CN101807518A

CN101807518A - 基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制作方法

Info

Publication number: CN101807518A
Application number: CN 201010136297
Authority: CN
Inventors: 张佰君; 卫静婷; 饶文涛
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2010-08-18

Abstract

本发明涉及一种基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制备方法。该方法包括以下步骤：在衬底上生长一层GaN基模板；在该GaN基膜板上沉积铝层；用在铝层表面铺设微球层；在衬底上进行金属蒸镀；通过超声震动去除单分子层结构的微球层，得到图形化的金属层；利用该金属层作为掩膜，在铝层表面刻蚀出凹坑；去除金属层并形成多孔氧化铝层；利用多孔氧化铝层作为掩膜，将氧化铝层上的图形转移到GaN基模板上；去除多孔氧化铝层，得到GaN基材料图形衬底模板。本发明是一种工艺简单，成本较低，图形凹坑大小及间距可控的微米级GaN基图形衬底制备方法。

Description

基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制作方法

技术领域

本发明涉及半导材料生长领域，尤其涉及一种基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制备方法。

背景技术

以III-V族氮化镓(GaN)材料为代表的氮化物化合物半导体材料广泛应用于紫发光二极管、紫光激光器、紫外光探测器、以及高功率高频电子器件。由于缺乏合适的衬底材料，目前高质量的GaN基材料外延都是生长在蓝宝石、SiC以及Si等异质衬底上。但是，异质衬底和GaN基材料之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配。这将造成在利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)或分子束外延(MBE)等外延技术生长的GaN基材料外延层中，存在较大的应力和晶体缺陷密度，使得材料的晶体质量变差。特别是对在Si衬底上的生长的GaN基材料，随着外延层厚度的增加，其外延层表面会出现了裂纹，严重影响材料质量，降低器件性能。

为了缓解甚至解决晶格以及热失配带来的问题，从而生长出高质量的氮化物外延层，有研究组采用图形衬底作为氮化物外延二次生长的基体。采用图形衬底可以较好地缓解衬底和氮化物外延生长中产生的应力，降低了龟裂的密度。同时也能降低氮化物外延中的缺陷密度，提高外延材料的晶体质量。图形衬底的原理是通过外延在模板表面的横向过生长(ELO)来减少位错以及释放应力。相对于二维生长，该生长方式的优点是具有三维的应力释放机制，有利于获得低缺陷密度以及低应力的外延层。

目前，衬底的图形化大多是采用传统的光刻方法实现的，其图形尺寸会受到光刻设备和材料的精密程度的限制，图形尺寸一般在微米级之间。图形尺寸更小衬底的制备通常是采用电子束光刻或者X射线光刻技术，但是这些先进的光刻技术设备昂贵、工艺复杂，不仅成本较高，而且产率也较低。

因此提供一种工艺简单，成本较低，图形凹坑大小及间距可控的微米级半导体衬底图形制备方法是一个需要解决的技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种工艺简单，成本较低，图形凹坑大小及间距可控的微米级半导体衬底图形制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：在衬底上生长一层用于氮化物外延生长的GaN基模板；

步骤2：在该GaN基模板上沉积铝层；

步骤3：在铝层表面铺设微球，形成单分子层结构的微球层；

步骤4：在衬底上进行金属蒸镀，蒸镀的金属通过微球之间的空隙沉积到铝层的表面；

步骤5：通过超声震动去除单分子层结构的微球层，得到图形化的金属层；

步骤6：利用该金属层作为掩膜，通过化学腐蚀或等离子干法刻蚀，在铝层表面刻蚀出凹坑；

步骤7：去除金属层，并对铝层通过阳极氧化形成多孔网状氧化铝层；

步骤8：利用氧化铝层作为掩膜，通过刻蚀方式将氧化铝层上的图形转移到GaN基模板上；

步骤9：最后去除多孔氧化铝层，得到GaN基材料图形衬底模板。

作为本发明的改进之一：在步骤3中，先准备微球溶液，所采用的微球为聚苯乙烯微球、或二氧化硅、或环氧丙脂微球。

作为本发明的改进之二：在步骤3中，所述微球溶液为聚苯乙烯微球与乙醇混合配制成混合溶液；并通过旋涂法或提拉法将微球铺设在GaN基模表面。

作为本发明的改进之三：在步骤2中，所述铝层是通过电子束蒸发、热蒸发或溅射方法制备的；在步骤4中，所述的金属为金、镍、铬、锡，通过电子束蒸发、热蒸发或溅射方法进行金属蒸镀；在步骤6中，用稀硫酸在铝层表面刻蚀出凹坑。

