一种利用涂层硅衬底生长氮化镓晶体的方法技术

本发明专利技术涉及用于半导体材料外延生长的衬底，特别涉及一种利用涂层硅衬底生长氮化镓晶体的方法。该涂层硅衬底由硅基底和掺杂氮化硼薄片通过高压热处理键合在一起，其中掺杂氮化硼薄片是由铝和高熔点金属掺杂六方晶系氮化硼纳米片组成，通过同向啮合螺杆挤出机的反应，使铝离子和高熔点金属离子均匀插入到氮化硼的层状结构中。本发明专利技术方法降低了硅衬底与氮化镓晶体的晶格失配应力及热失配应力，减小了GaN单晶的位错密度，GaN晶体质量有明显的提高，且无需采用复杂、昂贵的工艺制备具有特殊结构的氮化镓基板，工艺简单，成本低廉，且生长温度低，适用于批量生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于氮化镓晶体生长
，更具体地，涉及一种利用涂层硅衬底生长氮化镓晶体的方法，旨在提高外延生长GaN的晶体质量。
技术介绍
氮化镓属于直接跃迁型宽禁带半导体材料，宽直接带隙为3.4eV，被誉为第三代半导体材料。GaN材料同时也是一种极稳定的、坚硬的高熔点材料，具有电子饱和速率高、介电系数小、导热性能好和抗辐射强度高等优良性能，是制作半导体照明和显示器背光领域的发光器件的核心基础材料。由于缺少同质体单晶材料，GaN基材料的器件应用通常在异质衬底上进行，最常用的是蓝宝石衬底、碳化硅衬底和硅衬底。由于蓝宝石衬底不导电、硬度高且导电、导热性能差、价格较高，且在蓝宝石上成长GaN的晶格不批配高达13.6%，容易造成晶格缺陷，使得成长后发光器件的发光效率降低。碳化硅（SiC）衬底相比蓝宝石与氮化镓有更好的晶格匹配关系，但其价格昂贵，使得器件生产成本大幅上升，因此较难广泛商业化推广。硅衬底具有价格便宜、质量高、尺寸大、热导率较高等优点，用硅作为外延层的衬底可大大降低器件的制作成本，提高经济效益。因此硅被认为最有前途的制备氮化镓薄膜的理想衬底材料。虽然以硅作为GaN晶体的衬底材料，在制作成本上有了突破性降低，但从技术上其与蓝宝石及碳化硅相比，仍然存在诸多缺陷，如硅与氮化镓两种材料的晶格常数和热膨胀系数差别很大，使得氮化镓在其上磊晶生长更为困难，因硅与氮化镓之间的热膨胀系数差别过大，导致芯片出现龟裂，并且晶格严重失配使氮化镓与硅之间出现高的位错密度，从而影响材料的晶体质量。中国专利公开号CN104733511A公开了一种在硅衬底上生长的氮化镓外延结构，包括硅衬底，该硅衬底上从下至上依次生长有AlN成核层，渐变AlXGa1-XN缓冲层，周期性GaN/AlGaN超晶格插入层，氮化镓层。本专利技术提供的这种氮化镓外延结构能够有效的阻止Si原子从衬底层扩散到GaN层中，减少了氮化镓外延层中的位错等缺陷密度，提高了半绝缘GaN的晶体质量和表面形貌，优化了生长工艺，降低了生长成本，提高了产品的良率。中国专利公开号CN101515543公开了在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构及其生长方法，采用金属有机气相法，在硅衬底上生长一层铝后生长一层氮化铝成核层，在该氮化铝成核层上生长铝和氮化铝的超晶格，在超晶格上生长氮化镓层。利用本专利技术方法可以缓解来自硅衬底的拉应力，减少表面裂纹密度，抑制氮化镓外延薄膜中的为错密度，提高氮化镓薄膜的晶体质量。综上所述，在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法经常采用超晶格缓冲层或铝组分渐变的铝镓氮缓冲层，消除应力和阻挡穿透位错为了制备高质量的氮化镓晶体。目前主要采用AlN超晶格层缓冲层的方法也有存在的问题，由于直接在Si衬底上生长超晶格比较困难，这样超晶格缓冲层的作用也比较微弱，也不能在很大程度上阻止Si原子以及Ga原子的扩散。因此，对于消除氮化镓薄膜表面裂纹的效果并不明显。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提出一种利用涂层硅衬底生长氮化镓晶体的方法。该涂层硅衬底由硅基底和掺杂氮化硼薄片通过高压热处理键合在一起，其中掺杂氮化硼薄片是由铝和高熔点金属掺杂六方晶系氮化硼纳米片组成，通过同向啮合螺杆挤出机的反应，使铝离子和高熔点金属离子均匀插入到氮化硼的层状结构中。本专利技术采用硅衬底作为基底，同时覆盖一层掺杂的氮化硼薄片，改善硅衬底的表面结构特性，解决了普通硅衬底用于生长氮化镓晶体存在的晶格不匹配及热失配等问题，缓解应力，无裂纹产生，从而降低了现有氮化镓基半导体生长衬底的成本，同时提高了其后续生长的氮化镓晶体的质量。采用本专利技术的涂层硅衬底制备的氮化镓晶体形貌较好、晶型规则、不易断裂，有较好的应用前景。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种利用涂层硅衬底生长氮化镓晶体的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将氮化硼、Al(OH)3粉、高熔点金属盐按质量比为1:0.1~0.3:0.01~0.05混合加入到行星球磨机中研磨10~15min，过20~100目筛；（2）将步骤（1）中的研磨混合物放入搅拌反应釜中，加入乙醇和水按体积比为1:0.5~1的混合液，配成质量浓度为60~80%分散液，加入分散剂，以1000~5000rpm的速度混合搅拌分散20~40min，得到混合浆料；（3）将步骤（2）中得到的浆料泵入同向啮合螺杆挤出机加料口中，设置分散螺纹元件段反应温度为120~140℃，反应10~20min，浆料通过分散螺纹元件，使铝离子和高熔点金属离子均匀插入到氮化硼的层状结构中；通过辅料口加入热塑性树脂胶黏剂，然后通过混炼螺纹元件，设置该段反应温度为300~400℃，混炼反应10~15min，然后通过挤压形成掺杂氮化硼薄片；（4）将步骤（3）中的掺杂氮化硼薄片置于已经进行表面清理的硅基底上，之后进行装套，密封，进行超高压热处理，温度范围为400~800℃、压力为2~8GPa下，保温1~15min，即将掺杂氮化硼薄片与硅基底键合在一起，冷却即得生长氮化镓晶体的涂层硅衬底；（5）将制备好的涂层硅衬底放入氢化物气相外延系统中进行GaN晶体外延生长。上述步骤（1）中所述的氮化硼为六方晶系氮化硼纳米片；所述的高熔点金属为钒、钼、锆、钨、钽、铌中的至少一种。上述步骤（2）中所述的分散剂为酯化淀粉、聚乙二醇、油酸铵、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠中的至少一种，分散剂的用量为研磨混合物总质量的1~10%。上述步骤（3）中所述的热塑性树脂胶黏剂为聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯共聚树脂、过氯乙烯树脂、聚丙烯酸酯和聚酰胺中的至少一种，其中热塑性树脂胶黏剂的用量为混合浆料总量的1~5%。本专利技术一种利用涂层硅衬底生长氮化镓晶体的方法，该涂层硅衬底由硅基底和掺杂氮化硼薄片通过高压热处理键合在一起，其中掺杂氮化硼薄片是由铝和高熔点金属掺杂六方晶系氮化硼纳米片组成，通过同向啮合螺杆挤出机的反应，使铝离子和高熔点金属离子均匀插入到氮化硼的层状结构中，在生长氮化镓晶体的同时插层在氮化硼中的铝反应生成一层缓冲层氮化铝，使硅衬底上形成一层氮化硼/氮化铝/氮化硼的结构，其中氮化铝可以作为成核层，提供氢化物气相外延阶段的成核和生长，而氮化硼层可以作为缓冲层，改善硅衬底的晶格失配应力及热失配应力，有效的阻止Si原子从衬底层扩散到GaN层中，减少了氮化镓外延层中的位错等缺陷密度，氮化镓晶体质量有明显的提高。