專利名稱:藍(lán)寶石基無(wú)掩膜橫向外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的Ⅲ族氮化物薄膜的制作方法
一.技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的、簡(jiǎn)便的無(wú)掩膜橫向外延技術(shù)并結(jié)合金屬有機(jī)氣相外延(MOCVD)薄膜技術(shù)，生長(zhǎng)GaN基III族氮化物薄膜的方法和技術(shù)，尤其是生長(zhǎng)高質(zhì)量、低位錯(cuò)密度GaN薄膜的方法。
二.技術(shù)背景以GaN及InGaN、AlGaN合金材料為主的III族氮化物材料(又稱GaN基III族氮化物材料)是近幾年來(lái)國(guó)際上備受重視的新型半導(dǎo)體材料，其1.9-6.2eV連續(xù)可變的直接帶隙，優(yōu)異的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，高飽和電子漂移速度，高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高熱導(dǎo)率等優(yōu)越性能，使其成為短波長(zhǎng)半導(dǎo)體光電子器件和高頻、高壓、高溫微電子器件制備的最優(yōu)選材料。
由于GaN本身物理性質(zhì)的限制，GaN體單晶的生長(zhǎng)具有很大的困難，尚未實(shí)用化，所以，外延GaN都是在異質(zhì)襯底上進(jìn)行。由于藍(lán)寶石具有與纖鋅礦III族氮化物相同的對(duì)稱性，在其上能夠生長(zhǎng)穩(wěn)定的六方相GaN，同時(shí)，藍(lán)寶石襯底具有制備工藝成熟、價(jià)格較低、易于清洗和處理，高溫下有很好的穩(wěn)定性，所以，在六方GaN的外延生長(zhǎng)中，藍(lán)寶石是使用最為普遍的一種襯底。但是由于它和六方GaN外延層有很大的晶格失配(16％)，熱膨脹系數(shù)也有較大差異，在外延生長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的晶體缺陷。
對(duì)于兩步生長(zhǎng)法生長(zhǎng)的六方GaN，最低位錯(cuò)密度據(jù)報(bào)道也在108cm-2量級(jí)以上，這嚴(yán)重阻礙了GaN在激光器和高速電子器件的發(fā)展，所以降低晶體缺陷，提高GaN薄膜的晶體質(zhì)量顯得尤其重要。為了降低GaN的晶體缺陷，采取了很多方法，其中最有效的方法就是采用橫向外延(Epitaxial-Lateral-Overgrown，ELO)技術(shù)，位錯(cuò)密度可以降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
傳統(tǒng)的GaN橫向外延技術(shù)是指在已經(jīng)獲得的GaN平面材料上淀積掩蔽材料(如SiO2、Si3N4等)并刻出特定的圖形窗口，然后在已開好圖形的襯底窗口區(qū)進(jìn)行外延生長(zhǎng)，而抑制在掩膜區(qū)表面上成核，當(dāng)窗口區(qū)長(zhǎng)滿后，就以足夠大的橫縱向生長(zhǎng)速率比進(jìn)行側(cè)向鋪伸外延，直至整個(gè)外延層連成一片。采用橫向外延技術(shù)，掩膜區(qū)的線位錯(cuò)在橫向生長(zhǎng)區(qū)被截?cái)喽?，窗口區(qū)的部分線位錯(cuò)向橫向生長(zhǎng)區(qū)彎曲90°，使得線位錯(cuò)不能到達(dá)薄膜表面，這樣線位錯(cuò)大大減少，所以使用橫向外延生長(zhǎng)可以大幅度降低外延層中的位錯(cuò)密度，并改善外延層質(zhì)量，降低外延層非故意摻雜電子濃度，從而降低P型摻雜難度等。但由于傳統(tǒng)的橫向外延生長(zhǎng)技術(shù)都采用了掩膜版，不僅使得橫向外延工藝復(fù)雜，而且掩膜區(qū)外延薄膜和底下的掩膜版之間的相互作用，使得橫向外延生長(zhǎng)的掩膜區(qū)薄膜會(huì)發(fā)生向下的晶向傾斜以及在掩膜區(qū)邊界處會(huì)產(chǎn)生一些低角度晶界。
為了解決傳統(tǒng)橫向外延技術(shù)存在的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，現(xiàn)發(fā)明一種新型的，簡(jiǎn)便的無(wú)掩膜橫向外延技術(shù)，并結(jié)合MOCVD薄膜生長(zhǎng)技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量、低位錯(cuò)密度GaN基III族氮化物薄膜。
三.
