CN105762064A - 用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，包括如下步骤：(a)提供一衬底；(b)利用金属液滴回融所述衬底，以在所述衬底表面形成图形化表面；(c)在所述衬底图形化表面外延生长氮化物。本发明的优点在于，在衬底上实时生长过程中通入金属有机源，这些金属原子将集聚成纳米尺寸的液滴，高密度且均匀地结合在衬底的表面上，在高温下，这些金属液滴将与衬底形成合金，将衬底腐蚀出凹凸不平的表面，缓解衬底和氮化物外延层异质外延生长过程中由于晶格失配带来的应力，使外延层得到有效的弛豫，同时其能减少外延层中的穿透位错密度，从而降低氮化物外延层材料中的缺陷密度，提高材料的晶体质量，从而能改善器件的光学、电学性能。

Description

用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法。
背景技术
以氮化镓(GaN)为代表的III-V族宽禁带半导体材料近年来发展十分迅速。GaN具有禁带宽度宽、带隙为直接带隙、化学稳定性和热稳定性好等特点，在紫外/蓝光/绿光发光二极管、激光器、光电探测器，以及高温高频大功率电子器件领域有着重要而广泛的应用潜力。
由于GaN以及氮化铝(AlN)等本征体单晶材料很难获得，目前氮化物薄膜材料主要异质外延生长在蓝宝石、碳化硅、硅(Si)、氧化锌或者砷化镓衬底上。GaN基外延材料由于缺乏匹配的衬底，晶体质量还有待于进一步提高。
硅材料是当今微电子技术的基石。硅材料在高温下不容易分解，它具有价格低廉、大尺径、容易解理、导电性好等优点，同时硅衬底上生长氮化物能实现光电子器件和微电子器件的集成。但硅衬底材料和氮化物材料之间存在很大的晶格常数失配和热膨胀系数的差异，这些差异使得氮化物外延层中存在很大的残余应力和诸多的晶体缺陷，严重影响了材料的晶体质量，进而限制了氮化物器件性能的提高。因此发展高晶体质量的硅基氮化物的外延生长技术是十分重要的。
为了解决氮化物材料外延过程中晶格失配以及热失配所带来的问题，人们提出了一系列的技术方案。其中，图形化衬底技术可以有效缓解衬底和氮化物外延层异质外延生长过程中由于晶格失配带来的应力，使外延层得到有效的弛豫，同时其能减少外延层中的穿透位错密度，从而降低氮化物外延层材料中的缺陷密度，提高材料的晶体质量。图形化衬底技术也是一个能够有效提升氮化物发光二极管器件发光效率的方法，与平坦衬底情况相比较，具备凹部或凸部结构的衬底上的半导体发光元件，光线能通过凹部或凸部产生散射或绕射，可以大幅度发光二极管的光提取效率。
目前，图形化衬底的制作大都采用传统的光刻技术制备出光刻图形，然后以光刻胶、二氧化硅、氮化硅或金属层作为掩膜，再利用干法刻蚀或湿法刻蚀的方法对衬底刻蚀出图形化结构。上述工艺过程复杂，大幅增加了制造成本，并且图形受光刻版图的限制，极不适合硅基氮化物半导体器件的商业应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，其能够缓解衬底和氮化物外延层异质外延生长过程中由于晶格失配带来的应力，使外延层得到有效的弛豫，降低氮化物外延层材料中的缺陷密度，提高材料的晶体质量。
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，包括如下步骤：(a)提供一衬底；(b)利用金属液滴回融所述衬底，以在所述衬底表面形成图形化表面；(c)在所述衬底图形化表面外延生长氮化物。
优选地，所述步骤(b)包括如下步骤：将所述衬底置于一反应腔内，并在一温度下，向所述反应腔内金属有机源，所述金属有机源聚集成金属液滴。
优选地，所述金属有机源为三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟、二乙基镓或二乙基铝中的一种或两种以上组合。
优选地，在步骤(b)之后，进一步包括一清洁所述衬底图形化表面的步骤。
优选地，利用腐蚀性气体清洁所述衬底图形化表面，以去除所述衬底图形化表面残留的金属液滴。
优选地，在步骤(b)之后，进一步包括一活化所述衬底图形化表面的步骤。
优选地，采用氢气活化所述衬底图形化表面。
优选地，所述活化时间为5分钟～10分钟。
优选地，所述金属液滴的尺寸为5nm～500nm。
优选地，所述金属液滴回融所述衬底的时间为30秒～20分钟。
本发明的优点在于，采用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术，在衬底上实时生长过程中通入金属有机源(MO)，这些金属原子将集聚成纳米尺寸的液滴，高密度且均匀地结合在衬底的表面上，在高温下，这些金属液滴将与衬底形成合金，将衬底腐蚀出凹凸不平的表面，本发明通过实时形成凹凸衬底表面来缓解衬底和氮化物外延层异质外延生长过程中由于晶格失配带来的应力，使外延层得到有效的弛豫，同时其能减少外延层中的穿透位错密度，从而降低氮化物外延层材料中的缺陷密度，提高材料的晶体质量，从而能改善器件的光学、电学性能。
附图说明
图1是本发明用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法的步骤示意图；
