一种降低氮化镓基电子器件外延应力的离子注入改善型衬底的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种降低氮化镓基电子器件外延应力的离子注入改善型衬底。所述离子注入改善型衬底，利用离子注入技术对常规的氮化镓异质外延衬底进行选择性地注入离子，致使注入离子后的衬底材料在热膨胀系数、杨氏模量、晶格常数、晶体结构等方面发生一定的变化，使得异质衬底材料的物理性能参数与氮化镓材料的性能参数相匹配，以适应氮化镓电子器件在异质衬底上外延生长，降低异质衬底上氮化镓基电子器件的外延生长应力，从而改善并提高氮化镓材料的生长质量及器件的整体性能。离子注入改善型衬底，对降低氮化镓基电子器件外延应力有明显的改善作用，对提升电子器件整体性能有重要作用，所以在电子器件应用方面具有潜在的实用化和商业化的价值。
【专利说明】
一种降低氮化镓基电子器件外延应力的离子注入改善型衬底
技术领域
[0001]本发明属于半导体器件制造技术领域，涉及采用离子注入技术改善异质衬底上氮化镓基电子器件的外延生长应力并提高器件性能。
【背景技术】
[0002]近年来，作为第三代宽带隙半导体材料，以GaN、InGaN、AlGaN为主的II1-V氮化物为代表的半导体器件研究备受科研工作者的关注，其在某些半导体器件领域取得重大突破及产业化的应用。研究表明，氮化镓的物理化学性能使其成为发光二极管，激光器，电子功率器件等光电子器件的优选材料。
[0003]然而，氮化镓单晶衬底晶片的制备技术要求高，目前离大规模产业化还有一定距离，与氮化镓外延生长相匹配的材料仍处在探索和研究过程中。氮化镓基电子器件一般是以硅、蓝宝石、碳化硅等异质衬底上外延生长而制备，但是氮化镓与这种衬底存在着不同程度的晶格失配和热膨胀失配。例如，氮化镓材料，与蓝宝石的晶格失配和热膨胀失配分别为
13.9%和8.5%，与Si的晶格失配和热胀失配分别为-16.96%和3.9%。如此大的晶格失配和热膨胀系数失配，使氮化镓电子器件在外延过程或者降温后产生巨大的外延生长应力场，从而影响器件性能，尤其是硅衬底上的氮化镓基电子器件的生长，由于大尺寸、大应力场使器件出现弯曲或者龟裂，严重影响电子器件的实用化和商用化进程。所以，解决异质外延中广生的应力场成为提尚氣化嫁基电子器件性能的关键因素。目如异质衬底生长技术，在一定程度上可以减弱应力场对器件制备的影响，但尚无办法进一步更有效或完全地进行释放和消除应力。因此，结合现在的氮化镓器件生长技术和衬底材料，改善半导体材料衬底的性能，使其性能参数与氮化镓材料相匹配是一条有效且可行的办法之一。
【发明内容】
[0004]为了克服现有异质生长技术和异质衬底材料生长的不足，本发明提供一种离子注入改善型衬底，利用离子注入技术把致衬底材料改性的离子注入到异质衬底材料，改变该异质衬底材料的原有的物理性能参数，使其与氮化镓及其掺杂系列材料的物理性能参数相匹配，降低由于异质衬底材料物理性能参数与氮化镓材料的物理性能参数不匹配引起的氮化镓基电子器件的异质衬底外延生长应力，从而改善和提高氮化镓基电子器件外延生长质量和器件性能。
[0005]本发明根据外延衬底材料与氮化镓的物理性能参数的差异性，选择性地、针对性地对衬底材料进行离子注入，使衬底材料的物理性能参数与氮化镓系列相匹配，从而克服了在外延生长和升降温过程中，应力场对外延材料和器件性能的影响，提高了氮化镓基电子器件的性能参数。
[0006]具体技术方案如下:
[0007]本发明一种降低氮化镓基电子器件外延应力的离子注入改善型衬底，所述离子注入改善型衬底，其材料主要为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓等单晶材料，所述衬底材料经离子注入后，其性能参数与氮化镓及其系列半导体材料参数相匹配或者相互补偿。根据所述的衬底材料的热膨胀系数、杨氏模量、晶格常数等物理性能参数与氮化镓相应的物理性能参数之间的差异性，根据离子类型性能的差异性，针对性地选择合适的离子类型注入，以便改善衬底材料的本征性能，最终与氮化镓材料的性能参数相匹配。所注入的致衬底材料改性的离子，其元素主要为弱碱金属元素、过渡元素(IIIB、IVB、V B、VIB、VIIB、VD1、I B、II B)、卤族元素、II A-VEA族元素等。
[0008]所述的离子注入改善型衬底，根据衬底材料(蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓)与氮化镓、氮化铝等性能的参数的差异性来决定注入离子的类型；离子类型选择后，根据实际情况决定离子注入的浓度和离子注入到衬底材料的深度。离子注入面，根据实际情况可以选择衬底材料的正面或者背面。
[0009]所述的离子注入改善型衬底，所注入的致衬底材料改性的离子，其种类可以是单一种离子，也可以是两种、或者三种及三种以上的混合离子。所注入的致衬底材料改性的离子，其在衬底材料内的改善型离子层，可以是单层，或者多层，或者周期循环层。
[0010]所注入的致衬底材料改性的离子，在改善型衬底内的离子层的位置(如在中间、或靠近正面、或靠近背面)、离子的浓度、离子层的厚度参数，可根据待外延生长的电子器件及其设计方案进行调节。
[0011]所述的离子注入改善型衬底与原本征衬底相比，在其热膨胀系数、杨氏模量、晶格参数、晶体结构方面的物理性能参数中，可以仅在某个物理性能参数改变，或者两个或者多个物理性能参数同时改变，以便与氮化镓材料的物理性能参数相匹配，从而更大程度改善并提高氮化镓基电子器件的外延性能。
[0012]所述的离子注入改善型衬底，也可根据在衬底上生长电子器件所用各类材料物理性能参数的等效性能参数来进行改善原衬底材料的性能参数，不仅单一的氮化镓材料，以达到整体的器件性能最优。也可以根据生长电子器件总体的应力状态，把衬底材料改善成反方向的应力状态，补偿器件原有的应力状态。例如，在硅衬底上生长氮化镓电子器件是张应力，可以选择离子类型、调节浓度等参数以注入硅衬底内部，使注入后的硅衬底处于正面压应力，以达到补偿的效果。
[0013]本发明所述离子注入改善型衬底技术，也适合于氮化铝、氮化铟等第三代半导体系氮化物外延材料及器件的生长，均可有效地改善并提高其材料与器件的性能。
【附图说明】
[0014]图1是本发明所阐述的离子注入改善型衬底；
[0015]图2是本发明实施例一所述与氮化镓材料热胀性能参数相匹配的离子注入改善的娃衬底，；
[0016]图3是本发明实施例二所述与氮化镓材料外延应力相互补偿的离子注入改善的蓝宝石衬底。
[0017]附图标记说明:
[0018]1:异质[娃、蓝宝石和碳化娃等材料]衬底，11:[异质]衬底正面，12:[异质]衬底背面；2:[异质衬底内的]离子注入层，3:[异质衬底材料上外延生长的]氮化镓电子器件层
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述仅用于解释本发明的具体实施例，而并不限定本发明的权利要求范围。
[0020]实施例一:
[0021]如图2所示，I表示所选择的本征硅材料衬底，根据理论和实验证明，硅衬底材料上外延生长的氮化镓电子器件3的综合的等效热膨胀系数P 比本征硅衬底P S1的热膨胀系数大，电子器件生长完毕后，在降温过程中，电子器件由于热膨胀系数和晶格失配等性能参数的差异性受到了极大的张应力F，电子器件上表面形成凹形，如图2上图所示。根据实验现象，选择热膨胀系数较大的离子化合物(镓和砷离子)注入到本征硅衬底内部，优化注入层的位置和厚度及离子浓度等参数，形成离子注入改善层2，增大硅衬底的等效热膨胀系数Psly使其与电子器件层的热膨胀系数PdevlJf等或者相对匹配，降低了热膨胀系数失配引起的弯曲，如图2下图所示，从而在一定程度降低电子器件的热膨胀失配的张应力，降低了衬底的曲率，提高了器件的性能。
[0022]实施例二:
