專利名稱：氮化鎵襯底材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光領(lǐng)域，特別是涉及一種氮化鎵襯底材料的制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管由于具有壽命長、能耗低等優(yōu)點，應(yīng)用于各種領(lǐng)域，尤其隨著其照明性能指標(biāo)日益大幅提高，發(fā)光二極管在照明領(lǐng)域常用作發(fā)光裝置。其中，以氮化鎵(GaN)為代表的III-V族化合物半導(dǎo)體由于具有帶隙寬、發(fā)光效率高、電子飽和漂移速度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點，在高亮度光電子器件領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，引起了人們的廣泛關(guān)注。請參閱圖1，圖1是一種現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)光二極管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。所述發(fā)光二極管包括襯底11、緩沖層(buffer layer) 12、N型接觸層(N contact layer) 13、N型覆蓋層(N active layer) 14、有源層(light emitting layers) 15>P MSimM (P active layer) 16、 P型接觸層(P contact layer) 17、與所述P型接觸層17連接的正電極18以及與所述N型接觸層13連接的負(fù)電極19。所述發(fā)光二極管是雙異質(zhì)(Double Heterogeneous,DH)結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其中雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括N型覆蓋層14、有源層15和P型覆蓋層16。所述有源層15為所述發(fā)光二極管的發(fā)光層。所述N型覆蓋層14為N型摻雜氮化鎵層，所述P型覆蓋層16為P型摻雜氮化鎵層。類似的，美國專利US 5777350也公布了一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。然而，由于氮化鎵體單晶很難獲得，所以，目前氮化鎵材料的生長主要通過在藍(lán)寶石(Sapphire，Al2O3)襯底上進行異質(zhì)外延的手段獲得，最主要的外延生長技術(shù)有金屬氧化物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)以及鹵化物氣相外延(HVPE)等。但是，由于藍(lán)寶石襯底與氮化鎵外延層存在很大的晶格失配(lattice mismatch)和熱脹失配，所以不可避免地會在氮化鎵外延層中引入大量的位錯(dislocation)，降低了器件的內(nèi)量子效率。因此，有必要提供一種氮化鎵襯底材料的制造方法，以形成高質(zhì)量的氮化鎵襯底材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種氮化鎵襯底材料的制造方法，以形成缺陷少、高質(zhì)量的氮化鎵襯底材料。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種氮化鎵襯底材料的制造方法，包括提供一襯底；在所述襯底上形成第一緩沖層；刻蝕所述第一緩沖層，使所述第一緩沖層表面形成多個凹槽；形成第二緩沖層，所述第二緩沖層覆蓋所述第一緩沖層具有凹槽一側(cè)的表面，使得所述凹槽內(nèi)的第二緩沖層中形成有空洞；在所述第二緩沖層上形成氮化鎵層；去除所述襯底、第一緩沖層和第二緩沖層。可選的，在所述的氮化鎵襯底材料的制造方法中，所述凹槽的高寬比大于或等于 1. 2 1?？蛇x的，在所述的氮化鎵襯底材料的制造方法中，采用無掩膜感應(yīng)耦合等離子反
3應(yīng)刻蝕的方式刻蝕所述第一緩沖層?？蛇x的，在所述的氮化鎵襯底材料的制造方法中，刻蝕所述第一緩沖層的步驟中， 刻蝕氣體為三氯化硼和氯的混合物，腔室氣壓為5 IOOmTorr,底板功率為200 400W，線圈功率為100 200ffo可選的，在所述的氮化鎵襯底材料的制造方法中，利用金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積的方式在所述襯底上形成第一緩沖層。可選的，在所述的氮化鎵襯底材料的制造方法中，形成第一緩沖層的步驟中，腔室壓力為100 600Torr，溫度為500 800°C?？蛇x的，在所述的氮化鎵襯底材料的制造方法中，利用金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積的方式形成第二緩沖層?？蛇x的，在所述的氮化鎵襯底材料的制造方法中，形成第二緩沖層的步驟中，腔室壓力為100 IOOOmTorr,溫度為800 1000°C?？蛇x的，在所述的氮化鎵襯底材料的制造方法中，利用金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積的方式形成所述氮化鎵層?？蛇x的，在所述的氮化鎵襯底材料的制造方法中，形成所述氮化鎵層的步驟中，腔室壓力為400 760Torr，溫度為800 1400°C。可選的，在所述的氮化鎵襯底材料的制造方法中，所述襯底的材質(zhì)為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、砷化鎵或尖晶石?？蛇x的，在所述的氮化鎵襯底材料的制造方法中，去除所述襯底、第一緩沖層和第二緩沖層的步驟包括利用激光剝離或濕法刻蝕的方式去除所述襯底；以及利用研磨的方式去除第一緩沖層和第二緩沖層?？蛇x的，在所述的氮化鎵襯底材料的制造方法中，所述濕法刻蝕工藝采用的刻蝕液體為硫酸和磷酸的混合液。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在所述第一緩沖層鄰近第二緩沖層的表面形成有多個凹槽，之后在所述第一緩沖層上形成第二緩沖層，使得所述凹槽內(nèi)的第二緩沖層中形成有空洞，由于所述空洞的存在，后續(xù)形成的氮化鎵層中的位錯被吸收(dislocation trapping), 從而降低了氮化鎵層的位錯密度(dislocation density)，釋放了氮化鎵層中的應(yīng)力，由此可形成缺陷較少、高質(zhì)量的氮化鎵層。


圖1是一種現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)光二極管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的氮化鎵襯底材料的制造方法的流程圖。圖3到圖8是本發(fā)明的氮化鎵襯底材料的制造方法的各步驟示意圖。圖9是本發(fā)明的凹槽的俯視圖。圖10是本發(fā)明的氮化鎵襯底材料的制造方法形成空洞步驟的放大示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的核心思想在于，通過在所述第一緩沖層鄰近第二緩沖層的表面形成有多個凹槽，之后在所述第一緩沖層上形成第二緩沖層，使得所述凹槽內(nèi)的第二緩沖層中形成
4有空洞，由于所述空洞的存在，后續(xù)形成的氮化鎵層中的位錯被吸收，從而降低了氮化鎵層的位錯密度，釋放了氮化鎵層中的應(yīng)力，由此可形成缺陷較少、高質(zhì)量的氮化鎵層。請參閱圖2，其為本發(fā)明的氮化鎵襯底材料的制造方法的流程圖。所述氮化鎵襯底材料的制造方法包括以下步驟步驟SlO 提供一襯底；步驟S20 在所述襯底上形成第一緩沖層；步驟S30 刻蝕所述第一緩沖層，使所述第一緩沖層表面形成多個凹槽；步驟S40 形成第二緩沖層，所述第二緩沖層覆蓋所述第一緩沖層具有凹槽一側(cè)的表面，使得所述凹槽內(nèi)的第二緩沖層中形成有空洞；步驟S50 在所述第二緩沖層上形成氮化鎵層；步驟S60 去除所述襯底、第一緩沖層和第二緩沖層。下面結(jié)合圖3到圖8，詳細(xì)說明本發(fā)明的氮化鎵襯底材料的制造方法。如圖3所示，首先，提供一襯底100。所述襯底100的材料可以為藍(lán)寶石、碳化硅 (SiC)、硅、氧化鋅(ZnO)、砷化鎵(GaAs)、尖晶石(MgAL2O4)，以及晶格常數(shù)接近氮化物半導(dǎo)體的單晶氮化物。優(yōu)選的，所述襯底100為藍(lán)寶石襯底或者硅襯底。在形成第一緩沖層110 之前，可先在所述襯底100上生長一層氮化鋁層101。如圖4所示，接著，在所述襯底100 (本實施例中是氮化鋁層101)上形成第一緩沖層110。所述第一緩沖層110可以采用現(xiàn)有技術(shù)的制造方法形成，如采用金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積的方法形成。在本實施例中，形成所述第一緩沖層110的步驟中，腔室壓力例如為100 600Torr，溫度為500 800°C，所述第一緩沖層110的厚度例如為1 10 μ m。由于所述襯底100與第一緩沖層110之間存在很大的晶格失配(lattice mismatch)和熱脹失配，所以不可避免地會在第一緩沖層110中引入大量的位錯(dislocation) 111。如圖5所示，然后，采用無掩膜感應(yīng)耦合等離子反應(yīng)刻蝕的方式刻蝕所述第一緩沖層110，由于第一緩沖層110具有位錯的區(qū)域刻蝕速率較快，而無位錯區(qū)域刻蝕速率相對較慢，因此在所述第一緩沖層Iio的表面形成多個凹槽110a。在本實施例中，在刻蝕過程中，刻蝕氣體例如為三氯化硼(BCl3)和氯氣(Cl2)的混合物，腔室氣壓為5 IOOmTorr,底板功率為200到400瓦，線圈功率為100到200瓦， 三氯化硼的流量為5 50SCCn，氯氣的流量為10 lOOsccm。優(yōu)選地，如圖6和圖9所示， 所述凹槽IlOa的高寬比大于或等于1.2 1，所述凹槽IlOa的高度(本實施例中是指最大高度)H為1 3μπι，所述凹槽IlOa的寬度W為1 2μπι，所述凹槽IlOa的長度L為 1 10 μ m。所述凹槽IlOa的密度大于或等于108/cm2，每個凹槽IlOa內(nèi)可形成有一個空洞121，相應(yīng)的，空洞121的密度也大于或等于108/Cm2，外延層線性位錯的密度至少可以降低至IOVcm2以下。如圖6所示，在所述第一緩沖層110上形成凹槽1 IOa之后，在所述第一緩沖層110 具有凹槽IlOa的一側(cè)表面形成第二緩沖層120，所述第二緩沖層120可以采用現(xiàn)有技術(shù)的制造方法形成，如采用金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積的方法形成。結(jié)合圖10所示，由于沉積工藝的特性所致，在形成所述第二緩沖層120的過程中，凹槽中心位置無法完全填充到(凹槽側(cè)壁附近相對容易覆蓋上第二緩沖層)，隨著第二緩沖層的逐步沉積，其中心形成
5了空洞而頂部逐漸趨于平緩，直至最終形成了頂部平滑而中心位置具有空洞的第二緩沖層 120。其中，所述第一緩沖層110和第二緩沖層120的厚度通常為數(shù)百至上萬埃，材料通常為氮化鎵或者氮化鋁(AlN)。優(yōu)選的，當(dāng)所述襯底100為藍(lán)寶石襯底時，所述第一緩沖層 110和第二緩沖層120均為低溫條件下生長的氮化鎵(LT GaN)層；當(dāng)所述襯底100為硅襯底時，所述第一緩沖層110和第二緩沖層120均為氮化鋁層；再或者，當(dāng)所述襯底100為硅襯底時，先在所述襯底100上生長一層氮化鋁層101，然后在所述氮化鋁層101上形成第一緩沖層110和第二緩沖層120，所述第一緩沖層110和第二緩沖層120均選用低溫條件下生長的氮化鎵。在形成所述第二緩沖層120的過程中，使得填充在所述凹槽IlOa內(nèi)的第二緩沖層120中必然形成了空洞121。如圖7所示，形成所述第二緩沖層120之后，在所述第二緩沖層120上形成氮化鎵層130。由于所述空洞121的存在，氮化鎵層130中的線性位錯被終止于這些空洞，即氮化鎵層130中的位錯被吸收，從而降低了氮化鎵層130的位錯密度，釋放了氮化鎵層130中的應(yīng)力，由此可形成缺陷較少的氮化鎵層。在本實施例中，可利用金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方式在緩沖層 110上形成氮化鎵層130。其中，所述MOCVD工藝可采用較高的溫度以及較低的腔室壓力， 以加快MOCVD工藝的沉積速率，進而提高生產(chǎn)效率。例如，所述MOCVD工藝的溫度為800 1400°C，腔室壓力為400 760torr，沉積速率可大于lOym/hour。優(yōu)選地，所述氮化鎵層 130的厚度為100 μ m 10cm。如圖8所示，在所述第二緩沖層120上形成氮化鎵層130之后，可直接去除襯底 100、第一緩沖層110和第二緩沖層120，而僅保留缺陷少、高質(zhì)量的氮化鎵層130。所述氮化鎵層130可用作襯底材料，用于制造發(fā)光二極管等器件。本實施例中，去除步驟可分兩步進行首先，可利用激光剝離(laser lift-off) 或濕法刻蝕的方式去除襯底100，所述激光剝離工藝聚焦到某一界面，利用高溫將聚焦處的材料融化，從而將襯底100剝離掉，所述濕法刻蝕工藝采用的刻蝕液體為硫酸和磷酸混合液；接著，可利用研磨的方式去除第一緩沖層110和第二緩沖層120，從而僅僅保留了缺陷少、高質(zhì)量的氮化鎵層；當(dāng)然，在本發(fā)明其它具體實施例中，也可利用激光剝離或濕法刻蝕的方式先去除襯底100和部分緩沖層，然后再去除剩余的緩沖層。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下還可以構(gòu)成許多有很大差別的實施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明并不限于在說明書中所述的具體實施例。