图2A～图2D是本发明用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法的具体实施方式做详细说明。
参见图1，本发明用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法包括如下步骤：步骤S10、提供一衬底；步骤S11、利用金属液滴回融所述衬底，以在所述衬底表面形成图形化表面；步骤S12、在所述衬底图形化表面外延生长氮化物。
图2A～图2D是本发明用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法的工艺流程图。
参见步骤S10及图2A，提供一衬底200。所述衬底200可以为蓝宝石、碳化硅、硅、铝酸锂或砷化镓等。
参见步骤S11、图2B及图2C，利用金属液滴300回融所述衬底200，以在所述衬底200表面形成图形化表面210。
所述步骤S11的具体实现方法如下：将衬底200放入金属有机化合物气相沉积MOCVD反应腔内；将生长温度升高至500-1030℃，并通入金属有机源(MO)，其聚集成金属液滴300；维持30s-20min，金属液滴300将回融硅衬底200，形成不规则的图形化表面210，所述图像化表面210为凹凸表面，所述的凹凸表面的凹部与凸部表面硅衬底的结构尺寸可通过改变反应腔的温度、金属有机源的流量、腐蚀性气体的通入流量和时间参数来控制。
所述金属有机源为三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟、二乙基镓或二乙基铝中的一种或两种以上组合，所述金属液滴300的尺寸为5nm～500nm。
在步骤S11之后，进一步包括一清洁所述衬底的图形化表面210的步骤，以去除所述衬底图形化表面210残留的金属液滴300。在本具体实施方式中，可利用腐蚀性气体清洁所述衬底图形化表面，所述腐蚀性气体可以为氯化氢或氯气。
优选地，在清洁所述衬底的图形化表面210之后，进一步包括一活化所述衬底的图形化表面210的步骤。在本具体实施方式中，利用氢气活化所述衬底的图形化表面210，活化时间为为5分钟～10分钟。
参见步骤S12及图2D，在所述衬底的图形化表面210外延生长氮化物220，用于发光量子阱结构材料或高电子迁移率晶体管材料的制备。所述氮化物220为氮化镓、氮化铝、氮化铟、氮化铝镓、氮化铝铟或氮化铝镓铟中的一种或两种及以上的组合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)提供一衬底；
(b)利用金属液滴回融所述衬底，以在所述衬底表面形成图形化表面；
(c)在所述衬底图形化表面外延生长氮化物。
2.根据权利要求1所述的一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括如下步骤：将所述衬底置于一反应腔内，并在一温度下，向所述反应腔内金属有机源，所述金属有机源聚集成金属液滴。
3.根据权利要求2所述的一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，其特征在于，所述金属有机源为三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟、二乙基镓或二乙基铝中的一种或两种以上组合。
4.根据权利要求1所述的一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，其特征在于，在步骤(b)之后，进一步包括一清洁所述衬底图形化表面的步骤。
5.根据权利要求4所述的一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，其特征在于，利用腐蚀性气体清洁所述衬底图形化表面，以去除所述衬底图形化表面残留的金属液滴。
6.根据权利要求1所述的一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，其特征在于，在步骤(b)之后，进一步包括一活化所述衬底图形化表面的步骤。
7.根据权利要求6所述的一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，其特征在于，采用氢气活化所述衬底图形化表面。
8.根据权利要求6所述的一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，其特征在于，所述活化时间为5分钟～10分钟。
9.根据权利要求1所述的一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，其特征在于，所述金属液滴的尺寸为5nm～500nm。
10.根据权利要求1所述的一种用于氮化物生长硅衬底实时图形化的方法，其特征在于，所述金属液滴回融所述衬底的时间为30秒～20分钟。
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