CN111681948A - 一种图形化衬底及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种图形化衬底的制备方法，属于半导体材料外延生长技术领域，包括以下步骤：S1：在异质衬底上外延生长AlGaN材料层；S2：以惰性气体或还原性气体作为保护气体热处理所述AlGaN材料层，获得图形化衬底；其中，控制热处理的温度为1200℃‑1700℃，时间小于10h。本发明还提供了一种采用上述图形化衬底的制备方法制备的图形化衬底。本发明的图形化衬底的制备方法，流程简单、图形尺寸容易控制、无需刻蚀工艺、掩膜工艺等复杂工艺的图形化衬底制备方法，可以大大节省时间以及经济成本，且制备的图形化衬底具有较高质量。

Description

一种图形化衬底及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体材料外延生长技术领域，具体涉及一种图形化衬底及其制备方法。
背景技术
AlGaN基材料在光电子、电力电子、传感、声表面波器件制备方面具有广阔的应用前景。然而，目前制约AlGaN基材料质量的根本原因之一是AlGaN材料的质量难以提升，这主要是由于基于目前的技术，难以制备大尺寸AlGaN基材料同质衬底，而在异质衬底上进行AlGaN基材料外延生长，则会由于大失配产生大量位错，造成器件漏电流增大、载流子迁移率降低等不良影响。而利用图形化衬底是降低在异质衬底上外延材料应力以及位错密度的有效方式。
传统的图形化衬底制备流程中，都需要复杂的操作流程，例如光刻、刻蚀、纳米压印、掩膜旋涂等流程。在耗费大量时间、人力以及经济成本同时，还会引入大量污染物，不利于图形化衬底大批量的制备与应用。
为解决上述问题，急需研究一种流程简单、不需要光刻、刻蚀、掩膜等复杂工艺的图形化衬底制备方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种流程简单、图形尺寸容易控制、无需刻蚀工艺、掩膜工艺等复杂工艺的图形化衬底制备方法，可以大大节省时间以及经济成本，且制备的图形化衬底具有较高质量。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明提供了一种图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：
S1：在异质衬底上外延生长AlGaN材料层；
S2：以惰性气体或还原性气体作为保护气体热处理所述AlGaN材料层，获得图形化衬底；其中，控制热处理的温度为1200℃-1700℃，时间小于10h。
进一步地，控制所述AlGaN材料层的厚度大于50nm。
进一步地，所述AlGaN材料层的Al组分可设计调控进而调控图形化衬底的尺寸；在相同热处理温度、时间下，所述AlGaN材料层中Al组分越大，则制备的图形凹洞尺寸越小。
进一步地，所述步骤S2中通过设计调控热处理的温度或时间进而调控图形化衬底的尺寸；
在所述AlGaN材料层Al组分一定的情况下，控制热处理时间一定，热处理温度越高，图形化衬底的图形径向尺寸越大；控制热处理温度一定，热处理时间越长，图形化衬底的图形径向尺寸越大。
进一步地，所述步骤S1中外延生长AlGaN材料层的方法为缓冲层法、插入层法、生长源中断法中的任意一种；所述步骤S1中外延生长AlGaN材料层采用的设备包括金属有机物化学气相沉积设备、分子束外延设备、物理气相沉积设备中的任意一种；
所述缓冲法中，在所述异质衬底与所述AlGaN材料层之间的缓冲层为AlN缓冲层或GaN缓冲层。
进一步地，所述保护气体为氮气、氩气或氨气中的任意一种。
进一步地，所述异质衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底中的任意一种。
本发明还提供了一种采用上述图形化衬底的制备方法制备的图形化衬底。
本发明的图形化衬底的制备方法，具有如下有益效果：
(1)整套流程简单，不需要光刻、刻蚀、制备纳米压印模板以及清洗等工艺，相比于传统的图形化衬底制备方法，具有省时、引入污染少、不需要复杂设备等优点；
(2)通过对AlGaN材料Al组分以及热处理温度、时间的调节，可以在一定程度上调节图形化衬底图形径向尺寸大小，从目前实验数据中，我们发现图形化衬底的图形尺寸最低可达到10nm左右。