本专利技术一种利用涂层硅衬底生长氮化镓晶体的方法，与现有技术相比突出的特点和有益的效果在于：1、本专利技术一种利用涂层硅衬底生长氮化镓晶体的方法，通过在硅衬底上覆盖一层掺杂氮化硼片层，插层在氮化硼中的铝在生长氮化镓晶体时生成氮化铝缓冲层，缓解了来自硅衬底的拉应力，减少表面裂纹密度；硅衬底上的氮化硼能够有效的阻止Si原子从衬底层扩散到GaN层中，减少了氮化镓外延层中的位错等缺陷密度，GaN晶体质量有明显的提高。2、采用本专利技术的方法制备的氮化镓晶体形貌较好、晶型规则、不易断裂、无裂纹，有较好的应用前景。3、本专利技术操作简单，不需要复杂昂贵的仪器设备，成本低廉，且生长温度低，适合于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用涂层硅衬底生长氮化镓晶体的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将氮化硼、Al(OH)3粉、高熔点金属盐按质量比为1:0.1~0.3:0.01~0.05混合加入到行星球磨机中研磨10~15min，过20~100目筛；（2）将步骤（1）中的研磨混合物放入搅拌反应釜中，加入乙醇和水按体积比为1:0.5~1的混合液，配成质量浓度为60~80%分散液，加入分散剂，以1000~5000rpm的速度混合搅拌分散20~40min，得到混合浆料；（3）将步骤（2）中得到的浆料泵入同向啮合螺杆挤出机加料口中，设置分散螺纹元件段反应温度为120~140℃，反应10~20min，浆料通过分散螺纹元件，使铝离子和高熔点金属离子均匀插入到氮化硼的层状结构中；通过辅料口加入热塑性树脂胶黏剂，然后通过混炼螺纹元件，设置该段反应温度为300~400℃，混炼反应10~15min，然后通过挤压形成掺杂氮化硼薄片；（4）将步骤（3）中的掺杂氮化硼薄片置于已经进行表面清理的硅基底上，之后进行装套，密封，进行超高压热处理，温度范围为400~800℃、压力为2~8GPa下，保温1~15min，即将掺杂氮化硼薄片与硅基底键合在一起，冷却即得生长氮化镓晶体的涂层硅衬底；（5）将制备好的涂层硅衬底放入氢化物气相外延系统中进行 GaN 晶体外延生长。...

【技术特征摘要】
1.一种利用涂层硅衬底生长氮化镓晶体的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将氮化硼、Al(OH)3粉、高熔点金属盐按质量比为1:0.1~0.3:0.01~0.05混合加入到行星球磨机中研磨10~15min，过20~100目筛；
（2）将步骤（1）中的研磨混合物放入搅拌反应釜中，加入乙醇和水按体积比为1:0.5~1的混合液，配成质量浓度为60~80%分散液，加入分散剂，以1000~5000rpm的速度混合搅拌分散20~40min，得到混合浆料；
（3）将步骤（2）中得到的浆料泵入同向啮合螺杆挤出机加料口中，设置分散螺纹元件段反应温度为120~140℃，反应10~20min，浆料通过分散螺纹元件，使铝离子和高熔点金属离子均匀插入到氮化硼的层状结构中；通过辅料口加入热塑性树脂胶黏剂，然后通过混炼螺纹元件，设置该段反应温度为300~400℃，混炼反应10~15min，然后通过挤压形成掺杂氮化硼薄片；
（4）将步骤（3）中的掺杂氮化硼薄片置于已经进行表面清理的硅基底上，之后进行装套，密封，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，孙丽枝，叶任海，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51