CN111554570A - 一种GaN厚膜的生长方法 - Google Patents
一种GaN厚膜的生长方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111554570A CN111554570A CN202010660954.0A CN202010660954A CN111554570A CN 111554570 A CN111554570 A CN 111554570A CN 202010660954 A CN202010660954 A CN 202010660954A CN 111554570 A CN111554570 A CN 111554570A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gan
- thick film
- etching
- sapphire substrate
- gan thick
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/0242—Crystalline insulating materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/04—Pattern deposit, e.g. by using masks
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
- C30B25/186—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being specially pre-treated by, e.g. chemical or physical means
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
- C30B29/406—Gallium nitride
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/02428—Structure
- H01L21/0243—Surface structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明涉及一种GaN厚膜的生长方法,属于光电子功率器件技术领域,本发明在蓝宝石基板上生长GaN籽晶,再在GaN籽晶上刻蚀形成阵列式图案的GaN独立模块,通过调整刻蚀进入蓝宝石的深度和宽度控制GaN厚膜的应力,再用有机化学气相沉积或氢化物气相外延进行侧向外延生长,实现GaN独立部分横向连接,得到平整的GaN厚膜,解决异质外延因应力大无法生长厚膜问题,为GaN自支撑衬底的制备提供厚膜,应用于同质外延的功率器件、蓝光激光器等,满足高效新型大功率电力电子、光电等领域应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及同质外延材料制备高效、大功率氮化镓器件和蓝光激光器等光电子功率器件的技术,具体提供了一种GaN厚膜的生长方法,属于光电子功率器件技术领域。
背景技术
GaN材料是制作光电子器件,尤其是蓝绿光LED和LD的理想材料,这类光源在高密度光信息存储、高速激光打印、全彩动态高亮度光显示、固体照明光源、高亮度信号探测、通讯等方面有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力。此外GaN半导体材料也是制作高温、高频、大功率器件的理想材料。GaN是氮化物材料的代表,是具有优异的宽禁带III-V族化合物半导体材料之一,是当今世界上先进的半导体材料之一。
由于氮化物材料和衬底材料之间的晶格匹配与膨胀系数差异比较大,在外延生长的氮化物中的应力较大,生长时在界面处产生裂纹,并且随着厚度的增加裂纹还会蔓延到表面,从而影响材料的性能。为减少生长的氮化物厚膜中应力,人们采用在异质生长的GaN上制作空隙结构后再生长氮化物厚膜来释放应力,也有研究通过电化学腐蚀,在GaN上腐蚀出纳米级微型缺陷坑,再通过金属有机化学气相沉积生长GaN厚膜,释放异质结应力,然而以上效果并不明显,均无法生长出较厚的GaN外延层,因为应力主要产生于异质界面处,鉴于此,本发明提供了另外一种GaN厚膜的生长方法。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提出一种GaN厚膜的生长方法,在蓝宝石上生长GaN籽晶,再在GaN籽晶上刻蚀形成阵列式图案的GaN独立模块,通过调整刻蚀进入蓝宝石的深度和宽度控制GaN厚膜的应力,用有机化学气相沉积或氢化物气相外延进行侧向外延生长,实现GaN独立部分横向连接,得到平整的GaN厚膜,解决异质外延因应力大无法生长厚膜问题,为GaN自支撑衬底的制备提供厚膜,应用于同质外延的功率器件、蓝光激光器等,满足高效新型大功率电力电子、光电等领域应用需求。
本发明采用以下技术方案:
一种GaN厚膜的生长方法,包括以下步骤:
(1)在长有GaN籽晶的蓝宝石基板上蒸镀SiO2掩膜;
(2)采用现有的光刻ICP刻蚀技术,将GaN籽晶刻蚀形成带阵列图案的阵列式GaN独立模块,一直刻蚀进入蓝宝石基板;
(3)刻蚀通道从GaN籽晶表面刻蚀进入蓝宝石基板,刻蚀进入蓝宝石基板的刻蚀通道宽度为1-50μm,刻蚀深度1-50μm;
此刻蚀通道宽度和刻蚀深度,既可以实现GaN独立模块横向连接,得到平整的GaN厚膜,又可以最大限度的释放异质结用力,深度太浅或宽度太窄起不到释放应力的效果,深度过深或宽度过大又会导致GaN独立部分无法完整横向连接;
(4)最后通过现有的有机化学气相沉积或氢化物气相外延进行侧向外延生长,实现GaN独立模块横向连接,得到平整的GaN厚膜。
优选的,步骤(1)中,GaN籽晶生长厚度为0.5-5μm,SiO2掩膜厚度为100-3000nm。
优选的,步骤(2)中,现有的光刻ICP刻蚀技术包含涂光刻胶、前烘、对准和曝光、显影、后烘、刻蚀、去除光刻胶等,阵列图案优选为条状、正方形或六边形等。
优选的,步骤(3)中,刻蚀进入蓝宝石基板的刻蚀通道宽度优选为15-25μm,刻蚀深度优选为20-30μm。
此刻蚀通道宽度和刻蚀深度为进一步的优选方案,可以更好地实现GaN独立部分横向连接,得到平整的GaN厚膜,又可以最大限度的释放异质结用力,深度太浅或宽度太窄起不到释放应力的效果,深度过深或宽度过大又会导致GaN独立部分无法完整横向连接,在此刻蚀通道宽度和刻蚀深度下,生长厚度为5000μm的GaN厚膜,依然不会出现龟裂现象。
优选的,步骤(4)中,采用有机化学气相沉积的方法时,生长压力控制在20-50mbar之间,V/III比控制在300-2000之间,生长温度控制在1050-1150℃之间,此条件下GaN生长侧向外延速率最高,可以实现GaN独立部分快速的横向连接。
优选的,步骤(4)中,得到的GaN厚膜厚度为3000-5000μm。
另外,本发明的生长方法不会对其他工序造成不利影响,如对后续激光剥离以及其他相关工艺等。
本发明未详尽之处,均可采用现有技术。
本发明的有益效果为:
本发明提供了一种GaN厚膜的生长方法,在蓝宝石基板上生长GaN籽晶,再在GaN籽晶上刻蚀形成带阵列图案的阵列式GaN独立模块,通过调整刻蚀进入蓝宝石的深度和宽度控制GaN厚膜的应力,用有机化学气相沉积或氢化物气相外延进行侧向外延生长,实现GaN独立部分横向连接,得到平整的GaN厚膜,GaN厚膜厚度在3000-5000μm,解决异质外延因应力大无法生长厚膜问题,为GaN自支撑衬底的制备提供厚膜;本生长方法独特之处是在蓝宝石基板内形成空洞,通过控制蓝宝石内刻蚀的深度和宽度,起到了很好的热应力释放作用,通过本生长方法,在异质外延生长的GaN厚膜无龟裂,为GaN自支撑衬底的制备提供厚膜。
附图说明
图1为正方形的阵列式GaN独立模块平面示意图;
图2为正方形的阵列式GaN独立模块的切面示意图;
图3为本发明的生成流程图;
图中,1-阵列式GaN独立模块,2-刻蚀通道。
具体实施方式:
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述,但不仅限于此,本发明未详尽说明的,均按本领域常规技术。
实施例1:
一种GaN厚膜的生长方法,如图3所示,包括以下步骤:
(1)在长有GaN籽晶的蓝宝石基板上蒸镀SiO2掩膜;
(2)通过现有的光刻ICP刻蚀技术,将GaN籽晶刻蚀形成带阵列图案的阵列式GaN独立模块,一直刻蚀进入蓝宝石基板,如图1、2所示,阵列图案为正方形;
(3)刻蚀通道从GaN籽晶表面刻蚀进入蓝宝石基板,刻蚀进入蓝宝石基板的刻蚀通道宽度为1-50μm,刻蚀深度1-50μm;
此刻蚀通道宽度和刻蚀深度,既可以实现GaN独立模块横向连接,得到平整的GaN厚膜,又可以最大限度的释放异质结用力,深度太浅或宽度太窄起不到释放应力的效果,深度过深或宽度过大又会导致GaN独立部分无法完整横向连接;
(4)最后通过现有的有机化学气相沉积的方法进行侧向外延生长,实现GaN独立模块横向连接,得到平整的GaN厚膜。
实施例2:
一种GaN厚膜的生长方法,如实施例1所述,所不同的是,步骤(1)中,GaN籽晶生长厚度为3μm,SiO2掩膜厚度为1000nm;
步骤(3)中,刻蚀进入蓝宝石基板的刻蚀通道宽度为20μm,刻蚀深度为25μm;
步骤(4)中,采用有机化学气相沉积的方法,生长压力控制在20-50mbar之间,V/III比控制在300-2000之间,生长温度控制在1050-1150℃之间,此条件下GaN生长侧向外延速率最高,可以实现GaN独立部分快速的横向连接。
对比例1:
采用现有的电化学腐蚀方法生长GaN厚膜,具体为:
先在蓝宝石衬底上生长2-5μm的nGaN,再将nGaN外延片放入KOH溶液中,KOH与H2O比例5:1,通过常规电化学腐蚀的方法,在nGaN表面腐蚀出纳米级微型缺陷孔,纳米孔深度3nm以内,直径3nm以内,再通过金属有机化学气相沉积生长GaN厚膜。
