CN112802930B - Iii族氮化物衬底制备方法和半导体器件 - Google Patents
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Abstract
一种III族氮化物衬底制备方法和半导体器件，其中III族氮化物衬底制备方法包括：在衬底表面形成多孔SiO2层，将多孔金属掩膜层覆盖于所述多孔SiO2层，其中所述多孔金属掩膜层的多孔与所述多孔SiO2层的多孔一一对应且孔径一致；在所述多孔金属掩膜层上表面和所述一一对应的多孔中同步生长III族氮化物层；去除所述多孔金属掩膜层上表面的III族氮化物层和多孔金属掩膜层形成周期性排列的III族氮化物纳米柱。本发明在衬底表面生长SiO2层，利用衬底与SiO2的折射率差异，增加深紫外LED的出光效率；同时形成SiO2和金属双层掩膜层带有相同结构的周期性排列通孔，通过在通孔中生长III族氮化物，较为容易地实现了周期性排列且避免了直接刻蚀方法导致的暗裂和杂质污染。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体为一种III族氮化物衬底制备方法和半导体器件。
背景技术
深紫外LED作为典型的第三代宽禁带半导体产物，其具有体积小、寿命长、无毒等优点，能够有效地杀灭细菌，对炭疽孢子，大肠杆菌，流感，疟疾等病毒具有高速高效灭杀的功能，被广泛用于表面、空气、水杀菌等。而AlGaN作为深紫外LED的核心材料，其禁带宽度随着Al组分由0到1变化在3.4eV到6.2eV之间连续可调，相应波段覆盖了200--365nm，涵盖了大部分紫外波段，是制备紫外发光与探测器件的理想材料。
现有技术中，对于深紫外LED的生产通常是在蓝宝石衬底上生长出AlN单晶来实现，一般采用直接的干法刻蚀或湿法刻蚀的纳米压印技术制作图形化纳米柱，但直接刻蚀方法又带来如下问题：
1. 容易引起AlN层出现暗裂，导致材料缺陷，对后续外延层及器件的质量及性能带来不利影响；
2. 容易导致Cl、Br等杂质离子的残留，造成污染；
3. 直接刻蚀的方法导致AlN纳米柱排列周期性差，大小不均。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种III族氮化物衬底，该III族氮化物衬底质量高、出光率高，其包括：包括衬底、在所述衬底上形成的多孔SiO2层、在所述多孔SiO2层的多孔中形成的III族氮化物纳米柱；其中，所述SiO2层的多孔为通孔且周期性排列，所述III族氮化物纳米柱高于所述SiO2层的上表面。
优选的，所述多孔SiO2层折射率与所述衬底的折射率不同。在利用衬底与SiO2的折射率差异，增加深紫外LED的出光效率。折射率差异较小时，光折射率提高，进而提高光线向基底的透射率，有利于制备倒装结构的器件；而当折射率差异较大时，使得由外延层入射至异质微结构处的光线反射率提高，从而可以改善外延层和基底界面处的光反射，使得更多的光线由基底朝向外延层的方向向外出射，有利于制备正装结构的器件。因此，通过调整折射率差，可以提高光线的出光效率，从而提升了亮度。
优选的，所述III族氮化物纳米柱截面形状和大小与所述SiO2层的多孔形状和大小一致。
优选的，所述衬底包含：氧化锌、玻璃、蓝宝石、碳化硅中的任意一种。
优选的，所述III族氮化物纳米柱包含GaN纳米柱、AlN纳米柱、AlGaN纳米柱中的任意一种。
优选的，所述多孔SiO2层的厚度为5nm~100nm，且孔的直径为50nm~1000nm，深度为5nm~100nm，孔间距为100~1000nm。
基于同样的发明构思，本发明另提供一种III族氮化物衬底制备方法，包括如下步骤：
在衬底表面形成多孔SiO2层，其中所述SiO2层的多孔为通孔且周期性排列；
将多孔金属掩膜层覆盖于所述多孔SiO2层，其中所述多孔金属掩膜层的多孔与所述多孔SiO2层的多孔一一对应且孔径一致，所述多孔金属掩膜层的下表面带有多个纳米级凸出结构以与所述多孔SiO2层形成纳米级中空结构；