[0023]如图3所示，I表面所选择的本征蓝宝石衬底，根据理论和实验证明，蓝宝石衬底材料上外延生长的氮化镓电子器件3的综合等效的热膨胀系数P 比本征蓝宝石衬底材料的热膨胀系数Paim3小，电子器件生长完毕后，在降温过程中，电子器件由于热膨胀系数和晶格失配等性能参数的差异性受到了极大的压应力F，电子器件上表面凸起，如图3上图所示。根据实验现象，利用应力补偿的原理，选择一种热膨胀系数比蓝宝石小与氮化镓相当的离子或者离子化合物(铝和氮离子)注入到蓝宝石衬底靠近背面的内部，优化注入层的位置和厚度及离子浓度等参数，形成离子注入改善层2，其离子注入改善层2的等效的热膨胀系数PA12(]3/j、于本征蓝宝石衬底材料的热膨胀系数P A12(]3。电子器件生长完毕后，在降温的过程中，由于蓝宝石衬底正面受到电子器件层对其的张应力，同时离子注入改善层也对剩余的蓝宝石本征层产生张应力，从而形成蓝宝石衬底受到的应变平衡，Fl = F2如图3下图所示，降低了电子器件因热失配带来了曲率，一定程度上释放了电子器件的张应力，提高了电子器件的综合性能。
【主权项】
1.一种降低氮化镓基电子器件外延应力的离子注入改善型衬底，其特征在于，利用离子注入技术把致衬底材料改性的离子注入到异质衬底材料，改变该异质衬底材料的原有的物理性能参数，使其与氮化镓及其掺杂系列材料的物理性能参数相匹配，降低由于异质衬底材料的物理性能参数与氮化镓材料的物理性能参数不匹配引起的氮化镓基电子器件的异质衬底外延生长应力，从而改善和提高氮化镓基电子器件外延生长质量和器件性能。2.根据权利要求1所述的一种降低氮化镓基电子器件外延应力的离子注入改善型衬底，其特征在于，所述离子注入改善型衬底，其材料主要为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓等单晶材料，所述衬底材料经致其改性的离子注入后，其性能参数与氮化镓及其系列半导体材料参数相匹配或者相互补偿。3.根据权利要求1所述的一种降低氮化镓基电子器件外延应力的离子注入改善型衬底。其特征在于，所述注入的致衬底材料改性的离子，其元素主要为弱碱金属元素、过渡元素(III B, IV B, V B, VI B, VE B, VID, I B、II B)、卤族元素、II A-VII A 族元素。4.根据权利要求3所述的一种降低氮化镓基电子器件外延应力的离子注入改善型衬底，其特征在于，所述注入的致衬底材料改性的离子，其种类可以是单一种离子，也可以是两种、或者三种及三种以上的混合离子。5.根据权利要求3所述的一种降低氮化镓基电子器件外延应力的离子注入改善型衬底，其特征在于，所述注入的致衬底材料改性的离子，其在衬底材料内的改善型离子层，可以是单层，或者多层、或者周期循环层。6.根据权利要求3至5中任一权利要求所述的一种降低氮化镓基电子器件外延应力的离子注入改善型衬底，其特征在于，所述注入的致衬底材料改性的离子，在改善型衬底内的离子层的位置，离子的浓度，离子层的厚度参数，是可以根据待外延生长的电子器件及其设计方案进行调节的。7.根据权利2至6中任一权利要求所述的一种降低氮化镓基电子器件外延应力的离子注入改善型衬底，其特征在于，所述离子注入改善型衬底与原本征衬底相比，在其热膨胀系数、杨氏模量、晶格参数、晶体结构方面的物理性能参数中，可以是仅在某个物理性能参数改变，或者两个或者多个物理性能参数同时改变，以便与氮化镓材料的物理性能参数相匹配，从而更大程度改善并提高氮化镓基电子器件的外延性能。8.根据权利2至6中任一权利要求所述的一种降低氮化镓基电子器件外延应力的离子注入改善型衬底，其特征在于，所述离子注入改善型衬底技术，也适合于氮化铝、氮化铟等第三代半导体系氮化物外延材料及器件的生长，均可有效地改善并提高其材料与器件的性會K。
【文档编号】H01L21/02GK105895672SQ201510038542
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月26日
【发明人】罗睿宏, 梁智文, 张国义
【申请人】东莞市中镓半导体科技有限公司