采用本发明的实施例2与对比例1的方法,分别生长厚度为50μm、100μm、500μm、1000μm、3000μm和5000μm的GaN厚膜,每一厚度的生长样本为10个,统计GaN厚膜表面有无龟裂情况如表1所示:
表1:GaN厚膜表面龟裂情况统计表
从表1可以看出,本发明可以实现厚度为3000-5000μm的GaN厚膜,且成品率很高,3000μm的GaN厚膜全部无龟裂,5000μm的GaN厚膜,10个样本中,只有1个出现龟裂现象,即90%无龟裂,成品率很高;
采用现有技术的对比例1,从生长500μm的GaN厚膜开始出现龟裂,3000-5000μm的GaN厚膜,大部分出现龟裂现象,分别为90%和100%;
由此可见,本发明的方法相对于现有技术,可以生长的GaN厚膜厚度可达3000-5000μm,依然没有龟裂或极少发生龟裂,这是由于本发明可在蓝宝石基板内形成空洞,通过控制蓝宝石基板内刻蚀的深度和宽度,起到了很好的热应力释放作用,异质结中的应力得到了充分的释放。
以上所述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来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种GaN厚膜的生长方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在长有GaN籽晶的蓝宝石基板上蒸镀SiO2掩膜;
(2)采用现有的光刻ICP刻蚀技术,将GaN籽晶刻蚀形成带阵列图案的阵列式GaN独立模块,一直刻蚀进入蓝宝石基板;
(3)刻蚀通道从GaN籽晶表面刻蚀进入蓝宝石基板,刻蚀进入蓝宝石基板的刻蚀通道宽度为1-50μm,刻蚀深度1-50μm;
(4)最后通过现有的有机化学气相沉积或氢化物气相外延进行侧向外延生长,实现GaN独立模块横向连接,得到平整的GaN厚膜。
2.根据权利要求1所述的GaN厚膜的生长方法,其特征在于,步骤(1)中,GaN籽晶生长厚度为0.5-5μm,SiO2掩膜厚度为100-3000nm。
3.根据权利要求1所述的GaN厚膜的生长方法,其特征在于,步骤(2)中,阵列图案为条状、正方形或六边形。
4.根据权利要求1所述的GaN厚膜的生长方法,其特征在于,步骤(3)中,刻蚀进入蓝宝石基板的刻蚀通道宽度优选为15-25μm,刻蚀深度优选为20-30μm。
5.根据权利要求1所述的GaN厚膜的生长方法,其特征在于,步骤(4)中,采用有机化学气相沉积的方法时,生长压力控制在20-50mbar之间,V/III比控制在300-2000之间,生长温度控制在1050-1150℃之间。
6.根据权利要求1所述的GaN厚膜的生长方法,其特征在于,步骤(4)中,得到的GaN厚膜厚度为3000-5000μm。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010660954.0A CN111554570A (zh) | 2020-07-10 | 2020-07-10 | 一种GaN厚膜的生长方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010660954.0A CN111554570A (zh) | 2020-07-10 | 2020-07-10 | 一种GaN厚膜的生长方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN111554570A true CN111554570A (zh) | 2020-08-18 |
Family
ID=72002223
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202010660954.0A Pending CN111554570A (zh) | 2020-07-10 | 2020-07-10 | 一种GaN厚膜的生长方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN111554570A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113897676A (zh) * | 2021-09-26 | 2022-01-07 | 苏州紫灿科技有限公司 | 一种无裂纹AlN外延膜及其制备方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1460284A (zh) * | 2001-03-27 | 2003-12-03 | 索尼公司 | 氮化物半导体器件及其制造方法 |
US20050000407A1 (en) * | 2000-06-05 | 2005-01-06 | Sony Corporation | Semiconductor laser, semiconductor device and nitride series III-V group compound substrate, as well as manufacturing method thereof |
