[实用新型]碳化硅基复合衬底

说明书

技术领域

本实用新型涉及用于半导体材料外延生长的衬底，更具体地，涉及一种用于制备氮化物半导体外延材料的碳化硅基复合衬底。

背景技术

氮化物半导体，尤其是氮化镓(GaN)，是制备应用于半导体照明和显示器背光领域的发光二极管(LED)器件的核心材料。由于缺少同质体单晶材料，GaN材料的器件应用通常在异质基底上进行，比较常用的有蓝宝石(a-Al₂O₃)、碳化硅(6H-SiC)、硅(Si)等。随着近年来国内外SiC单晶材料制备技术的进步，SiC单晶基底的价格逐渐降低，这为降低SiC基底上制备氮化镓LED外延片材料的生产成本创造了条件。但SiC基底与GaN材料在晶格常数和热膨胀系数都存在较大差异，由此会遇到两方面的问题：(1)晶格失配问题：因GaN的晶格常数(a＝0.3189nm，c＝0.5185nm)和6H-SiC的晶格常数(a＝0.3073nm，c＝1.0053nm)不同，3.77％的晶格失配度致使在GaN外延层外延生长初期会产生非常大的晶格失配应力，当生长的GaN外延层的厚度超过某一临界厚度(几nm到几百nm厚，具体视引入的中间层情况而定)后，积聚在GaN外延层中的这种大晶格失配应力就会以在界面处产生位错和缺陷的形式释放，这将造成GaN外延层结晶质量的恶化进而降低后续LED器件结构的性能；(2)热失配问题：因GaN的热膨胀系数(a：5.59×10^-6K)和6H-SiC的热膨胀系数(a：3.54×10^-6K)也存在较大差异，这致使GaN外延层或LED器件结构从很高的生长温度(如800～1100℃)降到室温的过程中会积聚非常大的热应力，这种热应力对GaN外延层而言是一种张应力进而易造成GaN外延层材料产生龟裂或弯曲。采用积聚较大热张应力和有裂纹或弯曲的GaN外延层材料制备LED器件，势必影响LED器件性能和良品率的提高。目前转移和协调释放SiC基底上制备的GaN外延层材料的失配应力的常用方法有：应力协变层(包括缓冲层、柔性层、插入层等)和图形衬底。现有的应力协变层，如低温GaN缓冲层、AlN缓冲层、AlGaN组分渐变缓冲层、薄InAlGaN柔性层等，尽管在转移和协调释放晶格失配应力方面具有较好效果，但在转移和协调释放热失配应力方面作用有限。而图形衬底方法需要在SiC基底或GaN外延层上做掩模和光刻图形(纳米或微米尺度的图形)，因窗口处位错密度难以降低而需多次掩模和光刻图形，工艺复杂且进一步抬高了材料制备成本，同时还难于获得结晶质量均匀的大尺寸GaN外延层材料，如直径2英寸以上的GaN外延层材料。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对碳化硅(SiC)基底上制备氮化镓(GaN)基LED外延片材料中的晶格失配和热失配问题以及现有技术的不足，提供一种用于氮化镓基(GaN)LED外延片材料制备的碳化硅基复合衬底。

本实用新型提供一种碳化硅基复合衬底，包含：一碳化硅单晶基底；一复合应力协变层，覆盖在所述碳化硅单晶基底上，由多层氮化钛单晶薄膜材料和多层氮化铝单晶薄膜材料交替堆叠构成；一氮化镓模板层，生长在所述复合应力协变层上，由氮化镓单晶薄膜材料构成。

复合应力协变层中每层氮化钛(TiN)单晶薄膜材料的厚度为5～30nm。

复合应力协变层中每层氮化铝(AlN)单晶薄膜材料的厚度不小于每层氮化钛(TiN)单晶薄膜材料厚度的3倍。

在复合应力协变层中与碳化硅单晶基底接触的层为氮化钛单晶薄膜材料。

在复合应力协变层中与氮化镓模板层接触的层为氮化铝单晶薄膜材料。

氮化钛单晶薄膜材料的层数为1～10层，氮化铝单晶薄膜材料的层数与氮化钛单晶薄膜材料的层数相同。

TiN单晶薄膜材料用于转移和协调在氮化钛(TiN)层上的薄氮化铝(AlN)层和最上面的氮化镓(GaN)模板层的晶格失配应力和热应力的作用，以降低位错密度和消除裂纹与弯曲。AlN层的作用是用于辅助氮化钛(TiN)单晶薄膜材料转移和协调碳化硅(SiC)基底上的氮化镓(GaN)材料的晶格失配应力。

氮化镓(GaN)模板层的厚度不小于2μm，生长氮化镓(GaN)模板层时从800～1100℃的生长温度降到室温的降温速率为5～20℃/分钟。