作为本发明的改进之四：在步骤9中，通过NaOH溶液去除氧化铝膜去除氧化铝层。

作为本发明的改进之五：在步骤7中，用浓硫酸去除金属层，然后将铝层置于磷酸、硫酸或草酸溶液中进行阳极氧化。

作为本发明的改进之六：在步骤8中，氧化铝的图形转移到所述衬底是通过化学湿法腐蚀、干法诱导耦合等离子刻蚀或干法反应离子刻蚀的方法来实现的。

作为本发明的改进之七：在步骤1中，所述衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、碳化硅/硅或砷化镓；所述GaN基模板的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法或氢化物气相外延法。

作为本发明的改进之八：在步骤1中，所述的GaN基膜板采用的材料为GaN、Al_xGa_1-xN、AlN、InN、In_xGa_1-xN或Al_xIn_yGa_1-x-yN。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在对金属铝层进行阳极氧化之前，利用微球在其表面制备较为有序的浅凹坑。浅凹坑的尺寸可以根据微球的大小、溶液的配比以及旋涂或提拉的速度来加以控制和改变。在浅凹坑的诱导下，阳极氧化形成的氧化铝层的孔洞结构的有序性提高；

2、微球溶液的制备以及旋涂和提拉工艺简单，速度快，而且成本较低，适合规模化的生产；

3、阳极氧化铝的制备工艺简单，容易实现大规模的制作和量产，成本较低。而且多孔网状氧化铝的孔间距可以根据浅凹坑的间距，阳极氧化电压以及电解液加以控制和改变。

总而言之，本发明利用微球作为掩膜对阳极氧化铝作预成型的处理，制备出较为有序的多孔氧化铝膜，然后将该图形转移到GaN基模板表面，是一种低成本，并且具备规模化潜力的技术。利用该方法制备的图形化模板，有利于外延二次生长时的横向过生长，因此降低了外延的位错密度，提高了外延层的厚度同时避免了龟裂的出现，提高了晶体质量。

附图说明

图1是本发明实施方式步骤1的示意图；

图2是本发明实施方式步骤2的示意图；

图3是本发明实施方式步骤3的示意图；

图4是本发明实施方式步骤4的示意图；

图5是本发明实施方式步骤5的示意图；

图6是本发明实施方式步骤6的示意图；

图7是本发明实施方式步骤8的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制作方法包括以下步骤：

步骤(1)：利用MOCVD的方法在蓝宝石衬底1上生长厚度为2微米的GaN薄膜作为氮化物生长的GaN模板2。然后在该GaN模板2表面沉积一层厚度为4微米的铝薄层3，如图1。

步骤(2)：将聚苯乙烯微球与乙醇混合配制成混合溶液，并将混合溶液旋涂在铝薄层3表面，形成微球层4。聚苯乙烯小球聚集成单分子层结构，如图2。

步骤(3)：聚苯乙烯微球层4上沉积10nm镍，镍通过微球之间存在着间隙，沉积到模板表面，如图3。

步骤(4)：将模板置于去离子水中，，通过超声震动的方法将微球与模板表面分离并清洗干净，得到图形化的镍金属层5，如图4。

步骤(5)：将GaN模板2置于10％稀硫酸里面2分钟，由于镍对稀硫酸具有耐蚀性而铝易与稀硫酸反应，所以没有镍保护的那一部分铝会被快速腐蚀下去，最终在铝薄层3表面形成周期排列的浅凹坑，如图5。

