CN1588622A - 一种提高氮化镓基材料外延层质量的衬底处理方法 - Google Patents

Abstract

一种提高氮化镓基材料外延层质量的衬底处理方法，涉及一种通过对衬底材料表面图形化提高GaN基材料外延膜层质量的方法。在外延生长前，直接对Al₂O₃、Si、GaAs等衬底材料表面进行图形化：先沿一个晶向，按0.2～20μm宽度，0.2～2μm深度刻蚀相互平行的一组楔形沟槽，使衬底材料表面形成相互平行的条形图形；或在该衬底材料的另一晶向增加刻蚀另一组楔形沟槽，使衬底材料表面形成菱形或矩形图形。将清洗、干燥的图形化衬底转到外延设备中进行程序化GaN膜层外延生长。本发明工艺简单、成本仅为ELOG的一半、全面提高了外延膜层的完整性、使外延层的位错密度降低到10⁶cm²数量级。本发明可广泛用于任何衬底材料和外延膜层材料晶格明显不匹配情况下的高质量膜层外延生长。

Description

一种提高氮化镓基材料外延层质量的衬底处理方法

                           技术领域

本发明涉及一种通过对衬底材料表面图形化提高氮化镓(GaN)基材料外延膜层质量的方法。尤其涉及衬底材料和外延生长的膜层材料的晶格明显不匹配情况下，可明显改善外延层材料的质量和性能，是一种提高膜层结构完整性的衬底处理方法。

                           背景技术

在迅速发展的半导体光电材料当中，第三代宽带隙半导体材料是近年来备受关注的重点。尤其是III-V氮化物材料，包括GaN、AlN、InN、BN及其组成的三元、四元固熔体，因为其禁带宽度大(可以通过调节合金组份调制材料的禁带宽度)而在光谱中覆盖了从红外、可见光到紫外的整个波段，使其成为制作各种光电器件的最理想材料。加上该材料具有很好的热稳定性和化学稳定性，能满足现代电子技术的新要求，非常适合制作抗辐射、高频高压、大功率和高密度集成的光电子器件、制作蓝、绿光和紫外光的发光器件、光探测器件、光通讯器件和电子器件等，被认为是最有发展前景的光电器件材料。如III-V族氮化物半导体蓝绿光发光管(LED)近年来受到广泛关注，已经应用到信号、大屏幕显示、各种LED显示屏的背景光和照明等多个领域。GaN基材料另一重要应用是紫外光探测器，这类高灵敏度光盲型探测器在军事、航天和天文以及民用方面有着极其广泛的应用前景。另外，由于GaN基材料的电子漂移速度非常大，击穿电压也非常高，这类材料也是制作大功率高温电子器件的最佳选择，被认为是Si和GaAs之后的又一个重要的半导体材料。

所谓的GaN基材料包含GaN及其固熔体。由于GaN基材料没有大面积的单晶体可供利用，所以目前都是在一定的衬底材料上通过物理或化学方法生长出晶体薄膜，即外延生长而得到。研究表明，用GaN基材料制备的光电器件的效率和可靠性与材料本身的缺陷类型及其密度紧密相关。GaN基材料一般是在如SiC、Al₂O₃(蓝宝石)、Si、GaAs等衬底材料上外延生长制得。由于外延层和衬底之间的晶体结构和晶格常数的差异，使外延层和衬底之间存在明显的晶格失配现象，特别是通常使用且价格相对低廉的Al₂O₃、Si衬底和外延层间的晶格失配更为显著。如此造成外延层和衬底的界面产生显著的平面双轴应力，导致生长出来的膜层材料含有高密度的位错、反位和层错等缺陷，外观出现裂纹等，使外延层质量较差。多年来的研究所形成的低温生长缓冲层和高温生长外延层的两步法生长工艺，可使外延层的质量在一定程度上得到提高。所谓两步法工艺是指在相对低温条件下首先生长单层AlN或多层的AlN/GaN缓冲层，然后在此基础上高温外延生长GaN基材料或其多层结构材料，材料的位错密度可降低到10⁹cm²数量级。低温生长缓冲层和高温生长外延层的两步法几乎成为GaN基材料外延生长的标准工序。而近年来提出的侧向外延生长技术(ELOG)，生长出的GaN基材料中位错密度进一步降低，达到约10⁸cm²数量级。这种ELOG技术一般是在两步法生长的GaN外延层上实施：即两步法生长的GaN外延层起到侧向外延的模板作用，在其上形成生长窗口，实现区域生长和外延生长。具体工艺是：先利用溅射方法在单层AlN或多层的AlN/GaN缓冲层上沉积一定厚度的SiO₂或Si₃N₄作为掩膜层，然后利用半导体工艺中常规的光刻和腐蚀，使局部掩膜层刻蚀去除，形成规则的图形窗口，以便完成最后的外延生长膜层。由于GaN基材料在掩膜层上有很大的形核能，所以它几乎不在掩膜层上形核，而只在窗口区内同质外延。当窗口区内外延生长的GaN基材料超过掩膜厚度时，开始侧向和垂直生长，相邻窗口的侧向相向生长而汇合，最终经一定时间生长后得到连续平整的外延层。采用该工艺方法的外延生长材料，掩膜层上方因侧向生长，由界面产生的位错因倾斜汇聚而湮灭，使掩膜层上方位错密度降低，但窗口区膜层的位错密度没有明显降低；而且如此生长出的材料不可避免地出现多种界面，而且在掩膜层上膜层相向生长汇合处出现空洞，甚至裂纹等，这些位置会成为结构缺陷的积聚区而显著影响材料的质量。另外，ELOG(侧向外延生长技术)由于需要光刻腐蚀工艺，势必会带来材料界面的杂质污染甚至造成损伤。

