本發(fā)明涉及半導(dǎo)體，尤其涉及一種氮化鎵單晶片及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵（gan）難以采用熔融或溶液法制備生長(zhǎng)大尺寸體單晶材料，目前制備氮化鎵通常采用藍(lán)寶石襯底或者硅單晶襯底。其中，藍(lán)寶石襯底制備氮化鎵通常先利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（mocvd）異質(zhì)外延制備出表面平整的氮化鎵單晶薄膜模板層，再利用氫化物氣相外延（hvpe）二次外延快速生長(zhǎng)降低位錯(cuò)密度，該方法通常僅采用簡(jiǎn)單的強(qiáng)鍵合氮化鋁單晶薄膜或低溫氮化鎵薄膜作為緩沖層調(diào)控應(yīng)力，難以有效協(xié)調(diào)大晶格失配（16%）應(yīng)力和大熱失配（-34%）應(yīng)力，膜層越厚積聚的應(yīng)力越大且主要是壓應(yīng)力，不僅導(dǎo)致膜層起伏和翹曲，達(dá)到某一臨界厚度（無裂紋厚度）積聚的應(yīng)力釋放還會(huì)造成膜層龜裂，這也是目前利用藍(lán)寶石單晶襯底制備大尺寸自支撐氮化鎵單晶厚膜材料成品率低及價(jià)格始終昂貴的原因之一。與采用藍(lán)寶石襯底相比，采用硅單晶襯底異質(zhì)外延制備可以實(shí)現(xiàn)更大尺寸氮化鎵單晶厚膜材料的制備，但利用硅單晶襯底材料異質(zhì)外延制備氮化鎵單晶厚膜材料產(chǎn)生的大失配應(yīng)力問題更嚴(yán)重（晶格失配度-16.9%，熱失配度56%，還存在硅擴(kuò)散和嚴(yán)重界面反應(yīng)問題），而且由于硅襯底的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氮化鎵的熱膨脹系數(shù)，完成高溫mocvd或hvpe制備生長(zhǎng)后的大幅度降溫過程中會(huì)產(chǎn)生更大的張應(yīng)力，采用目前常用的強(qiáng)鍵合的氮化鋁單晶薄膜作為阻擋層和成核層，再制備多層強(qiáng)鍵合鋁組分漸變鋁鎵氮（algan)應(yīng)力協(xié)變層或插入多周期氮化鎵/氮化鋁（gan/aln）超晶格插入層，仍然很難將不小于4英寸的硅襯底氮化鎵外延膜的無裂紋厚度提升到5μm以上。正因?yàn)槿绱四壳吧形从欣貌恍∮?英寸的硅襯底制備得到無裂紋厚度超過100μm以上的自支撐氮化鎵單晶厚膜材料的研究或生產(chǎn)報(bào)道。因此，利用大尺寸硅單晶襯底及mocvd與hvpe實(shí)現(xiàn)大尺寸自支撐氮化鎵單晶片材料的制備是亟待解決的問題，需要設(shè)計(jì)新的應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)和發(fā)展新方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、（一）要解決的技術(shù)問題

2、為解決現(xiàn)有技術(shù)中氮化鎵單晶片制備過程所出現(xiàn)的上述技術(shù)問題至少之一，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種氮化鎵單晶片及其制備方法和應(yīng)用，通過設(shè)置應(yīng)力協(xié)變層形成弱鍵合解耦合作用，可實(shí)現(xiàn)在制備過程中產(chǎn)生的上下大熱失配應(yīng)力分別向中間轉(zhuǎn)移過度，以制備出大尺寸的氮化鎵單晶片。

3、（二）技術(shù)方案

4、針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施例提出一種氮化鎵單晶片及其制備方法和應(yīng)用。