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)藍(lán)寶石襯底上傳統(tǒng)橫向外延生長(zhǎng)GaN薄膜存在的問(wèn)題，采用化學(xué)方法腐蝕藍(lán)寶石襯底，以形成一定圖案的藍(lán)寶石襯底，然后再在此基底上橫向外延GaN薄膜，這樣不僅可以獲得高質(zhì)量、低位錯(cuò)密度的GaN基III族氮化物薄膜，而且還可以克服傳統(tǒng)橫向外延工藝復(fù)雜、晶向傾斜高的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下用王水、硫酸、鹽酸、磷酸、硝酸或者熔融氫氧化鉀溶液，在200℃～500℃的溫度下，對(duì)藍(lán)寶石襯底腐蝕30min～60min，由于藍(lán)寶石襯底本身具有一定的缺陷，在缺陷集中的位置，腐蝕速度較快，這樣藍(lán)寶石襯底就在缺陷集中的位置形成一定的腐蝕坑，也就形成了一定圖案的藍(lán)寶石襯底。通過(guò)嚴(yán)格控制腐蝕時(shí)間和腐蝕溫度就可以控制腐蝕坑的尺寸以及腐蝕坑的密度。
由于這些腐蝕坑的位置是缺陷集中的位置，這樣在隨后的外延生長(zhǎng)過(guò)程中，在這些位置處不容易形核，即在沉積緩沖層低溫GaN薄膜時(shí)，首先在沒有腐蝕坑的位置形核，形成一定的籽晶，然后再沉積高溫GaN薄膜，通過(guò)改變生長(zhǎng)工藝條件，使其橫向生長(zhǎng)速度大于縱向生長(zhǎng)速度，發(fā)生橫向生長(zhǎng)。當(dāng)橫向生長(zhǎng)達(dá)到一定程度后，便會(huì)使兩翼在腐蝕坑處聚合，得到全覆蓋的GaN外延層。由于在沒有腐蝕坑處本身不是缺陷集中的位置，同時(shí)在隨后的橫向外延生長(zhǎng)過(guò)程中，其部分線位錯(cuò)彎曲90°，使其不能到達(dá)薄膜表面，這樣可以大大降低位錯(cuò)密度；而且腐蝕坑的中空結(jié)構(gòu)可以釋放應(yīng)力，提高外延層的質(zhì)量。
當(dāng)采用該方法生長(zhǎng)GaN薄膜聚合長(zhǎng)平后，可以在其上生長(zhǎng)III族氮化物材料，繼而繼續(xù)生長(zhǎng)高質(zhì)量的發(fā)光管、激光管、探測(cè)器等任意器件結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)1.本發(fā)明具有與傳統(tǒng)橫向外延生長(zhǎng)一樣的降低薄膜位錯(cuò)密度的機(jī)理，可以獲得高質(zhì)量、低位錯(cuò)密度的GaN薄膜。
2.通過(guò)嚴(yán)格控制腐蝕時(shí)間、腐蝕溫度等腐蝕條件可以控制腐蝕坑的尺寸和密度，即可以控制腐蝕坑面積所占的比例，也即可以控制低位錯(cuò)密度區(qū)的面積。
3.由于橫向外延生長(zhǎng)過(guò)程中，兩翼會(huì)在腐蝕坑處聚合，而腐蝕坑的中空結(jié)構(gòu)可以釋放應(yīng)力，大大提高外延層的質(zhì)量。
4.本發(fā)明沒有采用掩膜版，這樣可以大大降低掩膜區(qū)晶體的晶向傾斜。
5.本發(fā)明沒有采用傳統(tǒng)橫向外延生長(zhǎng)技術(shù)中必須采用的光學(xué)刻蝕和離子刻蝕技術(shù)，這樣大大簡(jiǎn)化了橫向外延生長(zhǎng)工藝。
6.可以用化學(xué)腐蝕的方法對(duì)沒有外延好的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行處理，這樣襯底可以重復(fù)利用，具有很高的商業(yè)價(jià)值。
四.
圖1為本發(fā)明一定圖案藍(lán)寶石基橫向外延生長(zhǎng)III族氮化物薄膜的各層結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2為本發(fā)明表面處理形成一定圖案的藍(lán)寶石襯底形貌圖。
圖3為本發(fā)明表面處理形成的腐蝕坑大致形貌圖。
五.
具體實(shí)施方式本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)便、無(wú)掩膜，在表面處理形成一定圖案的藍(lán)寶石襯底上橫向外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的III族氮化物的一種新方法，包括如下步驟1.采用王水、硫酸、鹽酸、磷酸、硝酸或者熔融氫氧化鉀溶液，在200℃～500℃的溫度下，對(duì)藍(lán)寶石襯底腐蝕30min～60min，以形成一定圖案。
2.將腐蝕好的藍(lán)寶石襯底用去離子水沖洗干凈，然后用丙酮超聲3min～5min，以去除襯底上的有機(jī)物，再用去離子水沖洗干凈；甩干。
3.將甩干的藍(lán)寶石襯底立即放入MOCVD反應(yīng)腔內(nèi)。
4.將MOCVD的溫度迅速升到1000℃～1150℃，同時(shí)通NH3，對(duì)襯底進(jìn)行氮化處理。
5.生長(zhǎng)GaN緩沖層2，沉積溫度為500℃～600℃，其厚度為20nm～30nm。
6.橫向外延生長(zhǎng)高溫GaN薄膜3，通過(guò)改變外延生長(zhǎng)工藝條件，使其橫向生長(zhǎng)出平整的GaN薄膜，沉積溫度為1000℃～1100℃。
7.在平整的GaN薄膜上改變外延條件，生長(zhǎng)III族氮化物薄膜。
8.如需制作光電器件，在上述外延晶體上生長(zhǎng)器件所需的各層結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.藍(lán)寶石基無(wú)掩膜橫向外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的III族氮化物薄膜的新方法，其特征是表面處理形成一定圖案的藍(lán)寶石襯底1，以及在襯底1與氮化物半導(dǎo)體材料4之間有GaN緩沖層2和橫向外延生長(zhǎng)的高質(zhì)量GaN層3。
2.由權(quán)利要求
1所述的表面處理形成一定圖案的藍(lán)寶石襯底1，其特征是采用化學(xué)腐蝕的方法腐蝕藍(lán)寶石襯底，形成一定的圖案，提供橫向外延基底。
3.由權(quán)利要求
2所述的化學(xué)腐蝕方法，可以采用王水、硫酸、鹽酸、磷酸、硝酸或者熔融氫氧化鉀溶液，高溫化學(xué)腐蝕，腐蝕溫度為200℃～500℃，腐蝕時(shí)間為30min～60min，通過(guò)嚴(yán)格控制腐蝕溫度和腐蝕時(shí)間，可以控制藍(lán)寶石襯底的圖案。
4.由權(quán)利要求
1所述的藍(lán)寶石襯底圖案，其特征是深度為100nm～500nm的腐蝕坑，腐蝕坑密度為103cm-2～106cm-2，通過(guò)嚴(yán)格控制腐蝕溫度和腐蝕時(shí)間，可以控制腐蝕坑的深度和腐蝕坑密度。
5.由權(quán)利要求
1所述的GaN緩沖層2，其特征是緩沖層為低溫生長(zhǎng)，而且先在沒有腐蝕坑位置形核，形成籽晶，生長(zhǎng)溫度為500℃～600℃，其厚度為20nm～30nm。
6.由權(quán)利要求
1所述的橫向外延生長(zhǎng)的GaN層3，其特征是通過(guò)橫向外延生長(zhǎng)，使兩翼在凹坑處聚合生長(zhǎng)，這樣可以大大降低位錯(cuò)密度，同時(shí)凹坑的中空結(jié)構(gòu)可以釋放應(yīng)力，提高外延層質(zhì)量。
專利摘要
一種藍(lán)寶石襯底上無(wú)掩膜橫向外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的III族氮化物薄膜的新技術(shù)，該技術(shù)采用化學(xué)腐蝕的方法腐蝕藍(lán)寶石襯底，以形成一定圖案的藍(lán)寶石襯底1，提供橫向外延基底，緩沖層2為低溫GaN薄膜，3為橫向外延生長(zhǎng)的高溫GaN薄膜。緩沖層2首先在沒有腐蝕坑位置的藍(lán)寶石襯底1處外延生長(zhǎng)，形成一定的籽晶，在籽晶處外延生長(zhǎng)的同時(shí)，改變外延生長(zhǎng)工藝條件，使其橫向外延，以使兩翼在腐蝕坑處翼合，形成高質(zhì)量、低位錯(cuò)密度的GaN薄膜3，這樣就可以在GaN薄膜3上沉積高質(zhì)量的III族氮化物薄膜4。這種橫向外延技術(shù)不僅可以降低位錯(cuò)密度，而且克服了傳統(tǒng)橫向外延技術(shù)工藝復(fù)雜和晶向傾斜高的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/00GK1992166SQ200510003405
公開日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年12月29日
發(fā)明者彭冬生, 馮玉春, 牛憨笨, 王文欣 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan