专利名称：一种半导体衬底及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种半导体衬底及其制备方法。
背景技术：
以GaN为代表的III-IV族氮化物(InN、GaN、AlN)及其三元和四元合金具有带隙 宽、电子漂移饱和速度高、热导率高、击穿场强高、耐高温、耐酸碱腐蚀等优异的物理和化学 性质，是重要的直接带隙半导体材料，在蓝光发光二极管、激光二极管、短波长光探测器件 以及高频高功率电子器件等方面有巨大的应用潜力。然而，GaN单晶生长十分困难，目前GaN薄膜的生长主要是以c面蓝宝石为衬底，或 者采用氢化外延技术(HVPE)在c面上生长GaN自支撑衬底。但是，由于c面蓝宝石与GaN 的晶格失配高达13. 6 %，因此在GaN外延膜中仍存在较高的缺陷密度，做出的器件发光效 率不能达到令人满意的程度。与蓝宝石衬底相比，铝酸锂(Y-LiAlO2)晶体用作GaN外延生长的衬底材料具有 明显的优势首先，由于铝酸锂与GaN之间的晶格失配比蓝宝石与GaN之间的晶格失配要低 一个数量级，这样可以简化GaN外延薄膜的生长工艺并减少由应力引起的高缺陷密度；其 次，在铝酸锂(100)面上能制备出非极性的M面GaN薄膜，可避免由于c向GaN异质结构的 自发极化和压电效应而产生的内建电场，提高发光效率；此外，采用铝酸锂制备GaN自支撑 衬底时，很容易将其上的GaN厚膜剥落，获得自支撑GaN衬底。但铝酸锂晶体衬底也存在一些缺点一方面铝酸锂和GaN之间的热膨胀系数差异 较大，造成外延片容易开裂；另一方面，由于铝酸锂晶体中的锂比较活泼，因此它的热稳定 性也较差，在金属有机化学气相沉积系统中不耐高温和还原性气体的腐蚀，导致衬底表面 被破坏和外延膜质量的降低。因此有必要对铝酸锂衬底进行一些技术上的改造以克服上述缺点。本发明人发 现由于AlN与GaN之间的晶体结构完全相同、晶格常数相近，因此可以考虑作为铝酸锂衬 底的缓冲层，从而克服现有技术中铝酸锂衬底存在的易腐蚀、Li易挥发的缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题在于，提供一种可以制备半导体衬底的制备方法，通过该 方法对铝酸锂衬底进行改进，以克服现有技术中的铝酸锂衬底存在的易腐蚀、Li易挥发、以 及由于铝酸锂和GaN热膨胀系数差异而导致GaN易开裂的问题。本发明还提供一种半导体 衬底，克服所述现有技术的铝酸锂衬底的缺点。为了解决上述技术问题，本发明提供一种半导体衬底的制备方法，包括提供铝酸锂晶片；使用溅射法在所述铝酸锂晶片上沉积AlN膜层得到半导体衬底。优选的，所述使用溅射法在所述铝酸锂晶片上沉积AlN膜层具体为将所述铝酸锂晶片放置在溅射腔室内，将溅射腔室抽真空；
加热铝酸锂晶片进行保温，以Ar和N2作为溅射气体，以Al或AlN作为靶材在铝 酸锂晶片上溅射沉积AlN膜层。优选的，所述加热铝酸锂晶片进行保温具体为将所述铝酸锂晶片加热至400°C或更高温度进行保温。优选的，将溅射腔室抽真空至真空度高于10_3Pa。优选的，所述溅射气体中N2的体积百分含量为25%或更高。优选的，在铝酸锂晶片上溅射沉积AlN膜层时的溅射功率为200W-500W。优选的，在铝酸锂晶片上溅射沉积AlN膜层时的溅射时间为20分钟-60分钟。优选的，所述铝酸锂晶片为(100)晶面的铝酸锂晶片。本发明还提供一种半导体衬底，包括铝酸锂晶片和沉积在所述铝酸锂晶片上的 AlN膜层。优选的，所述铝酸锂晶片为(100)晶面的铝酸锂晶片。本发明提供了一种半导体衬底的制备方法。本发明以铝酸锂晶片作为基底，然后 在上面用溅射法沉积AlN膜层得到半导体衬底。与现有技术相比，由于AlN与GaN具有相同 的晶体结构、相近的晶格常数，因此作为衬底的缓冲层时，可以为GaN的成核生长提供较好 的晶格匹配。此外，所述半导体衬底上的AlN膜层还可以阻止铝酸锂衬底中的Li的挥发， 保护铝酸锂衬底不受酸性或耐腐蚀性气氛的腐蚀。按照本发明提供的方法，可以在较低温 度下在铝酸锂晶体衬底上溅射Al膜层形成半导体衬底。
图1为本发明实施例1制备的半导体衬底的X射线衍射图；图2为本发明实施例5制备的半导体衬底的X射线衍射图。