在所述多孔金属掩膜层上表面和所述一一对应的多孔中同步生长III族氮化物层；带有通孔的金属掩模层与多孔SiO2层的孔径大小一致且一一对应，形成一个连通的柱体结构，后续可以在此柱孔中直接生长III族氮化物纳米柱，从而减少现有技术中刻蚀形成纳米柱时对III族氮化物层造成损伤，避免形成暗裂纹和造成杂质污染。
去除所述多孔金属掩膜层上表面的III族氮化物层；另一方面，通过带周期性孔的掩模层和SiO2层作为基准，能够较好地控制III族氮化物层周期性生长，同时提高了III族氮化物层纳米柱的均匀性。去除所述多孔金属掩膜层形成周期性排列的III族氮化物纳米柱。
优选的，其中，在衬底表面形成多孔SiO2层具体为：
在所述衬底表面生长SiO2层；
通过刻蚀方法在所述SiO2层表面形成具有周期性排列的贯通的孔状结构。
优选的，其中，所述多孔金属掩膜层由金属掩膜板通过刻蚀方法形成。
优选的，其中，通过化学气相沉积或分子束外延方法生长所述III族氮化物层。
优选的，其中，通过刻蚀方法分别去除所述多孔金属掩膜层上表面的III族氮化物层和多孔金属掩膜层。
优选的，其中，所述金属掩膜层材料选自Al、Ni、Ti、Cr、Au、Ag及合金。
优选的，其中，所述纳米级中空结构的高度为10nm~500nm；所述III族氮化物纳米柱高于所述多孔SiO2层10nm~500nm。
本发明另提供一种半导体器件，包括上述任一III族氮化物衬底或包括：通过上述任一所述的方法制备的III族氮化物衬底。
有益效果：
1. 在衬底表面生长SiO2层，利用衬底与SiO2的折射率差异，增加深紫外LED的出光效率。
2. 带有通孔的金属掩模层与SiO2层中孔直径一致且一一对应，形成一个中空的通孔结构作为定位孔，后续在该定位孔中生长AlN时可直接生长出AlN纳米柱，从而避免现有技术中制备AlN纳米柱时对AlN层的损伤，一方面避免出现暗裂纹导致材料缺陷引起位错甚至裂开的情况，另一方面也避免了在刻蚀中出现杂质污染的情况。
3. 本发明提供的方法，通过掩模层和SiO2层一一对应的通孔控制周期性，使生长出的AlN纳米柱排列周期性增强，能够大大提高纳米柱的均匀性。
4.本发明提供的方法，掩膜层下表面带有的纳米级凸出结构，便于控制纳米柱生长高度，尤其可使得生长的纳米柱高于掩膜层和SiO2层。
附图说明
图1为本发明提供的在衬底上形成的多孔SiO2层的方法示意图；
图2为本发明提供的生长III族氮化物纳米柱的方法示意图；
图3为本发明提供的III族氮化物衬底结构示意图；
图4为本发明提供的III族氮化物衬底制备方法的流程示意图。
衬底1，多孔SiO2层2、金属掩膜层3、III族氮化物纳米柱4。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
如图3所示，为本发明提供的III族氮化物衬底结构示意图，该结构自下而生依次包括衬底1、多孔SiO2层2；还包括在多孔SiO2层2的多孔中形成的III族氮化物纳米柱4；其中，所述多孔SiO2层2折射率与所述衬底1的折射率不同，SiO2层2的多孔为通孔且周期性排列，III族氮化物纳米柱4高于所述SiO2层2的上表面。利用衬底1与SiO2的折射率差异，增加深紫外LED的出光效率。III族氮化物纳米柱4填充满SiO2层2截面形状和大小与所述SiO2层2的多孔形状和大小一致。衬底1可以为氧化锌、玻璃、蓝宝石、碳化硅；III族氮化物纳米柱4可以为GaN纳米柱、AlN纳米柱、AlGaN纳米柱。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种III族氮化物衬底制备方法，如图4所示，包括如下步骤：
S1、在衬底表面形成50nm的多孔SiO2层，其中所述SiO2层的多孔为通孔且周期性排列；其中，在衬底表面形成多孔SiO2层具体为：在所述衬底表面生长SiO2层，通过刻蚀方法在所述SiO2层表面形成具有周期性排列的贯通的孔状结构。