5、根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面提供了一種氮化鎵單晶片的制備方法，包括以下步驟：準(zhǔn)備硅單晶襯底；采用脈沖磁控濺射工藝在硅單晶襯底上制備第一外延層；采用原位退火工藝將第一外延層中的鋅組分完全熱分解析出，得到第二外延層；采用脈沖磁控濺射工藝在第二外延層上外延生長(zhǎng)氮化鎵單晶薄膜模板層；按第一預(yù)設(shè)降溫速率降低溫度至室溫，得到與所述硅單晶襯底弱鍵合解耦合的無裂紋低應(yīng)力氮化鎵單晶薄膜模板層；采用氣相外延工藝，在氮化鎵單晶薄膜模板層上生長(zhǎng)氮化鎵單晶厚膜外延層；按第二預(yù)設(shè)降溫速率降低溫度至室溫，以使所述氮化鎵單晶厚膜外延層從所述硅單晶襯底上完整自剝離；將其他部分與所述?氮化鎵單晶厚膜外延層剝離，并加工氮化鎵單晶厚膜外延層得到氮化鎵單晶片，其中，第一外延層包括依次設(shè)置的氮化鋁單晶薄膜阻擋層、第一鋁鋅氧多晶薄膜層、鎂鋅氧多晶薄膜層、第二鋁鋅氧多晶薄膜層和氮化鋁多晶薄膜層；以及第二外延層包括依次設(shè)置的氮化鋁單晶薄膜阻擋層、第一多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層、多孔氧化鎂應(yīng)力協(xié)變層、第二多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層和氮化鋁單晶薄膜成核層。

6、在一些示例性的實(shí)施例中，準(zhǔn)備硅單晶襯底，包括：對(duì)硅單晶襯底進(jìn)行烘烤，以去除表面殘存的氧化層和吸附的雜質(zhì)，其中，烘烤的溫度為800℃-900℃。

7、在一些示例性的實(shí)施例中，采用脈沖磁控濺射工藝在硅單晶襯底上制備第一外延層，包括：調(diào)節(jié)加熱溫度至650℃-750℃，以高純金屬鋁靶為靶材、高純氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體、高純氬氣為濺射氣體，采用反應(yīng)脈沖直流磁控濺射單靶濺射沉積工藝，在硅單晶襯底上形成氮化鋁單晶薄膜阻擋層；調(diào)節(jié)加熱溫度至550℃-650℃，以高純金屬鋁和高純金屬鋅為靶材、高純氧氣為反應(yīng)氣體、高純氬氣為濺射氣體，采用反應(yīng)脈沖直流磁控濺射雙靶共濺射沉積，在氮化鋁單晶薄膜阻擋層上形成第一鋁鋅氧多晶薄膜層，其中，第一鋁鋅氧多晶薄膜層具有單一c軸擇優(yōu)取向，以及第一鋁鋅氧多晶薄膜層中鋅元素的摩爾濃度為30%-50%；調(diào)節(jié)加熱溫度至450℃-550℃，以高純金屬鎂和高純金屬鋅為靶材、高純氧氣為反應(yīng)氣體、高純氬氣為濺射氣體，采用反應(yīng)脈沖直流磁控濺射雙靶共濺射沉積工藝，在第一鋁鋅氧多晶薄膜層上形成鎂鋅氧多晶薄膜層，其中，鎂鋅氧多晶薄膜層具有單一c軸擇優(yōu)取向，以及鎂鋅氧多晶薄膜層中鋅元素的摩爾濃度為65%-85%；調(diào)節(jié)加熱溫度至550℃-650℃，以高純金屬鋁和高純金屬鋅為靶材、高純氧氣為反應(yīng)氣體、高純氬氣為濺射氣體，采用反應(yīng)脈沖直流磁控濺射雙靶共濺射沉積工藝，在鎂鋅氧多晶薄膜層上形成第二鋁鋅氧多晶薄膜層，其中，第二鋁鋅氧多晶薄膜層具有單一c軸擇優(yōu)取向，以及第二鋁鋅氧多晶薄膜層中鋅元素的摩爾濃度為30%-50%；以及調(diào)節(jié)加熱溫度至650℃-750℃，以高純金屬鋁為靶材、高純氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體、高純氬氣為濺射氣體，采用反應(yīng)脈沖直流磁控濺射單靶濺射沉積工藝，在第二鋁鋅氧多晶薄膜層上形成氮化鋁多晶薄膜層，其中，氮化鋁多晶薄膜層具有單一c軸擇優(yōu)取向。