步骤(6)：利用浓硫酸去除金属镍，并对样品进行清洗后，将其置于浓度为5％温度100℃磷酸以100V的电压下进行阳极氧化，经氧化后得到几十到几百纳米的氧化铝层6，如图6。

步骤(7)：利用形成的多孔阳极氧化铝层6作为掩模，用氩气等离子体进行干法诱导耦合等离子刻蚀(ICP)刻蚀，将阳极氧化铝层6上的周期性图形转移到GaN模板2上。

步骤(8)：用0.2mol/L的NaOH溶液去除氧化铝膜去除氧化铝层，得到适合高质量氮化物外延材料生长的GaN基图形衬底模板。如图7。

本发明的原理是：首先利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或氢化物气相外延(HVPE)技术在上生长一层用于氮化物外延生长的GaN基材料模板。接着在GaN基模板表面蒸镀一层1~5μm的金属铝薄层。然后在铝表面均匀地铺设单层的微球材料。通过选择微球材料的半径，溶液配比，及控制旋涂或提拉的速度等方法，可使铝表面形成不同周期和孔径的微球排列图案。再接着在铝薄层表面蒸镀一层厚度为10~100nm的金、镍、铬或锡金属薄层。去除微球，利用图形化的金属薄层作为掩膜，通过化学腐蚀的方法或等离子干法刻蚀的方法，在铝表面形成周期的浅凹坑结构。

利用上一步骤制备的图形诱导氧化铝孔洞的形成，进行阳极氧化。样品经过清洗后在5％磷酸以100V～130V的电压下进行氧化2~10个小时。这一步的氧化，不仅仅限制于用磷酸，还可以用其他多元酸，如硫酸、草酸。不同的酸对应的氧化电压不相同，10％硫酸对应于25~27V，5％草酸对应于30~50V。最后，利用多孔阳极氧化铝作为掩模，用氩气等离子体进行干法诱导耦合等离子刻蚀(ICP)刻蚀，将氧化铝上的周期性图形转移到GaN基材料模板上。

Claims

1.一种基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：在衬底上生长一层用于氮化物外延生长的GaN基模板；

步骤2：在该GaN基模板上沉积铝层；

步骤3：在铝层表面铺设微球，形成单分子层结构的微球层；

2.根据权利要求1所述的基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制备方法，其特征在于：在步骤3中，先准备微球溶液，所采用的微球为聚苯乙烯微球、或二氧化硅、或环氧丙脂微球。

3.根据权利要求2所述的基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制备方法，其特征在于：在步骤3中，所述微球溶液为聚苯乙烯微球与乙醇混合配制成混合溶液；并通过旋涂法或提拉法将微球铺设在GaN基模表面。

4.根据权利要求3所述的基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制备方法，其特征在于：在步骤2中，所述铝层是通过电子束蒸发、热蒸发或溅射方法制备的；在步骤4中，所述的金属为金、镍、铬、锡，通过电子束蒸发、热蒸发或溅射方法进行金属蒸镀；在步骤6中，用稀硫酸在铝层表面刻蚀出凹坑。

5.根据权利要求4所述的基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制备方法，其特征在于：在步骤9中，通过NaOH溶液去除氧化铝膜去除氧化铝层。

6.根据权利要求1至5任一所述的基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制备方法，其特征在于：在步骤7中，用浓硫酸去除金属层，然后将铝层置于磷酸、硫酸或草酸溶液中进行阳极氧化。

7.根据权利要求6所述的基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制备方法，其特征在于：在步骤8中，氧化铝的图形转移到所述衬底是通过化学湿法腐蚀、干法诱导耦合等离子刻蚀或干法反应离子刻蚀的方法来实现的。

8.根据权利要求7所述的基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制备方法，其特征在于：在步骤1中，所述衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、碳化硅/硅或砷化镓；所述GaN基模板的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法或氢化物气相外延法。

9.根据权利要求8所述的基于阳极氧化铝的GaN基图形衬底模板的制备方法，其特征在于：在步骤1中，所述的GaN基模板采用的材料为GaN、Al_xGa_1-xN、AlN、InN、In_xGa_1-xN或Al_xIn_yGa_1-x-yN。