CN103403842A (zh) * | 2011-08-09 | 2013-11-20 | 松下电器产业株式会社 | 氮化物半导体层生长用结构、层叠结构、氮化物系半导体元件及光源以及它们的制造方法 |
-
2020
- 2020-07-10 CN CN202010660954.0A patent/CN111554570A/zh active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050000407A1 (en) * | 2000-06-05 | 2005-01-06 | Sony Corporation | Semiconductor laser, semiconductor device and nitride series III-V group compound substrate, as well as manufacturing method thereof |
CN1460284A (zh) * | 2001-03-27 | 2003-12-03 | 索尼公司 | 氮化物半导体器件及其制造方法 |
CN103403842A (zh) * | 2011-08-09 | 2013-11-20 | 松下电器产业株式会社 | 氮化物半导体层生长用结构、层叠结构、氮化物系半导体元件及光源以及它们的制造方法 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113897676A (zh) * | 2021-09-26 | 2022-01-07 | 苏州紫灿科技有限公司 | 一种无裂纹AlN外延膜及其制备方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6815241B2 (en) | GaN structures having low dislocation density and methods of manufacture | |
CN110783167B (zh) | 一种半导体材料图形衬底、材料薄膜及器件的制备方法 | |
US7198971B2 (en) | Nitride semiconductor thin film having fewer defects and method of growing the same | |
EP2615628B1 (en) | Method of growing nitride semiconductor layer | |
CN109103070B (zh) | 基于纳米图形硅衬底制备高质量厚膜AlN的方法 | |
JP4471726B2 (ja) | 単結晶サファイア基板の製造方法 | |
JPH10321911A (ja) | 単結晶シリコン上に化合物半導体のエピタキシヤル層を製造する方法及びそれにより製造された発光ダイオード | |
JP2003249453A (ja) | 窒化ガリウム基板の製造方法 | |
KR20050062832A (ko) | 발광 소자용 질화물 반도체 템플레이트 제조 방법 | |
CN112382709B (zh) | 一种防裂纹的AlN外延层制造方法 | |
CN111554570A (zh) | 一种GaN厚膜的生长方法 | |
JP3780832B2 (ja) | 半導体結晶の製造方法 | |
CN210805810U (zh) | 一种硅基氮化镓外延结构 | |
CN105097451A (zh) | 低位错密度AlxGa1-xN外延薄膜的制备方法 | |
CN115692169A (zh) | 一种降低应力的GaN厚膜生长方法 | |
CN112133802B (zh) | 一种GaN薄膜及其制备方法 | |
KR20070080435A (ko) | 실리콘 기판 3족 질화물계 적층구조를 가지는 발광다이오드및 그 제작방법 | |
KR100454907B1 (ko) | 질화물 반도체 기판 및 그의 제조 방법 | |
KR20050037323A (ko) | 실리콘 기판(Silicon substrate)위에 AlGaInN계 박막 성장방법. | |
KR20040036381A (ko) | 질화갈륨 기판 제조방법 | |
CN111435694A (zh) | GaN外延片及其制备方法 | |
JP4303500B2 (ja) | 窒化物半導体素子の製造方法 | |
CN110838539B (zh) | 一种硅基氮化镓外延结构及其制作方法 | |
KR102094990B1 (ko) | 질화물 반도체층 성장 방법 | |
CN116334758A (zh) | 一种在金属衬底上生长GaN厚膜的方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200818 |
|
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |