專利名稱：一種用于生長厚膜GaN材料的圖形化模板的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬生長GaN材料的模板領(lǐng)域，特別是涉及一種用于生長厚膜GaN材料的圖形化模板的制備方法。
背景技術(shù)：
GaN基藍(lán)色和紫外發(fā)光二極管及激光器等光電器件具有廣闊的應(yīng)用前景，因此吸引力人們濃厚的興趣。然而，由于很難獲得高質(zhì)量及成本合理的GaN襯底，現(xiàn)在許多GaN基光電器件是異質(zhì)外延生長在藍(lán)寶石等異質(zhì)襯底上，這些異質(zhì)襯底與GaN材料之間的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)失配將在GaN膜的生長過程中引入位錯，在冷卻過程中產(chǎn)生裂紋，從而影響外延膜的質(zhì)量，進(jìn)而影響器件的性能。因此，制備GaN同質(zhì)襯底是進(jìn)一步發(fā)展GaN基器件的關(guān)鍵。國內(nèi)外研究人員已經(jīng)采用了一些方法來降低GaN同質(zhì)襯底中的位錯密度，減少材料中的應(yīng)力，提高GaN膜質(zhì)量，其中包括橫向外延過生長(ELOG)技術(shù)、生長中斷技術(shù)等，但這些工作大多數(shù)都是針對生長在藍(lán)寶石襯底厚膜GaN開展的，而Si襯底雖然容易去除，但是Si和GaN之間的晶格失配非常大，同時Si與( 之間容易發(fā)生互熔從而影響生長，因此目前還沒有成功用于GaN同質(zhì)襯底的制備。。如何在提高GaN外延材料質(zhì)量的同時又能夠很容易實現(xiàn)GaN膜與襯底之間的剝離是獲取GaN同質(zhì)襯底的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于生長厚膜GaN材料的圖形化模板的制備方法，該方法簡單，充分利用Si襯底尺寸大的優(yōu)勢，可以用于大尺寸GaN同質(zhì)襯底的制備，適合于工業(yè)化生產(chǎn)；空氣橋結(jié)構(gòu)的外延生長方法，大大釋放了 GaN外延層中的應(yīng)力，避免了由于GaN和Si之間的大失配而造成厚膜GaN碎裂。本發(fā)明的一種用于生長厚膜GaN材料的圖形化模板的制備方法，包括(1)選擇表面生長了 GaN外延層的Si襯底作為模板；(2)在步驟(1)中所述的模板上，沉積一層SW2或SiNx介質(zhì)薄層；(3)在上述SW2或SiNx介質(zhì)薄層上通過光刻、沉積金屬和剝離的方法獲得圖形化的金屬薄層；(4)采用干法刻蝕技術(shù)對上述步驟( 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，刻蝕一直深入到Si襯底， 得到圖形化的金屬層/介質(zhì)層/GaN/Si襯底結(jié)構(gòu)；(5)去除金屬層/介質(zhì)層/GaN/Si襯底結(jié)構(gòu)殘留的金屬；(6)通過氧化或氮化處理，使得步驟中露出的Si的表面覆蓋SiO2或SiNx層， 即得圖形化的介質(zhì)層/GaN/Si襯底模板。所述步驟(1)在Si襯底上，采用氫化物氣相外延生長(HVPE)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)方法中的任意一種生長作為模板的GaN外延層，生長的GaN外延層厚度為0. 1-50 μ m。在GaN外延層和Si襯底之間可以含有AKkiN、AlN等成核層或者插入層結(jié)構(gòu)。所述步驟(2)在GaN外延層上沉積的SiO2或SiNx介質(zhì)薄膜的厚度為IOnm-IO μ m。所述步驟中的干法刻蝕技術(shù)為反應(yīng)離子刻蝕和誘導(dǎo)藕合等離子體刻蝕。更進(jìn)一步所述步驟(4)中的干法刻蝕技術(shù)為誘導(dǎo)藕合等離子體(ICP)方法刻蝕掉 GaN，然后再用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法刻蝕襯底Si，而SiO2或SiNx介質(zhì)的刻蝕可以采用干法刻蝕或者堿性溶液去除。所述步驟(5)使用酸或堿溶液去除金屬層/介質(zhì)層/GaN/Si襯底結(jié)構(gòu)殘留的金 jM ο該方法適用于生長GaN厚膜(5 μ m以上)材料。將本發(fā)明的圖形化的介質(zhì)層/GaN/Si襯底模板置于MOCVD或者HVPE設(shè)備中生長厚膜GaN。生長時，由于GaN外延層表面有SW2或SiNx層，因此GaN將選擇生長在的GaN外延層的側(cè)壁上，經(jīng)過橫向外延生長過程連接成完整的GaN膜，進(jìn)而再次選擇外延生長并形成厚膜GaN，而在Si表面由于有SW2或SiNx層能夠有效抑制GaN的結(jié)晶而不能實現(xiàn)生長， 從而在GaN膜的下方形成孔隙，實現(xiàn)了空氣橋方式的生長。有益效果(1)本發(fā)明的方法簡單，充分利用Si襯底尺寸大的優(yōu)勢，實現(xiàn)大尺寸(根據(jù)硅片尺寸)GaN同質(zhì)襯底的制備，適合于工業(yè)化生產(chǎn)；(2)本發(fā)明采用介質(zhì)層/GaN/Si襯底圖形化模板，實現(xiàn)了材料的兩次橫向外延過生長，減少了位錯密度，提高了晶體質(zhì)量；(3)由于本發(fā)明的空氣橋結(jié)構(gòu)的外延生長方法，大大釋放了 GaN外延層中的應(yīng)力， 避免了由于GaN和Si之間的大失配而造成厚膜GaN碎裂。


