本發(fā)明涉及到半導(dǎo)體工藝和器件領(lǐng)域，具體指一種在藍寶石襯底上生長具有不同極性GaN結(jié)構(gòu)的方法。

背景技術(shù)：

纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN具有六方晶體結(jié)構(gòu)，在C-軸方向的正負電荷不是中心對稱的，具有本征極化效應(yīng)，在N與Ga鍵合中，共價鍵電子偏向N，所以自發(fā)極化的方向是N到Ga，在+C(0001)方向是Ga到N，表現(xiàn)為Ga-極性，所以在-C(000-1)方向表現(xiàn)出N-極性，他們具有明顯不同的特性，如化學(xué)活性、摻雜效率、極化方向、功函數(shù)、表面形態(tài)和內(nèi)電場等。雖然六方的GaN半導(dǎo)體具有這種不同的極性，但目前的GaN基器件仍基本上采用單一極性或單一晶體取向。例如，在電子器件如發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器以及微波大功率晶體管等中常采用的是Ga-極性GaN。近年來，為了把不同極性GaN的不同特征結(jié)合起來，研究者致力于在同一模板上生長具有交替Ga-極性和N-極性GaN結(jié)構(gòu)的研究。

具有交替極性GaN結(jié)構(gòu)在光學(xué)和電學(xué)器件中有重要的應(yīng)用領(lǐng)域。GaN具有大的二次非線性系數(shù)，如結(jié)合其高熱導(dǎo)率、寬帶隙和寬的透明窗口，是準(zhǔn)相位匹配(quasi-phase matching)型頻率轉(zhuǎn)換的理想材料。在準(zhǔn)相位匹配技術(shù)中，可使用晶體取向變換的周期排列來校正光通過晶體時的相對相位，這是目前非線性光學(xué)材料所無法滿足的。

目前，這種交替極性GaN結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法仍在不斷發(fā)展，主要使用異質(zhì)襯底(如藍寶石襯底、SiC襯底)，通過使用不同的襯底取向和生長條件、摻雜水平以及緩沖層和成核層來控制外延層GaN的極性。例如，在晶格失配為3.4％的SiC(0001)襯底上使用MOCVD生長GaN時，可在Si極性面的SiC襯底上外延Ga-極性GaN，在C面上獲得N-極性GaN。以前用于GaN-極性反轉(zhuǎn)的技術(shù)主要是通過Mg摻雜誘導(dǎo)的反轉(zhuǎn)，Mg重摻雜的P型層能將Ga-極性GaN變成N-極性GaN，但這個方法會導(dǎo)致薄膜內(nèi)摻雜聚集，影響薄膜的質(zhì)量和合成結(jié)構(gòu)的性能。另外，單層Mg和Mg_xN_y薄層也可將GaN的Ga-極轉(zhuǎn)換為N-極性，雖然它們不會有摻雜聚集的問題出現(xiàn)，但是在N-極性和Ga-極性材料的界面處出現(xiàn)反演疇界。后來在不使用Mg誘導(dǎo)反轉(zhuǎn)的情況下，采用一層薄的極性反轉(zhuǎn)層AlN來控制Ga-極性GaN的生長，文獻1(S.Mita.J.Cryst.Growth.311(2009)3044-3048)報道，在藍寶石襯底上生長極性反轉(zhuǎn)層AlN，再通過光刻和刻蝕工藝得到圖案化AlN，然后使用MOCVD方法生長具有交替極性變換的GaN結(jié)構(gòu)。該方法由于采用的是生長速率較慢的外延技術(shù)，對實現(xiàn)厚膜生長不利，且刻蝕步驟會對器件的結(jié)構(gòu)造成部分損壞。

