CN102925969B

CN102925969B - 图形化的SiC衬底

Info

Publication number: CN102925969B
Application number: CN201210449697.1A
Authority: CN
Inventors: 储耀卿
Original assignee: Shanghai Institute of Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Technology
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2032-11-12
Also published as: CN102925969A

Abstract

本发明涉及一种图形化的SiC衬底，包括在SiC单晶衬底表面有通过等离子刻蚀或者湿法腐蚀的方法形成的周期化凸起或凹陷图形，周期化凸起或凹陷图形为多边锥形、多边柱形、多棱台形、梯形多边台形、梯形圆台、半球形或球冠中的任一种。周期性图形是多边锥形、多边柱形、多棱台形、梯形多边台形、梯形圆台、半球形或球冠中任意两种或两种以上的组合。本发明公开的图形化SiC衬底可以提高以SiC为衬底的GaN的异质外延和3C-SiC同质外延的外延质量，提高以外延片制备的器件性能和稳定性。

Description

图形化的SiC衬底

技术领域

本发明涉及一种用于外延生长GaN外延片的异质外延和用于生长3C-SiC外延片的同质外延的碳化硅（SiC）衬底。

背景技术

以3C-SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）为代表的宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质，成为继锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）之后制造新一代微电子器件和电路的关键半导体材料。宽禁带半导体材料在制作微波大功率器件、耐高温器件和抗辐照器件方面具有得天独厚的优势，是实现微波与大功率、高温与抗辐射相结合的理想材料，是微电子、电力电子、光电子等高新技术以及国防工业、信息产业、机电产业和能源产业等支柱产业进入21世纪后赖以继续发展的关键基础材料。宽禁带半导体器件的实现，必须首先实现GaN的异质外延或3C-SiC的同质外延生长，因此选择合适的衬底材料是能否实现器件功能化的先决条件。

目前普遍采用的蓝宝石衬底与GaN的晶格失配率高达15%，热膨胀系数失配率高达34%，导致异质外延层中存在高密度位错，严重影响器件的性能和可靠性；而且，蓝宝石本身不导电，不能制作电极，不利于后期器件制作；另外其解理也较为困难，这是影响LED芯片成品率、制约GaN基LED产业化的一大障碍。同时由于蓝宝石衬底的热导率仅为0.3W/cmK，功率器件散热问题成为其应用的障碍。由于SiC的热导率高，采用SiC衬底散热问题就迎刃而解，但是SiC作为GaN的异质衬底材料和3C-SiC的同质衬底材料，也存在较大的晶格失配导致外延薄膜中存在高密度位错和大量应力缺陷，严重影响器件的稳定性和GaN基LED的发光性能。

在外延生长中，由于薄膜材料与衬底材料的晶格常数存在差异，在衬底与薄膜相连的界面处会产生失配现象。衬底材料和外延膜晶格匹配至关重要，晶格匹配包含两方面内容：一是外延生长面内的晶格匹配，即在生长界面所在平面的某一方向上衬底与外延膜的匹配；另一个是沿衬底表面法线方向上的匹配，如果在这个方向上失配度过大，则衬底表面任何的不平或微小的起伏都可能引入缺陷，并延伸到外延膜中。晶格失配产生的应力、应变以及位错等缺陷会影响薄膜的结晶质量，甚至不能与衬底牢固结合。

利用图形化的SiC衬底，在衬底表面做出的微观三维结构可以促进横向外延过度生长和外延层沿衬底表面平行生长。外延层的位错是外延生长的主要缺陷，往往沿生长方向分布，促进横向生长可以使位错弯曲，从而显著地降低它们在外延层的密度，提高外延质量，从而提高器件的稳定性和GaN基LED的发光性能。

发明内容

本发明是要提供一种图形化的SiC衬底，用于克服现有SiC衬底平片的缺点，制做出有微观三维结构的SiC衬底，提高以4H-SiC和6H-SiC为衬底的GaN的异质外延和3C-SiC同质外延的外延质量，提高用外延片所制备器件的性能和稳定性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种图形化的SiC衬底，包括SiC单晶衬底，其特点是：SiC单晶衬底表面有通过等离子刻蚀或者湿法腐蚀的方法形成的周期化凸起或凹陷图形。

周期化凸起或凹陷图形为多边锥形、多边柱形、多棱台形、梯形多边台形、梯形圆台、半球形或球冠中的任一种。周期性图形是多边锥形、多边柱形、多棱台形、梯形多边台形、梯形圆台、半球形或球冠中任意两种或两种以上的组合。

SiC单晶衬底为6H或4H晶型。SiC单晶衬底为导电型或半绝缘型。

周期化图形的周期为0.1~30微米，周期形图形的底面直径为0.1~30微米，周期形图形高度为0.1~5微米。

本发明的有益效果是：

本发明在SiC单晶衬底表面设有通过等离子刻蚀或者湿法腐蚀形成的周期化图形。在进行GaN异质或3C-SiC同质外延时，利用图形化的SiC衬底，外延生长存在横向外延生长和外延层沿衬底表面平行生长，尤其当横向生长速度大于纵向生长速度时，外延层的线位错产生弯曲，线位错不能到达外延薄膜的表面，大大降低了外延薄膜的线位错密度，提高了外延质量和所制备器件的性能和稳定性。

附图说明

图1是本发明的衬底上涂好光阻的的截面结构示意图；

图2是本发明的衬底光刻显影后的截面结构示意图

图3是本发明的衬底初步刻蚀后的截面结构示意图；

图4是本发明的衬底修饰后的截面结构示意图；

图5是本发明的衬底上形成的三棱锥形图形结构的俯视图；

图6是本发明的衬底上形成的球冠形图形结构的俯视图；

图7是本发明的衬底上形成的圆柱形图形结构的俯视图；

图8是本发明的衬底上形成的六边锥形图形结构的俯视图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。

为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明，需要指出的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但不用于限定本发明。