(3)由于在高温热处理过程中会使材料发生重结晶，会大大提升非图形区域AlGaN材料质量，有利于后续外延生长三族氮化物半导体材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例1的图形化衬底的制备方法中外延材料结构示意图；
图2是本发明实施1制备的图形化衬底的表面形貌扫描电镜图；
图3是本发明实施例2制备的图形化衬底的表面形貌扫描电镜图；
图4是本发明实施例3、4中的AlGaN材料层在热处理前的表面形貌扫描电镜图；
图5是本发明实施例3制备的图形化衬底的表面形貌扫描电镜图；
图6是本发明实施例4制备的图形化衬底的表面形貌扫描电镜图；
图7是本发明实施例5制备的图形化衬底的表面形貌扫描电镜图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
在对AlGaN材料进行热处理时，由于Ga-N键的键能小于Al-N键的键能，所以Ga-N键更容易被破坏从而在高温下剧烈分解，余下的AlGaN材料则会发生重结晶，因此会在材料在表面留下边缘规则的凹洞。本发明利用上述AlGaN材料热处理存在的现象，提出一种图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：
S1：在异质衬底上外延生长AlGaN材料层；
S2：以惰性气体或还原性气体作为保护气体热处理所述AlGaN材料层，获得图形化衬底；其中，控制热处理的温度为1200℃-1700℃，时间小于10h。
其中，需要控制所述AlGaN材料层的厚度大于50nm，以形成有效的图形台面高度。并且，对衬底图形尺寸的调控可以通过下述方式控制：
1)所述AlGaN材料层的Al组分可设计调控进而调控图形化衬底的尺寸；在相同热处理温度、时间下，所述AlGaN材料层中Al组分越大，则制备的图形凹洞尺寸越小。
2)所述步骤S2中通过设计调控热处理的温度或时间进而调控图形化衬底的尺寸；在所述AlGaN材料层Al组分一定的情况下，控制热处理时间一定，热处理温度越高，图形化衬底的图形径向尺寸越大；控制热处理温度一定，热处理时间越长，图形化衬底的图形径向尺寸越大。
其中，所述步骤S1中外延生长AlGaN材料层的方法为缓冲层法、插入层法、生长源中断法等生长方法中的任意一种；所述步骤S1中外延生长AlGaN材料层采用的设备包括金属有机物化学气相沉积设备、分子束外延设备、物理气相沉积设备等生长设备中的任意一种；所述缓冲法中，在所述异质衬底与所述AlGaN材料层之间的缓冲层为AlN缓冲层或GaN缓冲层，但不限于这两种缓冲层。所述保护气体为氮气、氩气或氨气等惰性气体或还原性气体中的任意一种。所述异质衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底等常用衬底中的任意一种。
实施例1
采用下述方法制备图形化衬底：
S1：在蓝宝石衬底上外延生长AlGaN材料层，外延材料的结构如图1所示，采用MOCVD外延技术和缓冲层法生长AlGaN材料，缓冲层为AlN层，AlGaN材料层的厚度为500nm，Al组分为0.65；
S2：以N2为保护气体，在1400℃下对所述AlGaN材料层热处理1h，获得图形化衬底，如图2所示。
实施例2
制备图形化衬底的方法，与实施例1的区别在于，步骤S2中热处理温度为1500℃。
如图2、3所示，分别为实施例1和实施例2制备的图形化衬底的表面形貌扫描电镜图，可以看到，图2中的图形形貌并不十分清晰，但是可以估算出图形径向尺寸在10-20nm之间，而图3中出现边缘规则孔洞，孔洞图形径向尺寸在20-50nm之间分布。这是因为，由于Al组分较高，实施例1中的热处理温度较低，形成孔洞的尺寸以及深度较小，所以在电镜下图形形貌并不十分清晰，而实施例2中的热处理温度较高，热处理后AlGaN材料层后表面出现边缘规则孔洞。并且，从上述数据中可以得出以下结论：在所述AlGaN材料层Al组分一定的情况下，控制热处理时间一定，热处理温度越高，图形化衬底的图形径向尺寸越大。
实施例3
制备图形化衬底的方法，与实施例1的区别在于，AlGaN材料层中的Al组分为0.45，获得图形化衬底如图5所示。
实施例4
