[发明专利]半导体器件外延生长的隐形结构衬底

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种用于半导体器件外延生长的新型衬底结构。

背景技术

近年来，以Si、蓝宝石、SiC为衬底的半导体器件研究备受科研工作者的关注，在部分领域取得重大突破及产业化的应用。例如以GaN、InGaN、AlGaN为主的III-V氮化物最为典型的例子，其连续可变的直接带隙，优异的物理化学性能，高饱和电子迁移率等特性，使其成为发光二极管，激光器，功率器件等光电子器件的优选材料。

然而，GaN的单晶制备条件要求高，产业化比较困难，与GaN外延生长相匹配的材料还没有找到。目前，GaN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膨胀失配。例如，与Si的晶格和热胀失配分别为-16.96%和3.9%，与蓝宝石的分别为13.9%和8.5%等。如此大的晶格和热膨胀系数失配使GaN在外延器件过程中产生巨大的应力场，从而影响器件性能，例如LED的有源区的缺陷密度大，形成非辐射复合中心，降低内量子效率等。其次，应力场使器件出现弯曲或者断裂等不良的现象。因此，解决异质外延中生产的应力场成为提高GaN器件性能的关键问题。目前，很多生长技术用于异质或者同质外延生长过程产生应力场的释放。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，掺杂生长和变条件生长等技术。这些生长技术在一定程度上减弱了应力场对器件等制备的影响。然而，这些技术的共同特征都是在生长过程中通过改变生长工艺参数（温度、时间、流量、压强等）进行调节应力场。这些传统应力调节的方法在某些领域的器件制备满足了产业应用的要求，但由于通过调节传统的应力调节只能部分释放应力，不能更有效或者完全地进行应力释放，在某些领域因无法完全消除应力场而满足不了应用或者高性能的制备要求。一些用于异质外延的应力释放的技术仍然处于探索过程。

发明内容

本发明的目地在于针对现有技术存在的不足，提供一种本发明目的是基于现有的应力释放调节技术基础上，突破传统工艺调节的思维，以全新的思路来解决目前存在的外延生长中应力场问题。

为达到上述目的，本发明采用以下方案：

一种半导体器件外延生长的隐形结构衬底，在外延生长过程中，不同材料的晶格失配和热膨胀系数等会生产应力，其对外延生长产生不良的结果，为有效地释放应力，在Si、蓝宝石、SiC的III-V或者II-VI半导体器件衬底，借助激光、气氛退火或者化学湿法对外延衬底或者外延结构层的表面或者内部的物理化学性能进行定位定点处理和改善，使衬底的表面或者内部（距离衬底上表面500nm到距离衬底下表面500nm之间）发生物理或者化学性能的改变，包括热膨胀系数、化学键、晶格常数、晶相、杨氏模量形成性能改善的准介质层或者介质层，为衬底内部包含密度、晶格常数、晶相、热膨胀系数和杨氏模量中一种或一种以上任意组合的材料性能改变介质层，所述隐形结构衬底包括单层材料、多层复合材料衬底、周期性材料衬底、渐变衬底（热膨胀系数或者杨氏模量的渐变的Si、蓝宝石、SiC），其具有位错阻断、偏转、应力场释放与互补等效果；

利用激光、气氛退火或者化学湿法对衬底进行物理或者化学腐蚀，使其形成中空的准介质层，实现阻断或者缓冲应力场；

或利用激光、气氛退火或者化学湿法对衬底进行物理或者化学等方面的性能进行处理和改善，使其在材质等方面的性能发生改变，形成介质层，从而达到与应力释放所要求匹配的性能。

在其中一些实施例中，所述介质层为空气隙，隐形结构衬底中的空气隙准介质层性能根据外延层与衬底之间的实际性能进行设计和技术处理，空气隙的厚度、大小，材质的形状（三角形、梯形、矩形、正方形、多边形等）、热性能（热膨胀系数）和力学性能（杨氏模量）。

在其中一些实施例中，所述衬底中的材质性能改变包括介质层在衬底中的位置、层数和性能，介质层在衬底中的位置位于表面或者内部（距离衬底上表面500nm到距离衬底下表面500nm之间）、层数（1-20层可变）、厚度、热性能（热膨胀系数）和力学性能（杨氏模量）。

在其中一些实施例中，所述隐形结构衬底表面层存在空气隙准介质层，而且衬底内部也存在空气隙准介质层，所述隐形结构衬底的空气隙准介质层的位置处于衬底表面或者衬底内部，其准介质层的层数是单层或者多层（1-20层），排列可以是按规则或者准介质层的性能渐变（厚度、微观形状、热膨胀系数、杨氏模量等）的规则排列。