這些通道擴(kuò)散進(jìn)入到后續(xù)制備生長的器件結(jié)構(gòu)層中，這也是目前難以實(shí)現(xiàn)耐壓650v以上硅(si)襯底氮化鎵(gan)功率電子器件耐壓性能提升及高成品率量產(chǎn)的原因之一。

3、因此，如要更有效阻擋硅(si)擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)硅(si)襯底氮化鎵(gan)外延材料質(zhì)量、無裂紋厚度、材料制備效率進(jìn)一步提升及低應(yīng)力高結(jié)晶質(zhì)量制備，還需要設(shè)計(jì)制備新的應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)，以更有效地克服硅(si)襯底氮化鎵(gan)大失配異質(zhì)外延技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的硅襯底氮化鎵制備所設(shè)計(jì)的大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)難以更有效阻擋硅擴(kuò)散，難以實(shí)現(xiàn)硅襯底氮化鎵材料結(jié)晶質(zhì)量、無裂紋厚度、材料制備效率進(jìn)一步提升及低應(yīng)力高結(jié)晶質(zhì)量制備，旨在提供一種包含大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)的硅襯底氮化鎵晶片。

2、為了解決上述問題，本發(fā)明提出以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種包含大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)的硅襯底氮化鎵晶片，包括：

4、一厚度300-2000μm的硅單晶襯底；

5、一厚度50-100nm的氮化鋁非晶薄膜阻擋層，設(shè)于所述硅單晶襯底上；

6、一厚度20-50nm的超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層，設(shè)于所述氮化鋁非晶薄膜阻擋層上；

7、一厚度200-500nm的氮化鋁單晶薄膜成核層模板層，設(shè)于所述超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層上；

8、一厚度不低于3μm的氮化鎵單晶薄膜質(zhì)量提升層，設(shè)于所述氮化鋁單晶薄膜成核層模板層上。

9、可以理解地，本發(fā)明的包含大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)的硅襯底氮化鎵晶片中，大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)是由硅單晶襯底、氮化鋁非晶薄膜阻擋層、超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層、氮化鋁單晶薄膜成核層模板層依次疊加構(gòu)成；氮化鎵單晶薄膜質(zhì)量提升層位于氮化鋁單晶薄膜成核層模板層上。

10、進(jìn)一步地，所述硅單晶襯底的尺寸包括但不限于直徑1英寸、2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸。

11、進(jìn)一步地，所述氮化鎵單晶薄膜質(zhì)量提升層無裂紋且位錯(cuò)密度不高于5×108cm-2。

12、進(jìn)一步地，所述超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層的孔隙度為15-85％。

13、進(jìn)一步地，所述氮化鋁單晶薄膜成核層模板層的位錯(cuò)密度不高于1×108cm-2且表面粗糙度不高于1.0nm。

14、第二方面，本發(fā)明提供一種制備第一方面所述的包含大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)的硅襯底氮化鎵晶片方法，包括以下步驟：

15、s1、準(zhǔn)備一硅單晶襯底，對所述硅單晶襯底表面進(jìn)行高真空高溫烘烤處理以去除表面殘存氧化層和吸附的雜質(zhì)；

16、s2、在所述硅單晶襯底上形成氮化鋁非晶薄膜阻擋層；

17、s3、在所述氮化鋁非晶薄膜阻擋層上形成具有c向單一擇優(yōu)取向的超薄鋅鋁氧多晶薄膜層；

18、s4、在所述具有c向單一擇優(yōu)取向的超薄鋅鋁氧多晶薄膜層上形成具有c向單一擇優(yōu)取向的氮化鋁多晶薄膜層；

19、s5、在氫氣氣氛下，對具有c向單一擇優(yōu)取向的超薄鋅鋁氧多晶薄膜層進(jìn)行高溫高真空退火處理，使超薄鋅鋁氧多晶薄膜層中的鋅組分分解，并由具有c向單一擇優(yōu)取向的氮化鋁多晶薄膜層的晶界間隙析出，得到所述超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層；

20、s6、在氨氣氣氛下，對具有c向單一擇優(yōu)取向的氮化鋁多晶薄膜層進(jìn)行高溫高真空退火處理，使所述氮化鋁多晶薄膜層重結(jié)晶，得到所述氮化鋁單晶薄膜成核層模板層；

21、s7、在包含硅單晶襯底、氮化鋁非晶薄膜阻擋層、超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層及氮化鋁單晶薄膜成核層模板層的大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)上形成氮化鎵單晶薄膜質(zhì)量提升層，得到包含大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)的硅襯底氮化鎵晶片。

22、進(jìn)一步地，所述步驟s5中，氫氣氣氛下高溫高真空退火的條件為：退火溫度700-900℃，氫氣氣氛壓力50-100pa，高溫高真空退火時(shí)間0.5-5.0小時(shí)。

23、進(jìn)一步地，所述步驟s6中，氨氣氣氛下高溫高真空退火的條件為：退火溫度900-1100℃，氨氣氣氛壓力5-50pa，高溫高真空退火時(shí)間1.0-10.0小時(shí)。

24、進(jìn)一步地，所述超薄鋅鋁氧多晶薄膜層中的鋅組分的原子百分比濃度為15-85％。

25、進(jìn)一步地，所述方法制得的包含大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)的硅襯底氮化鎵晶片應(yīng)用于制備氮化鎵功率電子器件、氮化鎵微波射頻器件、氮化鎵發(fā)光二極管器件、氮化鎵激光二極管器件、氮化鎵紫外探測器器件。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所能達(dá)到的技術(shù)效果包括：