考慮到GaN具有高的熱導(dǎo)率和相對較低的激光閾值，這一特性可用于功率型的頻率轉(zhuǎn)換器件，目前的非線性光學(xué)材料不能滿足要求。對這種高功率應(yīng)用，需要厚度達1毫米左右的極性交替GaN結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，雖然使用HVPE和氨熱法制備GaN體材料日趨成熟，但GaN襯底成本仍居高不下，使用GaN襯底生長周期取向且較厚的GaN結(jié)構(gòu)仍較難普及。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出在藍寶石襯底上預(yù)先生長N-極性的GaN模板，在模板上通過圖案化的掩膜層選擇性生長用于極性變換的AlN，剝離掩膜層圖案化AlN，最后在裸露的N-極性的GaN模板和圖案化AlN上使用HVPE生長厚膜GaN，滿足高功率器件需要厚度達1mm的極性交替的GaN要求。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種在藍寶石襯底上生長具有不同極性GaN結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括以下步驟：

(1)在藍寶石襯底上生長N-極性GaN，得藍寶石襯底/N-極性GaN結(jié)構(gòu)作為模板；代替了成本較高的GaN襯底，而且避免了直接用藍寶石襯底時在異質(zhì)襯底上因晶格失配和熱失配產(chǎn)生的缺陷；

(2)通過光刻工藝在所述模板上制作圖案化的光刻膠作為掩膜層，得藍寶石襯底/N-極性GaN/圖案化光刻膠結(jié)構(gòu)；

所述圖案化光刻膠是指按照一定的圖案去除部分光刻膠保留剩余部分光刻膠同時使相應(yīng)的位于所述去除部分光刻膠的下層的N-極性GaN裸露。

(3)在所述掩膜層和裸露的N-極性GaN上選擇性生長極性反轉(zhuǎn)層AlN，得藍寶石襯底/N-極性GaN/圖案化光刻膠/AlN結(jié)構(gòu)。

(4)剝離掩膜層，得藍寶石襯底/N-極性GaN/圖案化AlN結(jié)構(gòu)；省去了傳統(tǒng)圖案化工藝中的刻蝕步驟；

圖案化AlN是指去除圖案化光刻膠同時使相應(yīng)的位于所述去除部分光刻膠的下層的N-極性GaN裸露。

(5)在所述藍寶石襯底/N-極性GaN/圖案化AlN結(jié)構(gòu)上生長GaN，在所述剩余部分AlN上生長的GaN為Ga-極性，在所述裸露的N-極性GaN上生長的GaN為N-極性，得到在藍寶石襯底上生長具有不同極性GaN結(jié)構(gòu)。

進一步地，所述步驟(1)采用C面藍寶石作為襯底，包括生長N-極性GaN前對所述藍寶石襯底進行氮化處理。

進一步地，所述步驟(2)中所用的光刻膠是耐高溫的正膠AZ6130。

進一步地，所述步驟(2)中所述的光刻工藝包括勻膠、曝光、顯影。

進一步地，所述步驟(3)采用低溫等離子體增強原子層沉積(PEALD)技術(shù)選擇性生長AlN，相比傳統(tǒng)的CVD技術(shù)，它可以直接通過圖案化的光刻膠上選擇性生長均勻性好、厚度可以精確控制的AlN薄膜；

所述的低溫為150℃；

所述的PEALD制備AlN中Al源為TMA(三甲基鋁)

；N源為Ar、N₂和H₂的混合氣體；

所述混合氣體中各氣體體積比例為Ar：N₂：H₂＝1:3:6；

所述的選擇性生長是指只在裸露的N-極性GaN區(qū)域生長AlN,而掩膜層上很難生長AlN。

進一步地，所述步驟(4)采用丙酮剝離掩膜層。

進一步地，所述步驟(5)采用較快生長速率的氫化物氣相外延(HVPE)方法生長極性交替的GaN結(jié)構(gòu)，與生長速率較慢的MOCVD外延方法相比，更有望滿足功率型頻率轉(zhuǎn)換器件所需厚度達1mm的極性交替的GaN要求。

進一步地，所述步驟(5)具體為利用氮氣將氯化氫攜帶到鎵舟處與金屬鎵反應(yīng)，生成氯化鎵，將氨氣和所述氯化鎵分別引入生長區(qū)在所述藍寶石襯底/N-極性GaN/圖案化AlN結(jié)構(gòu)表面生成GaN，可通過控制生長時間來控制GaN厚度；

所述鎵舟處的溫度為800-850℃；

所述生長區(qū)溫度為1050-1070℃；

所述氯化氫的流速為0.01slm；

所述氨氣的流速為0.6-1slm。

進一步地，所述步驟(1)中N-極性GaN的厚度為1.5-2um。

進一步地，所述步驟(2)中掩膜層的厚度為0.1-1um。

進一步地，所述步驟(3)中極性反轉(zhuǎn)層AlN的厚度為20-45nm。

進一步地，所述步驟(2)中的圖案為等寬、等間距的的條形結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明是以在藍寶石襯底上外延生長GaN層作為模板，代替了成本較高的GaN襯底，而且避免了直接用藍寶石襯底時在異質(zhì)襯底上因晶格失配和熱失配產(chǎn)生的缺陷。

(2)本發(fā)明使用PEALD技術(shù)直接在圖案化掩膜層和裸露的模板上選擇性生長極性反轉(zhuǎn)層AlN，與MOCVD(約700℃)生長的AlN相比，該方法可以在低溫至150℃條件下制備均勻、厚度可以精確控制的AlN薄膜，且保證掩膜層完好無損；選擇性生長使得掩膜層上不會有AlN生成，剝離后即得到圖案化AlN,省去了傳統(tǒng)圖案化工藝中的刻蝕步驟，避免了刻蝕對器件結(jié)構(gòu)的損壞。

(3)本發(fā)明使用較快生長速率的HVPE方法生長極性交替的GaN結(jié)構(gòu)，與生長速率較慢的MOCVD外延方法相比，更有望滿足功率型頻率轉(zhuǎn)換器件所需厚度達1mm的極性交替的GaN要求。

附圖說明

圖1、本發(fā)明實施例方法流程圖。

圖2、是本發(fā)明提供的在藍寶石襯底上生長N-極性GaN模板的結(jié)構(gòu)圖。

圖3、是本發(fā)明提供的在模板上制作圖案化的掩膜層光刻膠的結(jié)構(gòu)圖。

圖4、是本發(fā)明提供的選擇性生長極性反轉(zhuǎn)層AlN的結(jié)構(gòu)圖。

圖5、是本發(fā)明提供的圖案化AlN的結(jié)構(gòu)圖。

圖6、是本發(fā)明提供的在N-極性GaN模板上生長極性交替的GaN結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發(fā)明有更好的了解，在下文對本發(fā)明的細節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。

實施例1

藍寶石襯底上生長交替Ga-和N-極性GaN結(jié)構(gòu)的方法：

步驟1：將藍寶石襯底用異丙醇、丙酮、甲醇、酒精、去離子水于室溫下依次超聲清洗5分鐘，最后用N₂吹干。

步驟2：將清洗后的藍寶石襯底放于富含N的MOCVD反應(yīng)室中，在高溫下進行氮化處理后，以三乙基鎵TEG和NH₃分別作為Ga和N源，在溫度為1100℃，腔壓為150Torr，V/III比率為600-3000的條件下生長膜厚為1.5-2um的N-極性GaN。

步驟3：以N-極性GaN為模板，用光刻工藝制備圖案化的光刻膠：將上述樣品放在去離子水中浸泡2分鐘，然后用80℃的標(biāo)準(zhǔn)清洗液SC1(NH₄0H:H₂O₂：H₂O＝1：1：5)清洗10分鐘，再用去離子水清洗和氮氣吹干，利用旋轉(zhuǎn)涂敷法在模板表面制備一層厚度在0.1-1um之間的正膠(AZ6130)，并置于95℃烤箱上烘烤2.5分鐘，將烘干后的樣品放入光刻機中，通過掩膜版對其進行選擇性紫外曝光，最后對光刻膠置于丙酮中顯影，將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到N-極性GaN模板上，得到圖案化的光刻膠(AZ6130)。