S2、将50nm的多孔金属掩膜层覆盖于所述多孔SiO2层，其中所述多孔金属掩膜层的多孔与所述多孔SiO2层的多孔一一对应且孔径一致，所述多孔金属掩膜层的下表面带有多个纳米级凸出结构以与所述多孔SiO2层形成高度为100nm的中空结构；其中多孔金属掩膜层由金属掩膜板通过刻蚀方法形成或直接购买得到。
S3、在所述多孔金属掩膜层上表面和所述一一对应的多孔中同步生长III族氮化物层；其中，通过化学气相沉积或分子束外延方法生长所述III族氮化物层。
S4、去除所述多孔金属掩膜层上表面的III族氮化物层；
S5、去除所述多孔金属掩膜层形成周期性排列的高度为200nm的III族氮化物纳米柱；其中，通过刻蚀方法分别去除所述多孔金属掩膜层上表面的III族氮化物层和多孔金属掩膜层，所述金属掩膜层材料可以为Al、Ni、Ti、Cr、Au、Ag及合金。
本发明还提供一种半导体器件，包括上述任一III族氮化物衬底或包括：通过上述任一方法制备的III族氮化物衬底。
下面通过具体的实施方式来描述本发明的具体实施过程：
实施例1本实施例提供一种AlN纳米柱复合衬底制备方法
该方法包括如下步骤：
1.多孔SiO2层形成过程
如图1所示，该过程包括：
（1）将蓝宝石衬底1放入离子增强化学气相沉积设备中，通入硅烷和二氧化碳气体，在蓝宝石表面形成一层厚度为100nm的SiO2层。
（2）将生长有SiO2层的蓝宝石衬底放入反应离子刻蚀机中，将SiO2层刻蚀成带有周期性排列的圆形通孔结构的多孔SiO2层2，孔直径为500nm，深度为100nm，相邻孔间距为1000nm。
2.AlN纳米柱形成过程
如图2和图3所示，该过程包括：
（1）将带有直径为500nm、间距为1000nm且呈周期性排列圆孔的Ni金属掩膜层3覆盖在多孔SiO2层2表面，Ni金属掩膜层3厚度为200nm，其下表面的凸出结构为200nm，从而与多孔SiO2层2形成了中空结构，如若考虑多孔SiO2层2的通孔，中空结构的高度可达300nm；结合多孔SiO2层2的刻蚀条件，控制反应离子刻蚀机的工艺条件，将Ni金属掩膜层3刻蚀成带有与SiO2层孔径一致、排列一致且一一对应的通孔，此时考虑Ni金属掩膜层3的通孔，中空结构的高度可达500nm。在优选的实施例中，可以根据实际需要提前刻蚀不同厚度和不同孔径及排列周期的金属掩膜层作为金属掩膜板使用，便于批量制备复合衬底时时直接拿来使用。针对掩膜层的凸出结构，可以直接市购商用的凸出结构掩膜层，也可根据工艺需要刻蚀一批带有不同形状和高度凸出脚的掩膜层。
（2）将上述衬底放入金属有机化学气相沉积设备反应腔中，将温度升至1150℃，控制反应室压力为100mbar，同时通入三甲基铝、氢气和氨气，在中空结构的通孔和金属掩膜层3上表面生长厚度为600nm的AlN层。
（3）将上述生长完AlN的衬底放入反应离子刻蚀机中，控制工艺条件，去除金属掩模层上表面的AlN层。
（4）将去除金属掩模板上层AlN的衬底放入反应离子刻蚀机中，控制工艺条件，去除金属掩膜层3制得AlN纳米柱4复合的衬底。
（5）将上述AlN纳米柱复合的衬底放入清洗机中清洗即得到本实施例衬底。
本实施例带有通孔的金属掩模层与SiO2层中孔直径一致且一一对应，形成一个中空的通孔结构作为定位孔，后续在该定位孔中生长AlN时可直接生长出AlN纳米柱，从而避免现有技术中制备AlN纳米柱时对AlN层的损伤，一方面避免出现暗裂纹导致材料缺陷引起位错甚至裂开的情况，另一方面也避免了在刻蚀中出现杂质污染的情况。通过掩模层和SiO2层一一对应的通孔控制周期性，使生长出的AlN纳米柱排列周期性增强，能够大大提高纳米柱的均匀性。
实施例2本实施例提供一种GaN纳米柱复合衬底制备方法，该方法包括：
（1）将碳化硅衬底放入离子增强化学气相沉积设备中，通入硅烷和二氧化碳气体，在蓝宝石表面形成一层厚度为50nm的SiO2层。
（2）将生长有SiO2层的蓝宝石衬底放入反应离子刻蚀机中，将SiO2层刻蚀成带有周期性排列的圆形通孔结构的多孔SiO2层，孔直径为50nm，深度为50nm，相邻孔间距为600nm。
