专利名称：一种用于氮化镓外延生长的复合衬底的制作方法
技术领域：
本发明涉及氮化镓(GaN)基半导体发光材料，具体是指一种用于氮化镓发光材料外延生长的复合衬底。
背景技术：
GaN半导体材料具有在高频、高温条件下发射蓝光的独特性能，是继Si和GaAs之后的新一代半导体材料。由GaN、InN和AlN所组成的合金InGaN、AlGaN等氮化镓基半导体材料，通过调整组分可以获得从1.9eV到6.2eV连续可调的带隙，覆盖从紫外光到可见光这样一个很宽范围的频谱。这些GaN基半导体材料内、外量子效率高，具备高发光效率、高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等优点，可制成高效的蓝、绿、紫、白色发光二极管和激光二极管，而成为目前世界上最先进的半导体材料之一，具有广阔的应用前景。
由于没有适合氮化镓外延生长的单晶衬底，GaN材料只能外延生长在失配衬底上。目前，大多数GaN基半导体发光材料都是采用蓝宝石(Al2O3)作为衬底，由于蓝宝石与GaN晶格失配达到13.4％，而且二者热膨胀系数也不同，这就使得在其上生长的GaN外延层为了与蓝宝石晶格匹配必然会产生大量位错缺陷，形成半导体发光材料的非辐射复合中心；同时，由于应力的作用也限制了GaN外延层的厚度和面积。另一方面，由于蓝宝石是绝缘体，硬度很大，使得器件制备工艺复杂，并且影响成品率。上述这些问题严重影响了GaN基半导体光电子器件的光学和电学性能，限制了它们实际应用。为此，人们一直在努力寻找一种能够解决上述问题的衬底材料。如1.先在蓝宝石上生长GaN或AlN缓冲层再生长GaN外延层。2.对蓝宝石进行在位SiN预处理，形成岛状缓冲层后在生长GaN外延层。3.在蓝宝石上侧向外延生长GaN外延层；4.对蓝宝石进行腐蚀处理再生长GaN外延层。这些措施虽然在一定程度上减小了位错密度，改善了GaN外延层的质量，但仍无法彻底解决上述问题。近年来，人们把目光转移到廉价的硅材料上来，并成功的在硅衬底上生长了GaN外延层，有效的解决了衬底材料难加工、成本高的问题，但由于硅与GaN的晶格常数不匹配，仍会产生大量缺陷，大面积的GaN外延层也难以形成。
发明内容
本发明的目的是提出一种可大幅度降低位错密度和大面积生长GaN外延层的复合衬底。
本发明的复合衬底包括单晶硅片，在单晶硅片上有一层二氧化硅层，其特征在于在二氧化硅层上有一单晶硅薄膜单元构成的阵列层，每一单晶硅薄膜单元为a×aμm的正方形，a值≤2μm，薄膜厚度为2～100nm，薄膜单元的间隔小于或等于所要生长GaN外延层厚度。
本发明通过光刻工艺将SiO2层上的单晶硅薄膜刻蚀成若干个尺寸很小的单晶硅单元，其原因是一方面非晶态的SiO2具有很好的伸展性，可以有效缓解晶格不匹配所引起的应力；另一方面，用于生长GaN的单晶硅单元尺寸小且很薄，可以减少与GaN的接触面积，避免在大面积硅薄膜上所形成的应力，并且单晶硅薄膜单元可屈从于GaN的晶格变化，当单晶硅薄膜单元上生长的GaN达到一定厚度后，会向薄膜单元四周侧向生长，最终将薄膜单元上生长的GaN连接起来，形成类似于以GaN单晶为衬底的生长模式。
因此，本发明的复合衬底具有加工方便，成本低廉的特点。同时生长的GaN外延层中位错密度非常低，可大面积生长较大厚度的GaN外延层。
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
具体实施例方式
以下通过实施例及附图对本发明作进一步的详细说明见图1，本发明的复合衬底是由SOI即，单晶硅片1-二氧化硅层2-单晶硅薄膜经光刻形成的。SOI材料是新型集成电路的基础材料，已形成一套成熟的制备工艺，可大规模工业化生产，并已形成产品，其中包括6英寸，8英寸，甚至12英寸的SOI圆片，因此，可根据实际需要采用现有制备方法如注氧隔离(SIMOX)或智能剥离(Smart-cut)法制备所需大小的SOI衬底材料。单晶硅薄膜单元3构成的阵列层是对SOI上层单晶硅薄膜进行光刻形成的。单晶硅薄膜单元3为正方形a×aμm2，其大小可由微电子光刻技术所能达到的最小线宽来确定。目前，光刻技术的最小线宽已达到0.15μm，a值可取0.15～2μm；单晶硅单元的尺寸越小，获得的GaN外延层质量越好，技术人员可根据实际情况确定a值。单晶硅单元的间隔由GaN外延层的厚度决定，越接近GaN厚度越好，间隔越宽，侧向生长的GaN就越多，但不能超过所要生长GaN外延层的厚度，否则单晶硅薄膜单元上生长的GaN不能连接起来形成一体的外延层。单晶硅薄膜的厚度为2～100nm。GaN外延层的生长可采用氢化物气相外延(HVPE)的方法生长。
以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的范围并不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种用于氮化镓外延生长的复合衬底，包括单晶硅片(1)，在单晶硅片上有一层二氧化硅层(2)，其特征在于在二氧化硅层上有一单晶硅薄膜单元构成的阵列层，每一单元(3)为a×aμm的正方形，a值≤2μm，单晶硅薄膜厚度为2～100nm，薄膜单元的间隔小于或等于所要生长GaN外延层厚度。
全文摘要
本发明提供一种用于氮化镓外延生长的复合衬底，该衬底由单晶硅片、二氧化硅层和单晶硅薄膜单元构成的阵列层组成。单晶硅薄膜单元为正方形，边长由光刻技术所能达到的最小线宽决定，厚度为2～100nm，单元间隔小于或等于所要生长GaN外延层的厚度。本发明的优点是结构简单，成本低廉，便于大规模生产，可以生长面积大、厚度大、位错密度非常低的GaN外延层，可用于制造发光亮度高、电学性质优良的GaN基半导体发光二极管、半导体激光器及其它光电子器件。
文档编号H01S5/00GK1622285SQ200410089448
公开日2005年6月1日 申请日期2004年12月13日 优先权日2004年12月13日
发明者陆卫, 夏长生, 李志锋, 李宁, 张波, 王少伟, 陈平平, 陈效双, 陈明法 申请人:中国科学院上海技术物理研究所, 上海蓝宝光电材料有限公司