如图1至图8所示，本发明的图形化的SiC衬底，包括SiC单晶衬底1，SiC单晶衬底1表面有通过等离子刻蚀或者湿法腐蚀的方法形成的周期化图形。

周期化图形是凸起或凹陷图形，且为锥形、柱形、半球形、梯形圆台、三角锥形、三棱台形、球冠、方柱形、六边锥形、六边柱形、梯形六边台形、十二边锥形、十二边柱形、梯形十二边台形以及多边锥形、多边柱形或梯形多边台形中的任一种或任意两种或两种以上的组合。

周期图形的周期为0.1~30微米，周期形图形的底面直径为0.1~30微米，周期形图形高度为0.1~5微米。SiC单晶衬底为6H或4H晶型。SiC单晶衬底为导电型或半绝缘型。

本发明的具体实施过程：

步骤1.选取厚度为430μm的导电型6H-SiC衬底1，用匀胶机在SiC衬底上均匀涂覆0.1~5μm厚的光阻2（图1）；

步骤2.将涂覆光阻2的SiC衬底用光刻技术制备出带图形的光阻掩膜，光阻图形为周期性的阵列，光刻的图形可以是方形，圆形、三角形、多边形或不规则图形中一种或几种的组合，光刻图形经显影后每个单元的尺寸为0.1~30μm，间距为0.1~30μm（图2）；

步骤3.将带有周期性图形光阻2的SiC衬底放入ICP（反应耦合离子刻蚀设备），选用纯BCl₃气体进行刻蚀，通过调整刻蚀程序中的相关刻蚀参数，在调试出高的刻蚀选择比的时候，尤其会涉及到偏压射频源功率的调整，偏压射频电源功率控制等离子轰击衬底表面的能量，较低的偏压射频源功率具备较高的刻蚀选择比，但是图形形貌不会圆润光滑，此步骤初步刻蚀出所需要的图形形貌和尺寸，刻蚀时间为10分钟（图3）。本发明采用的设备在此步骤偏压射频功率设置在50-300W之间。

此步骤采用较高的ICP刻蚀设备的RF射频源功率为设备额定功率的50%～100%之间，较低的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率为设备额定功率的5%～50%之间，合适的刻蚀压力为0.1～2pa，合适的He冷温度为-20℃-50℃。

优选的较低ICP刻蚀设备的偏压射频源功率为设备额定功率的8%～28%。

优选的刻蚀压力为0.6~1.5pa。

步骤4.步骤3是初步刻蚀出所需要的衬底形貌，但是图形不圆润光滑，采用BCl₃和H₂的混合气体作为刻蚀气体，对步骤3刻蚀的图形进行修饰。采用合适的ICP设备的RF射频源功率，较高的ICP刻蚀设备偏压射频源功率，低的刻蚀压力修饰出需要的图形，刻蚀时间为5分钟（图4）。所述的合适的ICP刻蚀设备的RF射频源功率为设备额定功率的30%~100%之间，较高的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率为设备额定功率的50%~100%之间，低的刻蚀压力为0.1~0.5pa,He的冷却温度为-20℃~50℃之间。

此步骤中优选的ICP刻蚀设备的RF射频源功率为设备额定功率的30%~50%。

此步骤中优选的刻蚀压力为0.1~0.3Pa。

步骤5.刻蚀后的衬底用异丙醇、SPM、去离子水清洗，得到周期为0.1~3μm，高度0.1~5μm，图形底面尺寸为0.1~3μm图形化SiC衬底。

实施例一

如图5所示，本发明实施例所述的图形结构是三棱锥形，所述图形的底面底面尺寸为2.4μm，相邻图形之间的间距为0.6μm，图形高度为1.5μm。

实施例二

如图6所示，本发明实施例所述的图形结构是球冠图形，所述图形的底面底面尺寸为3.3μm，相邻图形之间的间距为0.3μm，图形高度为1.2μm。

实施例三

如图7所示，本发明实施例所述的图形结构是圆柱形图形，所述图形的底面底面尺寸为1.2μm，相邻图形之间的间距为1.1μm，图形高度为2μm。

实施例四

如图8所示，本发明实施例所述的图形结构是六边锥形图形衬底，所述图形的底面底面尺寸为2.2μm，相邻图形之间的间距为0.1μm，图形高度为1.1μm。

Claims

1.一种图形化的SiC衬底，包括SiC单晶衬底，其特征在于：SiC单晶衬底（1）表面有通过等离子刻蚀或者湿法腐蚀的方法形成的周期化凸起或凹陷图形；所述周期化图形的周期为0.1~30微米，周期形图形的底面直径为0.1~30微米，周期形图形高度为0.1~5微米。

2.根据权利要求1所述的图形化的SiC衬底，其特征在于：所述的周期化凸起或凹陷图形为多边锥形、多边柱形、多棱台形、梯形多边台形、梯形圆台、半球形或球冠中的任一种。

3.根据权利要求1所述的图形化的SiC衬底，其特征在于：所述的SiC单晶衬底（1）为6H或4H晶型。

4.根据权利要求1所述的图形化的SiC衬底，其特征在于：所述的SiC单晶衬底（1）为导电型或半绝缘型。

5.根据权利要求2所述的图形化的SiC衬底，其特征在于：所述的周期性图形是多边锥形、多边柱形、多棱台形、梯形多边台形、梯形圆台、半球形或球冠中任意两种或两种以上的组合。