具体实施例方式本发明的一个制备半导体衬底的实施方案，包括提供铝酸锂晶片；使用溅射法在所述铝酸锂晶片上沉积AlN膜层得到半导体衬底。按照本发明，使用铝酸锂晶片作为半导体衬底的基底，铝酸锂晶片需经过抛光处 理，对于铝酸锂晶片的表面粗糙度，优选均方根粗糙度小于10埃，更优选小于8埃，更优选 小于5埃。对于铝酸锂晶片的抛光方法，本发明并无特别限制。按照本发明，优选(100)晶 面的铝酸锂晶片作为半导体衬底的基底材料。按照本发明，使用溅射法在所述铝酸锂晶片上沉积AlN膜层。对于溅射法，优选为 本领域技术人员熟知的磁控溅射法，如直流磁控溅射法或射频磁控溅射法。使用磁控溅射 法在铝酸锂晶片上沉积AlN膜层时，先将铝酸锂晶片放置在磁控溅射系统的溅射腔室内， 然后将所述溅射腔室抽真空，优选的，所述溅射腔室被抽至真空度高于1 X IO-3Pa,更优选高 于5 X l(T4Pa，更优选高于1 X l(T4Pa。溅射室被抽真空后，加热铝酸锂晶片然后进行保温，对于铝酸锂晶片的加热温度， 优选为400°C或更高温度，更优选将铝酸锂晶片加热至450°C或更高温度，更优选加热至 5000C _700°C，更优选将铝酸锂晶片加热至550°C _650°C。
对于溅射气体，优选为Ar和N2，其中N2在溅射气体中的体积百分含量优选大于 25 %，更优选为30 % -50 %。溅射气体的流量优选为10 20sCCm (标准状态毫升/分)。溅 射时，优选以金属Al或AlN陶瓷作为溅射靶材，对于金属Al的纯度，优选大于99. 99wt%, 对于AlN陶瓷的纯度，优选大于99. 99wt%。对于溅射功率，优选为200W-500W，更优选为 300W-400W。溅射时间优选为20分钟-60分钟分钟，更优选为30分钟-45分钟。对于AlN膜层的厚度，优选为lOOnm-lOOOnm，更优选为300nm-700nm，更优选为 400nm-600nm。溅射结束中，将沉积有AlN膜层的铝酸锂晶片在溅射腔室内冷却至室温取 出ο本发明还提供了一种半导体衬底，包括铝酸锂晶片和沉积在铝酸锂晶片上的AlN 膜层。其中，所述铝酸锂晶片优选为(100)晶面的铝酸锂晶片。本发明以铝酸锂晶体作为基底，然后在上面采用溅射法沉积AlN膜层制成半导体 衬底，由于铝酸锂衬底与GaN的晶格失配度小，作为GaN晶体生长的衬底时，易于制备GaN 外延薄膜，并减少由应力引起的高缺陷密度。当在铝酸锂晶片上沉积与GaN晶体结构相同、 晶格常数相近的AlN膜层时，可以解决由于铝酸锂晶体和GaN之间的热膨胀差异而导致的 GaN外延片开裂的问题。而且，AlN作为缓冲层还可以阻止铝酸锂衬底中Li的挥发，并保护 铝酸锂衬底不受酸性或还原性气氛的腐蚀。本发明采用溅射法将AlN沉积得到铝酸锂晶片 上，可以在较低的温度下在铝酸锂晶片上生长AlN膜层。XRD测试结果表明，按照本发明提 供的方法，可以在铝酸锂晶片上制备高度c轴择优取向的(0001)氮化铝薄膜。为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明提供的半导体衬底的制备方法 进行描述。实施例1将抛光后的表面均方根粗糙度为5埃(100)面的铝酸锂晶片置于测控溅射系统中 的溅射室内，将溅射室内抽真空至2. OX ICT4Pa ；加热铝酸锂晶片至400°C后进行保温，以流 动的Ar和N2作为溅射气体，溅射气体的流量约为15sCCm，Ar和N2的体积比为3:1。以纯度为99. 99wt%的AlN陶瓷作为靶材，采用射频溅射，溅射功率为200W，溅射 时间为20分钟，溅射结束后将沉积有AlN的铝酸锂晶片在溅射室内降温至室温取出。对半 导体衬底进行XRD测试，测试结果如图1所示，图中位于34. 70°、35. 86°、73. 19°的衍射 峰分别对应于铝酸锂的(200)晶面、AlN的(0002)晶面和铝酸锂的(400)晶面，由此可见， 在铝酸锂晶体上生成了高度c轴择优取向的(0001)氮化铝薄膜。实施例2-4该三个实施例将实施例1中的射频溅射功率分别调整为300W、400W、500W，溅射时 间分别为20分钟、30分钟、40分钟，其它与实施例1相同。该三个实施例也在(100)面的铝酸锂晶片上生成了高度c轴择优取向的(0001) 氮化铝薄膜。实施例5将抛光后的表面均方根粗糙度为5埃(100)面的铝酸锂晶片置于测控溅射系统中 的溅射室内，将溅射室内抽真空至2. OX ICT4Pa ；加热铝酸锂晶片至600°C后进行保温，以流 动的Ar和N2作为溅射气体，溅射气体的流量约为15sCCm，Ar和N2的体积比为1:1。