8、在一些示例性的實(shí)施例中，采用原位退火工藝將第一外延層中的鋅組分完全熱分解析出，得到第二外延層，包括：調(diào)節(jié)加熱溫度至850℃-950℃，在氫氣氣氛下對(duì)第一外延層進(jìn)行退火0.5h-5h，以將第一鋁鋅氧多晶薄膜層、鎂鋅氧多晶薄膜層以及第二鋁鋅氧多晶薄膜層中的鋅組分分解并從氮化鋁多晶薄膜層中的晶粒間隙和晶界析出，形成包含不同納米孔隙度的第一多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層、多孔氧化鎂應(yīng)力協(xié)變層以及第二多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層；以及調(diào)節(jié)加熱溫度至1000℃-1200℃，在氨氣氣氛下退火1h-10h，以將氮化鋁多晶薄膜層中的晶粒融合合并重結(jié)晶，形成氮化鋁單晶薄膜成核層，其中，氮化鋁單晶薄膜成核層的位錯(cuò)密度不高于1×109cm-2，以及氮化鋁單晶薄膜成核層的表面平整度不高于1.0nm。

9、在一些示例性的實(shí)施例中，采用脈沖磁控濺射工藝在第二外延層上外延生長(zhǎng)氮化鎵單晶薄膜模板層，包括：調(diào)節(jié)加熱溫度至700℃-900℃，以高純液態(tài)金屬鎵為靶材、高純氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體、高純氬氣為濺射氣體，采用反應(yīng)脈沖直流磁控濺射單靶濺射沉積，在氮化鋁單晶薄膜成核層上形成氮化鎵單晶薄膜模板層，其中，氮化鎵單晶薄膜模板層具有單一c軸擇優(yōu)取向。

10、在一些示例性的實(shí)施例中，采用氣相外延工藝，在氮化鎵單晶薄膜模板層上生長(zhǎng)氮化鎵單晶厚膜外延層，包括：調(diào)節(jié)加熱溫度至1000℃-1100℃，采用近常壓氫化物氣相外延工藝外延生長(zhǎng)氮化鎵單晶厚膜外延層。

11、在一些示例性的實(shí)施例中，第一預(yù)設(shè)降溫速率不低于10℃/min；和/或第二預(yù)設(shè)降溫速率不低于15℃/min。

12、在一些示例性的實(shí)施例中，包括以下特征中的至少一項(xiàng)：硅單晶襯底的厚度為300μm-1500μm；氮化鋁單晶薄膜阻擋層的厚度為300nm-500nm；第一鋁鋅氧多晶薄膜層的厚度為30nm-50nm；鎂鋅氧多晶薄膜層的厚度為20nm-30nm；第二鋁鋅氧多晶薄膜層的厚度為30nm-50nm；氮化鋁多晶薄膜層的厚度為300nm-500nm；氮化鎵單晶薄膜模板層的厚度為1000nm-5000nm；氮化鎵單晶厚膜外延層的厚度為500μm-5000μm。

13、根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面提供了一種氮化鎵單晶片，該氮化鎵單晶片由上面的方法制備得到。

14、根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面提供了一種由上面方法制備得到的氮化鎵單晶片的應(yīng)用，可應(yīng)用于氮化鎵基功率電子器件、氮化鎵基微波射頻器件、氮化鎵基發(fā)光二極管器件、氮化鎵基激光二極管器件和氮化鎵基紫外探測(cè)器件中的至少一種。

15、（三）有益效果

16、從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種氮化鎵單晶片及其制備方法和應(yīng)用，至少具有如下有益效果：

17、（1）在與硅單晶襯底強(qiáng)鍵合的薄氮化鋁單晶薄膜阻擋層和與氮化鎵單晶薄膜模板層強(qiáng)鍵合的薄氮化鋁單晶薄膜成核層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，分別設(shè)計(jì)制備第一多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層和第二多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層，由于氧化鋁面內(nèi)熱膨脹系數(shù)（7.5×10-6k-1）較硅單晶襯底面內(nèi)熱膨脹系數(shù)（3.59×10-6k-1）和氮化鎵外延層面內(nèi)熱膨脹系數(shù)（5.59×10-6k-1）大，雖然第一多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層和第二多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層納米孔隙度較低，但仍存在一定程度的弱鍵合解耦合作用，可實(shí)現(xiàn)在大幅度降溫過程中產(chǎn)生的上下大熱失配應(yīng)力分別向中間轉(zhuǎn)移過度。