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，包括提供一襯底；在所述襯底上形成第一緩沖層；刻蝕所述第一緩沖層，使所述第一緩沖層表面形成多個凹槽；形成第二緩沖層，所述第二緩沖層覆蓋所述第一緩沖層具有凹槽一側(cè)的表面，使得所述凹槽內(nèi)的第二緩沖層中形成有空洞；在所述第二緩沖層上形成氮化鎵層；去除所述襯底、第一緩沖層和第二緩沖層。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，所述凹槽的高寬比大于或等于1. 2 1。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，采用無掩膜感應(yīng)耦合等離子反應(yīng)刻蝕的方式刻蝕所述第一緩沖層。
4.如權(quán)利要求3所述的氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，刻蝕所述第一緩沖層的步驟中，刻蝕氣體為三氯化硼和氯的混合物，腔室氣壓為5 lOOmTorr，底板功率為 200 400W，線圈功率為100 200ffo
5.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，利用金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積的方式在所述襯底上形成第一緩沖層。
6.如權(quán)利要求5所述的氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，形成第一緩沖層的步驟中，腔室壓力為100 600Torr，溫度為500 800°C。
7.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，利用金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積的方式形成第二緩沖層。
8.如權(quán)利要求7所述的氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，形成第二緩沖層的步驟中，腔室壓力為100 IOOOmTorr,溫度為800 1000°C。
9.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，利用金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積的方式在所述第二緩沖層上形成氮化鎵層。
10.如權(quán)利要求9所述的氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，形成所述氮化鎵層的步驟中，腔室壓力為400 760Torr，溫度為800 1400°C。
11.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，所述襯底的材質(zhì)為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、砷化鎵或尖晶石。
12.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，去除所述襯底、第一緩沖層和第二緩沖層的步驟包括利用激光剝離或濕法刻蝕的方式去除所述襯底；以及利用研磨的方式去除第一緩沖層和第二緩沖層。
13.如權(quán)利要求12所述的氮化鎵襯底材料的制造方法，其特征在于，所述濕法刻蝕工藝采用的刻蝕液體為硫酸和磷酸的混合液。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮化鎵襯底材料的制造方法，包括提供一襯底；在所述襯底上形成第一緩沖層；刻蝕所述第一緩沖層，使所述第一緩沖層表面形成多個凹槽；形成第二緩沖層，所述第二緩沖層覆蓋所述第一緩沖層具有凹槽一側(cè)的表面，使得所述凹槽內(nèi)的第二緩沖層中形成有空洞；在所述第二緩沖層上形成氮化鎵層；去除所述襯底、第一緩沖層和第二緩沖層。由于所述空洞的存在，從而降低了氮化鎵層的位錯密度，釋放了氮化鎵層中的應(yīng)力，由此可形成缺陷較少的氮化鎵層。
文檔編號C23C16/34GK102222738SQ20111017102
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者張汝京 申請人:西安神光安瑞光電科技有限公司