CN102347214A - 一种用于生长厚膜GaN材料的图形化模板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于生长GaN材料的图形化模板的制备方法，包括：(1)选择表面生长了GaN外延层的Si衬底作为模板；(2)沉积一层SiO2或SiNx介质薄层；(3)通过光刻、沉积金属和剥离的方法获得图形化的金属薄层；(4)采用干法刻蚀技术刻蚀介质层/GaN/Si衬底；(5)去除残留的金属；(6)通过氧化或氮化处理，使得Si的表面覆盖SiO2或SiNx层，即得。本发明简单，充分利用Si衬底尺寸大的优势，实现大尺寸GaN同质衬底的制备，适合于工业化生产；空气桥结构的外延生长方法，大大释放了GaN外延层中的应力，避免了由于GaN和Si之间的大失配而造成厚膜GaN碎裂。
Description
技术领域
本发明属生长GaN材料的模板领域，特别是涉及一种用于生长厚膜GaN材料的图形化模板的制备方法。
背景技术
GaN基蓝色和紫外发光二极管及激光器等光电器件具有广阔的应用前景，因此吸引力人们浓厚的兴趣。然而，由于很难获得高质量及成本合理的GaN衬底，现在许多GaN基光电器件是异质外延生长在蓝宝石等异质衬底上，这些异质衬底与GaN材料之间的晶格常数和热膨胀系数失配将在GaN膜的生长过程中引入位错，在冷却过程中产生裂纹，从而影响外延膜的质量，进而影响器件的性能。因此，制备GaN同质衬底是进一步发展GaN基器件的关键。
国内外研究人员已经采用了一些方法来降低GaN同质衬底中的位错密度，减少材料中的应力，提高GaN膜质量，其中包括横向外延过生长(ELOG)技术、生长中断技术等，但这些工作大多数都是针对生长在蓝宝石衬底厚膜GaN开展的，而Si衬底虽然容易去除，但是Si和GaN之间的晶格失配非常大，同时Si与Ga之间容易发生互熔从而影响生长，因此目前还没有成功用于GaN同质衬底的制备。。
如何在提高GaN外延材料质量的同时又能够很容易实现GaN膜与衬底之间的剥离是获取GaN同质衬底的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于生长厚膜GaN材料的图形化模板的制备方法，该方法简单，充分利用Si衬底尺寸大的优势，可以用于大尺寸GaN同质衬底的制备，适合于工业化生产；空气桥结构的外延生长方法，大大释放了GaN外延层中的应力，避免了由于GaN和Si之间的大失配而造成厚膜GaN碎裂。
本发明的一种用于生长厚膜GaN材料的图形化模板的制备方法，包括：
(1)选择表面生长了GaN外延层的Si衬底作为模板；
(2)在步骤(1)中所述的模板上，沉积一层SiO2或SiNx介质薄层；
(3)在上述SiO2或SiNx介质薄层上通过光刻、沉积金属和剥离的方法获得图形化的金属薄层；
(4)采用干法刻蚀技术对上述步骤(3)的结构进行刻蚀，刻蚀一直深入到Si衬底，得到图形化的金属层/介质层/GaN/Si衬底结构；
(5)去除金属层/介质层/GaN/Si衬底结构残留的金属；
(6)通过氧化或氮化处理，使得步骤(4)中露出的Si的表面覆盖SiO2或SiNx层，即得图形化的介质层/GaN/Si衬底模板。
所述步骤(1)在Si衬底上，采用氢化物气相外延生长(HVPE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)方法中的任意一种生长作为模板的GaN外延层，生长的GaN外延层厚度为0.1-50μm。在GaN外延层和Si衬底之间可以含有AlGaN、AlN等成核层或者插入层结构。
所述步骤(2)在GaN外延层上沉积的SiO2或SiNx介质薄膜的厚度为10nm-10μm。
所述步骤(4)中的干法刻蚀技术为反应离子刻蚀和诱导藕合等离子体刻蚀。
更进一步所述步骤(4)中的干法刻蚀技术为诱导藕合等离子体(ICP)方法刻蚀掉GaN，然后再用反应离子刻蚀(RIE)方法刻蚀衬底Si，而SiO2或SiNx介质的刻蚀可以采用干法刻蚀或者碱性溶液去除。
所述步骤(5)使用酸或碱溶液去除金属层/介质层/GaN/Si衬底结构残留的金属。
该方法适用于生长GaN厚膜(5μm以上)材料。
将本发明的图形化的介质层/GaN/Si衬底模板置于MOCVD或者HVPE设备中生长厚膜GaN。生长时，由于GaN外延层表面有SiO2或SiNx层，因此GaN将选择生长在的GaN外延层的侧壁上，经过横向外延生长过程连接成完整的GaN膜，进而再次选择外延生长并形成厚膜GaN，而在Si表面由于有SiO2或SiNx层能够有效抑制GaN的结晶而不能实现生长，从而在GaN膜的下方形成孔隙，实现了空气桥方式的生长。
有益效果