步驟4：PEALD沉積用于反轉(zhuǎn)極性的AlN層：將上述樣品用去離子水沖洗和氮氣吹干后送入PEALD反應(yīng)室中，將樣品臺的溫度升高至150℃，使用三甲基鋁TMA和Ar/N2/H2分別作為Al和N源，在生長參數(shù)為：0.1s TMA dose/15s purge/30s plasma/15s purge的條件下沉積20～45nm的AlN。

步驟5：將上述樣品放入丙酮中，去除光刻膠，使光刻膠下的N-極性GaN模板裸露出來，得到圖案化AlN，并用去離子水清晰和氮氣吹干。

步驟6：將上述樣品放入HVPE反應(yīng)腔中，HVPE系統(tǒng)中鎵舟所處溫區(qū)為800-850℃，氯化氫在氮氣的攜帶下通過鎵舟，與金屬鎵反應(yīng)，生成氯化鎵，氯化鎵與氨氣分別引入生長區(qū)，溫度可以控制在1050-1070℃之間，在N-極性GaN襯底和AlN表面生成GaN，生長時氯化氫的流速是0.01slm，氨氣流量可以設(shè)在0.6-1slm之間,控制生長時間以生長較厚GaN,在AlN區(qū)域上生長的是Ga-極性GaN，在N-極性GaN上得到N-極性GaN，由此得到交替極性GaN結(jié)構(gòu)。

實施例2

1)參照圖2，將藍寶石襯底101用異丙醇、丙酮、甲醇、酒精、于室溫下依次超聲清洗5分鐘，再用去離子水反復(fù)沖洗，并用N₂吹干。將清洗后的藍寶石襯底101放于富含N的MOCVD反應(yīng)室中，在高溫下進行氮化處理后，以三乙基鎵TEG和NH₃分別作為Ga和N源，在溫度為1100℃，腔壓為150Torr，V/III比率為3000的條件下生長2um N-極性GaN層102。

2)參照圖3，以N-極性GaN為模板，用光刻工藝制作圖案化的光刻膠103：將上步中的樣品放在去離子水中浸泡2分鐘，然后用80℃的標(biāo)準(zhǔn)清洗液SC1(NH40H:H2O2：H2O＝1：1：5)清洗10分鐘，再用去離子水清洗和氮氣吹干，利用旋轉(zhuǎn)涂敷法在模板表面制備一層厚度為100nm的正膠(AZ6130)，并置于95℃烤箱上烘烤2.5分鐘，將烘干后的樣品放入光刻機中，通過掩膜版對其進行選擇性紫外曝光，最后放入丙酮中顯影40s，去除被曝光的部分，將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到N-極性GaN模板102上，得到圖案化的光刻膠(AZ6130)103。

3)參照圖4,將上步中得到的樣品用去離子水清洗和氮氣吹干后，送入PEALD反應(yīng)室中，升高樣品臺的溫度至150℃，使用三甲基鋁TMA和Ar/N₂/H₂分別作為Al和N源，在生長參數(shù)為：0.1s TMA dose/15s purge/30s plasma/15s purge的條件下沉積200個周期，得到膜厚約為30nm的AlN層104。

4)參照圖5，將得到的樣品放入丙酮中，剝離掩膜層光刻膠，露出N-極性GaN,直接生長在N-極性GaN模板上的AlN保留，得到圖案化的AlN層104。

5)參照圖6，將上述樣品放入HVPE反應(yīng)腔中，HVPE系統(tǒng)中鎵舟所處溫區(qū)為850℃，氯化氫在氮氣的攜帶下通過鎵舟，與金屬鎵反應(yīng)，生成氯化鎵，氯化鎵與氨氣分別引入生長區(qū)，在溫度為1070℃，氯化氫、氨氣、N₂載氣的流量分別是0.01slm、1slm、3slm的條件下生長GaN膜層，在N-極性GaN上得到N-極性GaN膜層106，在AlN區(qū)域上生長的是Ga-極性GaN膜層105，由此得到較厚極性交替的GaN結(jié)構(gòu)。