以纯度为99. 99wt%的Al作为靶材，采用直流溅射，溅射功率为200W，溅射时间为20分钟，溅射结束后将沉积有AlN的铝酸锂晶片在溅射室内降温至室温取出。对半导体衬 底进行XRD测试，测试结果如图2所示，图中位于34. 67°、36. 08°、73. 16°的衍射峰分别 对应于铝酸锂的(200)晶面、AlN的(0002)晶面和铝酸锂的(400)晶面，由此可见，在铝酸 锂晶体上生成了高度c轴择优取向的(0001)氮化铝薄膜。实施例6-8该三个实施例将实施例5中的直流溅射功率分别调整为300W、400W、500W，溅射时 间分别为20分钟、30分钟、40分钟，其它与实施例5相同。该三个实施例也在(100)面的铝酸锂晶片上生成了高度c轴择优取向的(0001)
氮化铝薄膜。以上对本发明提供的一种半导体衬底及其制备方法进行了详细的介绍，行了详细 介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明 只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和 修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
权利要求
一种半导体衬底的制备方法，包括提供铝酸锂晶片；使用溅射法在所述铝酸锂晶片上沉积AlN膜层得到半导体衬底。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述使用溅射法在所述铝酸锂晶片 上沉积AlN膜层具体为将所述铝酸锂晶片放置在溅射腔室内，将溅射腔室抽真空；加热铝酸锂晶片进行保温，以Ar和N2作为溅射气体，以Al或AlN作为靶材在铝酸锂 晶片上溅射沉积AlN膜层。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加热铝酸锂晶片进行保温具体为将所述铝酸锂晶片加热至400°C或更高温度进行保温。
4.根据权利要求1任一项所述的制备方法，其特征在于，将溅射腔室抽真空至真空度 高于 l(T3Pa。
5.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述溅射气体中N2的体 积百分含量为25%或更高。
6.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于，在铝酸锂晶片上溅射沉积 AlN膜层时的溅射功率为200W-500W。
7.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于，在铝酸锂晶片上溅射沉积 AlN膜层时的溅射时间为20分钟-60分钟。
8.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述铝酸锂晶片为(100) 晶面的铝酸锂晶片。
9.一种半导体衬底，包括铝酸锂晶片和沉积在所述铝酸锂晶片上的AlN膜层。
10.根据权利要求9所述的半导体衬底，其特征在于，所述铝酸锂晶片为(100)晶面的 铝酸锂晶片。
全文摘要
本发明提供一种半导体衬底的制备方法，包括提供铝酸锂晶片，使用溅射法在所述铝酸锂晶片上沉积AlN膜层得到半导体衬底。本发明以铝酸锂晶体作为基底，然后在上面采用溅射法沉积AlN膜层制成半导体衬底，由于铝酸锂与GaN的晶格失配度小，作为GaN晶体生长的衬底时，易于制备GaN外延薄膜，并减少由应力引起的高缺陷密度。当在铝酸锂晶片上沉积与GaN晶体结构相同、晶格常数相近的AlN膜层时，可以解决由于铝酸锂晶体和GaN之间的热膨胀差异而导致的GaN外延片开裂的问题。而且，AlN作为缓冲层还可以阻止铝酸锂衬底中Li的挥发，并保护铝酸锂衬底不受酸性或还原性气氛的腐蚀。
文档编号H01L21/203GK101958236SQ20091005507
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月20日 优先权日2009年7月20日
发明者周颖圆, 李抒智, 杨卫桥, 王康平, 钱雯磊, 马可军 申请人:上海半导体照明工程技术研究中心