27、本發(fā)明提供的包含大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)的硅襯底氮化鎵晶片由硅襯底、氮化鋁非晶薄膜阻擋層、超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層、氮化鋁(aln)單晶薄膜成核層模板層及氮化鎵(gan)單晶薄膜質(zhì)量提升層依次疊加構(gòu)成。其中，氮化鋁非晶薄膜阻擋層的晶粒尺寸小膜層非常致密，相比常規(guī)作為阻擋層和緩沖層的多晶或結(jié)晶質(zhì)量差氮化鋁單晶薄膜材料，具有更好地阻擋硅襯底表面高溫分解硅原子熱擴(kuò)散進(jìn)入氮化鎵外延層的效果；超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層具有比硅單晶襯底和氮化鎵外延層更大的熱膨脹系數(shù)，能夠更好地將大幅度降溫過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力先轉(zhuǎn)移到該超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層中釋放，且不受硅單晶襯底尺寸擴(kuò)大影響；本發(fā)明的氮化鋁(aln)單晶薄膜成核層模板層具有比常規(guī)氮化鋁(aln)單晶薄膜阻擋層緩沖層及多層鋁鎵氮(algan)單晶薄膜組分漸變緩沖層更高的結(jié)晶質(zhì)量，不僅能提供結(jié)晶質(zhì)量更好的單晶薄膜模板，且更利于氮化鎵高密度成核生長，能夠更高更有效降低其上外延生長的氮化鎵單晶薄膜質(zhì)量提升層的晶格失配應(yīng)力和位錯(cuò)密度，從而具有更高的結(jié)晶質(zhì)量；通過調(diào)控超薄氧化鋁弱鍵合解耦合層的厚度和孔隙度，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)氮化鎵(gan)單晶薄膜質(zhì)量提升層的大失配應(yīng)力和位錯(cuò)密度更大幅度降低，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)氮化鎵(gan)單晶薄膜質(zhì)量提升層無裂紋厚度與成品率的大幅度提升。

28、進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明所述的包含大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)的硅襯底氮化鎵晶片制備方法，所述的超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層是由含有鋅組分的超薄鋅鋁氧氧化物膜層經(jīng)氫氣氣氛下高溫高真空退火工藝處理使鋅組分完全熱分解析出而形成。其中，高鋅組分含量的鋅鋁氧薄膜材料具有強(qiáng)極性，即使在非晶基底表面上也會(huì)易于實(shí)現(xiàn)柱狀晶排列的六方晶體結(jié)構(gòu)c軸單一擇優(yōu)取向多晶生長。再以六方晶體結(jié)構(gòu)c軸單一擇優(yōu)取向生長的超薄鋅鋁氧多晶膜為模板還可實(shí)現(xiàn)同樣具有六方晶體結(jié)構(gòu)的氮化鋁柱狀晶排列c軸單一擇優(yōu)取向多晶生長。而經(jīng)氫氣氛下高溫高真空退火處理，超薄鋅鋁氧膜層中中的鋅組分會(huì)分解完全析出，從而形成超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層。超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層可實(shí)現(xiàn)其上的氮化鋁多晶薄膜成核層模板層與底部硅襯底及氮化鋁非晶薄膜阻擋層之間的弱鍵合與解耦合；弱鍵合解耦合且具有c軸單一擇優(yōu)取向的氮化鋁多晶薄膜成核層再經(jīng)氨氣氛下的高溫高真空退火處理，僅需在900-1100℃條件下的高溫高真空退火處理，就可實(shí)現(xiàn)氮化鋁多晶薄膜成核層模板層中的晶粒融合與合并，進(jìn)而重結(jié)晶形成結(jié)晶質(zhì)量更高的氮化鋁單晶薄膜成核層模板層，比常規(guī)藍(lán)寶石氮化鋁多晶薄膜的重結(jié)晶溫度(1400-1600℃)更低。

29、進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的硅襯底氮化鎵大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)的晶片的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)硅襯底氮化鎵大失配應(yīng)力調(diào)控，基于柔性襯底的“無支撐襯底”模型設(shè)計(jì)，相比已有的柔性襯底制備技術(shù)，如犧牲層鍵合技術(shù)、離子注入埋層技術(shù)及少層二維材料技術(shù)等的弱鍵合解耦合效果難以控制，可通過調(diào)控超薄鋅鋁氧多晶薄膜層中的鋅組分濃度和層厚，實(shí)現(xiàn)高溫高真空退火后超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層中的孔隙大小和孔隙密度調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其上氮化鋁單晶薄膜成核層模板層的弱鍵合解耦合效果調(diào)控。不同尺寸硅單晶襯底上設(shè)計(jì)制備具有不同厚度和具有不同孔隙大小與密度的超薄多孔氧化鋁弱鍵合解耦合層，不僅可實(shí)現(xiàn)其上薄氮化鋁成核層模板層的結(jié)晶質(zhì)量提升，還可實(shí)現(xiàn)后續(xù)外延生長的較厚氮化鎵單晶薄膜質(zhì)量提升層的應(yīng)力和位錯(cuò)密度大幅度降低及無裂紋厚度大幅度提升。