（3）将带有直径为50nm、间距为600nm且呈周期性排列圆孔的Ti金属掩膜层覆盖在多孔SiO2层表面，Ti金属掩膜层厚度为50nm，其下表面的凸出结构为100nm，从而与多孔SiO2层形成了中空结构，如若考虑多孔SiO2层的通孔，中空结构的高度可达150nm；结合多孔SiO2层的刻蚀条件，控制反应离子刻蚀机的工艺条件，将Ti金属掩膜层刻蚀成带有与SiO2层孔径一致、排列一致且一一对应的通孔，此时考虑Ti金属掩膜层的通孔，中空结构的高度可达200nm。在优选的实施例中，可以根据实际需要提前刻蚀不同厚度和不同孔径及排列周期的金属掩膜层作为金属掩膜板使用，便于批量制备复合衬底时时直接拿来使用。针对掩膜层的凸出结构，可以直接市购商用的凸出结构掩膜层，也可根据工艺需要刻蚀一批带有不同形状和高度凸出脚的掩膜层。
（4）将上述衬底放入金属有机化学气相沉积设备反应腔中，将温度升至950℃，控制反应室压力为200mbar，同时通入三甲基镓、氢气和氨气，在中空结构的通孔和金属掩膜层上表面生长厚度为250nm的GaN层。
（5）将上述生长完GaN层的衬底放入反应离子刻蚀机中，控制工艺条件，去除金属掩模层上表面的GaN层。
（6）将去除金属掩模板上层GaN的衬底放入反应离子刻蚀机中，控制工艺条件，去除金属掩膜层制得GaN纳米柱复合的衬底。
（7）将上述GaN纳米柱复合的衬底放入清洗机中清洗即得到本实施例衬底。
本实施例参考实施例1的制备方法制备出禁带宽度更大的GaN纳米柱复合的衬底，由于SiC衬底具有优良的导电性能和导热性能，可以较好地解决功率型GaN LED器件的散热问题。同蓝宝石相比，SiC与GaN的晶格匹配更好，更容易形成表面光滑无裂纹的复合衬底。另一方面，GaN的折射率与SiO2的折射率差异相比蓝宝石与SiO2的折射率差异更大，因此适合制备正装器件。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种III族氮化物衬底制备方法，包括如下步骤：
在衬底表面形成多孔SiO2层，其中所述SiO2层的多孔为通孔且周期性排列；
将多孔金属掩膜层覆盖于所述多孔SiO2层，其中所述多孔金属掩膜层的多孔与所述多孔SiO2层的多孔一一对应且孔径一致，所述多孔金属掩膜层的下表面带有多个纳米级凸出结构以与所述多孔SiO2层形成纳米级中空结构；
在所述多孔金属掩膜层上表面和所述一一对应的多孔中同步生长III族氮化物层；
去除所述多孔金属掩膜层上表面的III族氮化物层；
去除所述多孔金属掩膜层形成周期性排列的III族氮化物纳米柱。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物衬底制备方法，其特征在于：其中，在衬底表面形成多孔SiO2层具体为：
在所述衬底表面生长SiO2层；
通过刻蚀方法在所述SiO2层表面形成具有周期性排列的贯通的孔状结构。
3.根据权利要求1所述的III族氮化物衬底制备方法，其特征在于：其中，所述多孔金属掩膜层由金属掩膜板通过刻蚀方法形成。
4.根据权利要求1所述的III族氮化物衬底制备方法，其特征在于：其中，通过化学气相沉积或分子束外延方法生长所述III族氮化物层。
5.根据权利要求1所述的III族氮化物衬底制备方法，其特征在于：其中，通过刻蚀方法分别去除所述多孔金属掩膜层上表面的III族氮化物层和多孔金属掩膜层。
6.根据权利要求1所述的III族氮化物衬底制备方法，其特征在于：其中，所述金属掩膜层材料选自Al、Ni、Ti、Cr、Au、Ag。
7.根据权利要求1所述的III族氮化物衬底制备方法，其特征在于：其中，所述纳米级中空结构的高度为10~500nm；所述III族氮化物纳米柱高于所述多孔SiO2层10~500nm。
8.一种半导体器件，包括：通过权利要求1-7任一所述的方法制备的III族氮化物衬底。
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