制备图形化衬底的方法，与实施例2的区别在于，AlGaN材料层中的Al组分为0.45。
如图4、5、6所示，分别为热处理前、实施例3和实施例4制备的图形化衬底的表面形貌扫描电镜图，可以看到，图5中实施例3制备的图形径向尺寸在20-40nm之间，图6中实施例4制备的图形径向尺寸在50-200nm之间。对比实施例1和实施例3的试验结果，以及对比实施例2和实施例4的试验结果，可以得到如下结论：在相同热处理条件下，Al组分越高，其图形化衬底图形尺寸越小。这是因为Al组分越高，材料中可分解的Ga-N键占比越少，因此在相同热处理条件下图形尺寸会越小。
实施例5
制备图形化衬底的方法，与实施例4的区别在于，热处理时间为1.5h。
如图6、7所示，分别为实施例4以及实施例5高温热处理后所制备的图形化衬底表面形貌扫描电镜图。图6中实施例4制备的图形径向尺寸在50-200nm之间；图7所制备的图形径向尺寸在200-500nm之间。对比实施例5和实施例4的试验结果，可得：在相同热处理温度以及Al组分情况下，热处理时间越长，图形化衬底图形的尺寸越大。
本发明还提供了一种采用上述图形化衬底的制备方法制备的图形化衬底。
本发明的图形化衬底的制备方法，具有如下有益效果：
(1)整套流程简单，不需要光刻、刻蚀、制备纳米压印模板以及清洗等工艺，相比于传统的图形化衬底制备方法，具有省时、引入污染少、不需要复杂设备等优点；
(2)通过对AlGaN材料Al组分以及热处理温度、时间的调节，可以在一定程度上调节图形化衬底图形径向尺寸大小，从目前实验数据中，我们发现图形化衬底的图形尺寸最低可达到10nm左右。
(3)由于在高温热处理过程中会使材料发生重结晶，会大大提升非图形区域AlGaN材料质量，有利于后续外延生长三族氮化物半导体材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种图形化衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在异质衬底上外延生长AlGaN材料层；
S2：以惰性气体或还原性气体作为保护气体热处理所述AlGaN材料层，获得图形化衬底；其中，控制热处理的温度为1200℃-1700℃，时间小于10h。
2.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，控制所述AlGaN材料层的厚度大于50nm。
3.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述AlGaN材料层的Al组分可设计调控进而调控图形化衬底的尺寸；在相同热处理温度、时间下，所述AlGaN材料层中Al组分越大，则制备的图形凹洞尺寸越小。
4.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中通过设计调控热处理的温度或时间进而调控图形化衬底的尺寸；
在所述AlGaN材料层Al组分一定的情况下，控制热处理时间一定，热处理温度越高，图形化衬底的图形径向尺寸越大；控制热处理温度一定，热处理时间越长，图形化衬底的图形径向尺寸越大。
5.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中外延生长AlGaN材料层的方法为缓冲层法、插入层法、生长源中断法中的任意一种；所述步骤S1中外延生长AlGaN材料层采用的设备包括金属有机物化学气相沉积设备、分子束外延设备、物理气相沉积设备中的任意一种；
所述缓冲法中，在所述异质衬底与所述AlGaN材料层之间的缓冲层为AlN缓冲层或GaN缓冲层。
6.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述保护气体为氮气、氩气或氨气中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述异质衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底中的任意一种。
8.一种采用权利要求1-7中任意一项权利要求所述的图形化衬底的制备方法制备的图形化衬底。
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