18、（2）在最中間設(shè)計(jì)制備納米孔隙度較高的多孔氧化鎂應(yīng)力協(xié)變層，由于氧化鎂的熱膨脹系數(shù)（9.84×10-6k-1）比氧化鋁大，在大幅度降溫過程中收縮幅度更大，可將硅單晶襯底和氮化鎵外延層產(chǎn)生的大熱張應(yīng)力經(jīng)第一多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層和第二多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層轉(zhuǎn)移到該層集中釋放，進(jìn)而導(dǎo)致在此處出現(xiàn)更明顯的弱鍵合解耦合，進(jìn)一步阻擋硅單晶襯底產(chǎn)生的張應(yīng)力向上轉(zhuǎn)移和傳遞。

19、（3）通過調(diào)控多孔氧化鎂應(yīng)力協(xié)變層的納米孔隙度和層厚以及控制降溫速率，可以實(shí)現(xiàn)氮化鎵單晶厚膜在最后的降溫過程從大尺寸硅單晶襯底上完整自剝離。

20、（4）通過采用分步退火工藝，先在氫氣氣氛下高溫高真空退火將鋅組分熱分解完全析出形成多層包含納米孔的多孔應(yīng)力協(xié)變層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)第一多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層與氮化鋁單晶薄膜阻擋層之間的弱鍵合解耦合，以及第二多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層與氮化鋁多晶薄膜層之間的弱鍵合解耦合；在此弱鍵合解耦合的基礎(chǔ)上，再次進(jìn)行退火，更容易實(shí)現(xiàn)氮化鋁多晶薄膜膜層中的晶粒融合合并重結(jié)晶形成高結(jié)晶質(zhì)量的氮化鋁單晶薄膜成核層。更利于制備出高結(jié)晶質(zhì)量、表面平整、低應(yīng)力的氮化鎵單晶薄膜模板層和氮化鎵單晶厚膜外延層。

21、（5）本發(fā)明采用脈沖直流濺射工藝和原位退火工藝制備氮化鋁單晶薄膜阻擋層、多孔氧化鋁應(yīng)力協(xié)變層、多孔氧化鎂應(yīng)力協(xié)變層、氮化鋁單晶薄膜成核層及氮化鎵單晶薄膜模板層，相比常用的mocvd設(shè)備，設(shè)備造價(jià)低且易于規(guī)模化生產(chǎn)。

22、（6）本發(fā)明利用中高溫反應(yīng)脈沖直流磁控濺射工藝?yán)趯?shí)現(xiàn)氮化鋁和氮化鎵薄膜高結(jié)晶質(zhì)量單晶生長(zhǎng)的工藝特點(diǎn)，先采用中高溫反應(yīng)脈沖直流磁控濺射工藝在硅單晶襯底上實(shí)現(xiàn)氮化鋁薄膜具有單一c軸擇優(yōu)取向高結(jié)晶質(zhì)量單晶制備生長(zhǎng)，利用其作為阻擋層不僅可以有效阻擋硅襯底表面高溫分解的硅原子向后續(xù)制備的各外延層中擴(kuò)散，還為后續(xù)采用中低溫脈沖直流磁控濺射工藝依次制備的第一鋁鋅氧薄膜層、鎂鋅氧薄膜層、第二鋁鋅氧薄膜層及氮化鋁薄膜層具有單一c軸擇優(yōu)取向多晶生長(zhǎng)提供良好生長(zhǎng)模板；而所制備的具有單一c軸擇優(yōu)取向的氮化鋁多晶薄膜層又為后續(xù)氫氣氣氛下原位退火將含鋅組分的第一鋁鋅氧多晶薄膜層、鎂鋅氧多晶薄膜層及第二鋁鋅氧多晶薄膜層各膜層中分解的鋅組分析出提供了足夠的晶粒間隙和晶界通道。