(1)本发明的方法简单，充分利用Si衬底尺寸大的优势，实现大尺寸(根据硅片尺寸)GaN同质衬底的制备，适合于工业化生产；
(2)本发明采用介质层/GaN/Si衬底图形化模板，实现了材料的两次横向外延过生长，减少了位错密度，提高了晶体质量；
(3)由于本发明的空气桥结构的外延生长方法，大大释放了GaN外延层中的应力，避免了由于GaN和Si之间的大失配而造成厚膜GaN碎裂。
附图说明
图1为本发明提供的图形化介质层/GaN/Si衬底模板上生长厚膜GaN的结构示意图，其中：1.Si；2.SiO2或SiNx；3.孔洞；4.GaN外延层5.介质层；6.外延生长的厚膜GaN；
图2为实施例1所得的图形化的SiO2/GaN/Si衬底模板上生长的GaN膜的横截面扫描电镜图；其中：6.厚膜GaN，5.SiO23.孔洞，1.Si。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)在Si衬底上采用MOCVD方法生长一层约1.5μm厚的GaN外延层作为模板；
(2)在GaN外延层上，PECVD方法沉积一层约200nm的SiO2介质薄层；
(3)在SiO2介质薄层上通过光刻工艺获得图形化的光刻胶掩膜；在光刻图形上用电子束蒸发金属和剥离的方法获得7μm金属条和3μm缝隙相间的图形化的金属薄层，金属的层总厚度为200nm；
(4)利用金属条作为掩膜，先用ICP方法刻蚀掉窗口处的SiO2介质和GaN，然后再用RIE方法刻蚀衬底Si，得到的金属层/介质层/GaN/Si衬底结构；通过刻蚀使部分的GaN外延层处于悬空状态；
(5)用盐酸去除SiO2层上残留的金属；
(6)通过氧化处理，使得沟槽处露出的Si的表面覆盖SiO2层，以避免Si表面的成核以及Ga、Si互熔，从而得到图形化的SiO2/GaN/Si衬底模板；
(7)经清洗后，将模板放入MOCVD反应室，进行生长，得到平整的厚膜GaN(如图2所示)。
Claims (8)
1.一种用于生长GaN材料的图形化模板的制备方法，包括：
(1)选择表面生长了GaN外延层的Si衬底作为模板；
(2)在步骤(1)中所述的模板上，沉积一层SiO2或SiNx介质薄层；
(3)在上述SiO2或SiNx介质薄层上通过光刻、沉积金属和剥离的方法获得图形化的金属薄层；
(4)采用干法刻蚀技术对上述步骤(3)的结构进行刻蚀，刻蚀一直深入到Si衬底，得到图形化的金属层/介质层/GaN/Si衬底结构；
(5)去除金属层/介质层/GaN/Si衬底结构上残留的金属；
(6)通过氧化或氮化处理，使得步骤(4)中露出的Si的表面覆盖SiO2或SiNx层，即得图形化的介质层/GaN/Si衬底模板。
2.根据权利要求1所述的一种用于生长GaN材料的图形化模板的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)在Si衬底上，采用氢化物气相外延生长、金属有机化学气相沉积或分子束外延方法生长作为模板的GaN外延层，生长的GaN外延层厚度为0.1-50μm。
3.根据权利要求1所述的一种用于生长GaN材料的图形化模板的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)在GaN外延层和Si衬底之间含有AlGaN、AlN成核层或者插入层结构。
4.根据权利要求1所述的一种用于生长GaN材料的图形化模板的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)在GaN外延层上沉积的SiO2或SiNx介质薄膜的厚度为10nm-10μm。
5.根据权利要求1所述的一种用于生长GaN材料的图形化模板的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的干法刻蚀技术为反应离子刻蚀和诱导藕合等离子体刻蚀。
6.根据权利要求1或5所述的一种用于生长GaN材料的图形化模板的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的干法刻蚀技术为诱导藕合等离子体方法刻蚀掉GaN，然后再用反应离子刻蚀方法刻蚀衬底Si，而SiO2或SiNx介质的刻蚀采用干法刻蚀或者碱性溶液去除。
7.根据权利要求1所述的一种用于生长GaN材料的图形化模板的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)使用酸或碱溶液去除金属层/介质层/GaN/Si衬底结构中的金属。
8.根据权利要求1所述的一种用于生长GaN材料的图形化模板的制备方法，其特征在于：该方法适用于生长厚膜GaN材料。
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