本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料，尤其涉及一種硅襯底氮化鎵半導(dǎo)體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。利用硅單晶襯底來(lái)制備生長(zhǎng)氮化鎵(gan)會(huì)存在比較大的晶格失配(失配度-16.9％)和熱失配(失配度56％)，且界面反應(yīng)和界面成分互擴(kuò)散問(wèn)題也非常突出。特別是采用常規(guī)高溫(如高于1000℃)低壓金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(mocvd)工藝制備生長(zhǎng)，硅(si)襯底表面高溫分解產(chǎn)生的大量硅(si)原子擴(kuò)散進(jìn)入氮化鎵(gan)外延層造成摻雜濃度不可控的n型重?fù)诫s，沿線位錯(cuò)向上擴(kuò)散還會(huì)形成硅(si)斑和漏電通道，致使硅(si)襯底氮化鎵(gan)功率電子器件耐壓性能難提高。為克服硅(si)襯底氮化鎵(gan)制備典型的大失配異質(zhì)外延問(wèn)題，在大尺寸硅單晶襯底上，通常先制備包含至少100nm厚的氮化鋁(aln)單晶薄膜作為阻擋層和緩沖層，再插入多層鋁鎵氮(algan)單晶薄膜或多周期氮化鋁/氮化鎵(aln/gan)超晶格，構(gòu)成大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)，調(diào)控大失配應(yīng)力和抑制線位錯(cuò)向上延伸，但仍很難將氮化鎵(gan)單晶薄膜質(zhì)量提升層的無(wú)裂紋厚度提升至5μm以上、位錯(cuò)密度降至1×108cm-2以下。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。常用氮化鋁(aln)單晶薄膜作為阻擋層，由于氮化鋁單晶薄膜中仍存在大量晶界和線位錯(cuò)，阻擋硅(si)擴(kuò)散的效果有限，而且引入的多層薄鋁鎵氮(algan)或多周期aln/gan超晶格調(diào)控大失配應(yīng)力效果會(huì)因硅(si)襯底尺寸擴(kuò)大而減弱，硅(si)襯底尺寸越大氮化鎵(gan)外延層無(wú)裂紋厚度越小，不得不大幅度增加鋁鎵氮(algan)的厚度或多周期aln/gan超晶格的周期數(shù)，這又極大降低大尺寸硅襯底氮化鎵外延片材料制備生長(zhǎng)效率。這也是目前6英寸和8英寸硅襯底氮化鎵(gan)外延層的無(wú)裂紋厚度很難提升到5μm以上及產(chǎn)能難以提升的原因之一。因此，有必要設(shè)計(jì)新的硅(si)襯底氮化鎵(gan)大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)以更有效阻擋硅擴(kuò)散及實(shí)現(xiàn)硅襯底氮化鎵(gan)外延材料的結(jié)晶質(zhì)量、無(wú)裂紋厚度及材料制備效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是硅襯底氮化鎵材料制備生長(zhǎng)中存在大失配應(yīng)力難以有效調(diào)控，難以進(jìn)一步提升硅襯底氮化鎵材料結(jié)晶質(zhì)量、無(wú)裂紋厚度及材料制備效率，為更有效阻擋硅擴(kuò)散及降低大失配應(yīng)力對(duì)材料制備生長(zhǎng)質(zhì)量的影響，提供一種包含大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)的硅襯底氮化鎵半導(dǎo)體晶片。

2、為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種硅襯底氮化鎵半導(dǎo)體晶片，包括：

4、一厚度500-1000μm的硅單晶襯底；

5、一厚度200-500nm的具有3c-sic結(jié)構(gòu)的碳化硅單晶薄膜阻擋層，設(shè)于所述硅單晶襯底上；

6、一厚度10-30nm的超薄多孔氮化鈦弱鍵合解耦合層，設(shè)于所述碳化硅單晶薄膜阻擋層上；

7、一厚度500-1000nm的氮化鋁單晶薄膜成核層模板層，設(shè)于所述超薄多孔氮化鈦弱鍵合解耦合層上；

8、一厚度不低于5μm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)明的硅襯底氮化鎵半導(dǎo)體晶片中，在硅單晶襯底和氮化鎵外延層之間增加大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)，通過(guò)該大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)以阻擋硅擴(kuò)散及降低大失配應(yīng)力對(duì)材料制備生長(zhǎng)質(zhì)量的影響。本發(fā)明中，大失配應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)是由碳化硅單晶薄膜阻擋層、超薄多孔氮化鈦弱鍵合解耦合層、氮化鋁單晶薄膜成核層模板層依次疊加構(gòu)成。

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、所述氮化鎵單晶薄膜質(zhì)量提升層無(wú)裂紋且位錯(cuò)密度不高于1×108cm-2。

12、進(jìn)一步地，所述超薄多孔氮化鈦弱鍵合解耦合層的孔隙度為35-75％。

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1×107cm-2且表面粗糙度不高于0.5nm。

14、第二方面，本發(fā)明提供一種制備第一方面所述的硅襯底氮化鎵半導(dǎo)體晶片的方法，包括以下步驟：

15、s1、準(zhǔn)備一硅單晶襯底，對(duì)所述硅單晶襯底進(jìn)行表面高溫高真空烘烤，以去除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具有3c-sic結(jié)構(gòu)的碳化硅單晶薄膜阻擋層；

17、s3、在所述碳化硅單晶薄膜阻擋層上形成具有c向單一擇優(yōu)取向的超薄銦鈦氮單晶薄膜層；

18、s4、在所述具有c向單一擇優(yōu)取向的超薄銦鈦氮單晶薄膜層形成具有c向單一擇優(yōu)取向的氮化鋁單晶薄膜層；

19、s5、在氫氣氣氛下進(jìn)行高溫高真空退火，以使所述超薄銦鈦氮單晶薄膜層中的銦組分完全熱分解由所述c向單一擇優(yōu)取向的氮化鋁單晶薄膜層中的晶粒間隙析出，得到所述超薄多孔氮化鈦弱鍵合解耦合層；

20、s6、在氨氣氣氛下進(jìn)行高溫高真空退火，所述具有c向單一擇優(yōu)取向的氮化鋁單晶薄膜層中的晶粒融合合并重結(jié)晶，得到所述氮化鋁單晶薄膜成核層模板層；

21、s7、在所述氮化鋁單晶薄膜成核層模板層上形成氮化鎵單晶薄膜質(zhì)量提升層。

22、進(jìn)一步地，所述步驟s5中，氫氣氣氛下進(jìn)行高溫高真空退火的條件為：氫氣氣氛壓力30-50pa，退火溫度650-850℃，高溫高真退火1.0-3.0小時(shí)。

23、進(jìn)一步地，所述步驟s6中，氨氣氣氛下進(jìn)行高溫高真空退火條件為：氨氣氣氛壓力50-100pa，退火溫度1000-1200℃，高溫高真空退火1.0-5.0小時(shí)。

24、本發(fā)明還提供所述的硅襯底氮化鎵半導(dǎo)體晶片，或者所述方法制得的硅襯底氮化鎵半導(dǎo)體晶片可應(yīng)用于研制生產(chǎn)氮化鎵基功率電子器件、氮化鎵基微波射頻器件、氮化鎵基發(fā)光二極管器件、氮化鎵基激光二極管器件、氮化鎵基紫外探測(cè)器件。

25、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：

26、本發(fā)明提供的硅襯底氮化鎵半導(dǎo)體晶片由硅單晶襯底、碳化硅(3c-sic)單晶薄膜阻擋層、超薄多孔氮化鈦(tin)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，具有3c-sic結(jié)構(gòu)的碳化硅單晶薄膜阻擋層相比常規(guī)氮化鋁(aln)單晶薄膜阻擋層的膜層更致密，可更好地阻擋硅(si)襯底表面因高溫分解產(chǎn)生的硅(si)原子熱擴(kuò)散進(jìn)入氮化鎵(gan)外延層，并為后續(xù)其他結(jié)構(gòu)層的單晶制備生長(zhǎng)提供良好模板；氮化鈦(tin)的a軸熱膨脹系數(shù)為9.5×10-6k-1，比硅(si)、氮化鎵(gan)、氮化鋁(aln)及氧化鋁(al2o3)都大，本發(fā)明的超薄多孔氮化鈦弱鍵合解耦合層能更有效地協(xié)調(diào)大幅度降溫過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，且不受硅(si)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，還能更有效降低氮化鎵(gan)單晶薄膜質(zhì)量提升層的晶格失配應(yīng)力和位錯(cuò)密度；通過(guò)調(diào)控超薄多孔氮化鈦(tin)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(wú)裂紋厚度與成品率的大幅度提升。

27、進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明所述的硅襯底氮化鎵半導(dǎo)體晶片的制備方法，所述的超薄多孔氮化鈦(tin)弱鍵合解耦合層是由含有銦(in)組分的銦鈦氮(intin)超薄單晶層經(jīng)氫氣氣氛下高溫高真空退火工藝處理使銦(in)組分完全熱分解析出而形成。其中，高含量銦(in)組分的銦鈦氮(intin)單晶薄膜材料具有強(qiáng)極性，在碳化硅(3c-sic)單晶薄膜阻擋層表面易于實(shí)現(xiàn)晶粒規(guī)則排列的六方晶體結(jié)構(gòu)c軸單一擇優(yōu)取向單晶生長(zhǎng)。再以六方晶體結(jié)構(gòu)c軸單一擇優(yōu)取向單晶生長(zhǎng)的超薄銦鈦氮(intin)層為模板，還可實(shí)現(xiàn)同樣具有六方晶體結(jié)構(gòu)的氮化鋁(aln)晶粒規(guī)則排列c軸單一擇優(yōu)取向單晶生長(zhǎng)。而經(jīng)氫氣氛下高溫高真空退火處理，超薄銦鈦氮(intin)單晶層中的銦(in)組分會(huì)完全分解并沿上層氮化鋁(aln)單晶薄膜層的晶粒間隙析出，從而形成超薄多孔氮化鈦(tin)弱鍵合解耦合層。而超薄多孔氮化鈦(tin)弱鍵合解耦合層又可實(shí)現(xiàn)其上的氮化鋁(aln)單晶薄膜成核層模板層與底部的硅(si)襯底及碳化硅(3c-sic)單晶薄膜阻擋層之間的弱鍵合與解耦合；弱鍵合解耦合的氮化鋁(aln)單晶薄膜成核層模板層再經(jīng)氨氣氛下的高溫高真空退火處理，僅需在1000-1200℃高溫高真空退火處理就可實(shí)現(xiàn)氮化鋁(aln)單晶薄膜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(aln)單晶薄膜成核層模板層，比常規(guī)藍(lán)寶石襯底氮化鋁薄膜的重結(jié)晶溫度(1400-1600℃)更低。

28、進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的硅襯底氮化鎵半導(dǎo)體晶片的結(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(wú)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(guò)調(diào)控超薄銦鈦氮(intin)膜中的銦(in)組分濃度和層厚實(shí)現(xiàn)高溫高真空退火后膜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(aln)單晶薄膜成核層模板層的弱鍵合解耦合的效果調(diào)控。在不同尺寸硅(si)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氮化鈦(tin)弱鍵合解耦合層，既可實(shí)現(xiàn)其上氮化鋁(aln)單晶薄膜成核層模板層結(jié)晶質(zhì)量更大幅度提升，還可實(shí)現(xiàn)后續(xù)外延生長(zhǎng)的較厚薄氮化鎵(gan)單晶薄膜質(zhì)量提升層的應(yīng)力和位錯(cuò)密度更大幅度降低及無(wú)裂紋厚度和材料制備生長(zhǎng)效率更大幅度提升。