圖1為本發(fā)明提供的圖形化介質(zhì)層/GaN/Si襯底模板上生長厚膜GaN的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1. Si ；2. SiO2或SiNx ;3·孔洞；4. GaN外延層5.介質(zhì)層；6.外延生長的厚膜GaN ；圖2為實施例1所得的圖形化的SiA/GaN/Si襯底模板上生長的GaN膜的橫截面掃描電鏡圖；其中6.厚膜GaN，5. 孔洞，1. Si。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。實施例1(1)在Si襯底上采用MOCVD方法生長一層約1. 5 μ m厚的GaN外延層作為模板；(2)在GaN外延層上，PECVD方法沉積一層約200nm的SW2介質(zhì)薄層；(3)在SW2介質(zhì)薄層上通過光刻工藝獲得圖形化的光刻膠掩膜；在光刻圖形上用電子束蒸發(fā)金屬和剝離的方法獲得7 μ m金屬條和3 μ m縫隙相間的圖形化的金屬薄層，金屬的層總厚度為200nm;(4)利用金屬條作為掩膜，先用ICP方法刻蝕掉窗口處的S^2介質(zhì)和GaN，然后再用RIE方法刻蝕襯底Si，得到的金屬層/介質(zhì)層/GaN/Si襯底結(jié)構(gòu)；通過刻蝕使部分的GaN 外延層處于懸空狀態(tài)；(5)用鹽酸去除SW2層上殘留的金屬；(6)通過氧化處理，使得溝槽處露出的Si的表面覆蓋SiO2層，以避免Si表面的成核以及fei、Si互熔，從而得到圖形化的SiA/GaN/Si襯底模板；(7)經(jīng)清洗后，將模板放入MOCVD反應(yīng)室，進(jìn)行生長，得到平整的厚膜GaN(如圖2 所示)。
權(quán)利要求
1.一種用于生長GaN材料的圖形化模板的制備方法，包括(1)選擇表面生長了GaN外延層的Si襯底作為模板；(2)在步驟(1)中所述的模板上，沉積一層S^2或SiNx介質(zhì)薄層；(3)在上述SW2或SiNx介質(zhì)薄層上通過光刻、沉積金屬和剝離的方法獲得圖形化的金屬薄層；(4)采用干法刻蝕技術(shù)對上述步驟C3)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，刻蝕一直深入到Si襯底，得到圖形化的金屬層/介質(zhì)層/GaN/Si襯底結(jié)構(gòu)；(5)去除金屬層/介質(zhì)層/GaN/Si襯底結(jié)構(gòu)上殘留的金屬；(6)通過氧化或氮化處理，使得步驟(4)中露出的Si的表面覆蓋SiO2或SiNx層，即得圖形化的介質(zhì)層/GaN/Si襯底模板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于生長GaN材料的圖形化模板的制備方法，其特征在于所述步驟(1)在Si襯底上，采用氫化物氣相外延生長、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積或分子束外延方法生長作為模板的GaN外延層，生長的GaN外延層厚度為0. 1-50 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于生長GaN材料的圖形化模板的制備方法，其特征在于所述步驟(1)在GaN外延層和Si襯底之間含有AK}aN、AlN成核層或者插入層結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于生長GaN材料的圖形化模板的制備方法，其特征在于所述步驟(2)在GaN外延層上沉積的SW2或SiNx介質(zhì)薄膜的厚度為IOnm-IO μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于生長GaN材料的圖形化模板的制備方法，其特征在于所述步驟中的干法刻蝕技術(shù)為反應(yīng)離子刻蝕和誘導(dǎo)藕合等離子體刻蝕。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種用于生長GaN材料的圖形化模板的制備方法，其特征在于所述步驟(4)中的干法刻蝕技術(shù)為誘導(dǎo)藕合等離子體方法刻蝕掉GaN，然后再用反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕襯底Si，而Si02或SiNx介質(zhì)的刻蝕采用干法刻蝕或者堿性溶液去除。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于生長GaN材料的圖形化模板的制備方法，其特征在于所述步驟(5)使用酸或堿溶液去除金屬層/介質(zhì)層/GaN/Si襯底結(jié)構(gòu)中的金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于生長GaN材料的圖形化模板的制備方法，其特征在于該方法適用于生長厚膜GaN材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于生長GaN材料的圖形化模板的制備方法，包括(1)選擇表面生長了GaN外延層的Si襯底作為模板；(2)沉積一層SiO2或SiNx介質(zhì)薄層；(3)通過光刻、沉積金屬和剝離的方法獲得圖形化的金屬薄層；(4)采用干法刻蝕技術(shù)刻蝕介質(zhì)層/GaN/Si襯底；(5)去除殘留的金屬；(6)通過氧化或氮化處理，使得Si的表面覆蓋SiO2或SiNx層，即得。本發(fā)明簡單，充分利用Si襯底尺寸大的優(yōu)勢，實現(xiàn)大尺寸GaN同質(zhì)襯底的制備，適合于工業(yè)化生產(chǎn)；空氣橋結(jié)構(gòu)的外延生長方法，大大釋放了GaN外延層中的應(yīng)力，避免了由于GaN和Si之間的大失配而造成厚膜GaN碎裂。
文檔編號H01L21/02GK102347214SQ20111018854
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者于廣輝, 師小萍, 王斌 申請人:德泓(福建)光電科技有限公司