                           发明内容

本发明的目的在于公开一种工艺简单、可提高氮化镓基材料外延层质量的衬底处理方法。用这种方法在提高GaN基材料外延层质量和完整性的同时，可避免侧向外延生长过程中可能带来的杂质污染或损伤。

为实现本发明的目的，采用了在Al₂O₃、Si、GaAs衬底材料上直接进行图形化的方法。具体步骤如下：首先确定衬底材料的晶体结构方向。然后在衬底材料表面，沿一个晶体学方向按0.2～20μm等周期宽度，刻蚀一组深度为0.2～2μm、相互平行的楔形沟槽，使衬底材料表面具有相互平行的条形图形；或进一步在另一晶体学方向刻蚀第二组楔形沟槽，两组楔形沟槽相互交叉，在衬底材料表面形成菱形或矩形图形。接着将刻蚀后表面形成上述图形的衬底材料经程序化的清洗、干燥，然后转移到外延设备中进行一般标准工序的两步法GaN膜层外延生长。经检测发现该GaN基材料外延层的位错密度降低到10⁶cm²数量级，满足了提高GaN外延膜层质量的要求。

本发明的优点如下：

1.由于本发明采用了在膜外延生长之前，通过光刻工艺对衬底材料表面进行图形化，在衬底材料与外延膜层材料晶格明显不匹配情况下，外延层中的晶格失配位错因倾斜集聚而湮灭，从而减少了膜层位错密度，弥补了两步生长方法位错密度高和容易产生裂纹的不足，全面提高了外延膜层的完整性和质量。

2.与侧向外延生长工艺相比，由于本发明采用了在衬底材料上直接进行图形化方法，避免侧向外延工艺生长出的材料含有多种界面，出现空洞甚至裂纹等结构缺陷的弊病，本发明的方法可使位错密度至少下降一个数量级，达到10⁶cm²数量级。

3.采用本发明的图形化衬底方法与现有的侧向外延生长工艺相比，不仅节省了外延生长的步骤，而且避免了侧向外延生长在第一次外延生长后进行中间光刻图形化工艺时，因暴露空气和光刻过程所带来杂质污染和可能的损伤。

4.采用本发明进行外延层膜生长中，整个膜层外延过程是连续的，不必象侧向外延那样在膜层生长过程中需两次外延生长。因此可靠性特别好，而且成本下降接近二分之一。

                         具体实施方式

本发明是在外延生长膜层材料和衬底材料晶格失配显著情况下，为减轻因晶格失配所引起的外延生长膜层的缺陷，在外延生长前，采用半导体光刻和腐蚀技术直接在衬底材料表面进行图形化。首先确定Al₂O₃、Si、GaAs圆片衬底材料的晶体学方向(简称晶向)，在衬底材料表面沿一定的晶向刻蚀出一组相互平行的楔形沟槽，一般沟槽的周期宽度在0.2～20μm，深度在0.2～2μm左右，使衬底材料表面带有相互平行的条形图形。上面图形化工艺可以同时在衬底材料表面两个不同晶体学方向进行两次光刻和腐蚀，从而在衬底材料表面具有两组交叉的沟槽，形成菱形或矩形图形。利用此图形化后的衬底外延生长膜材料，同一般的外延生长步骤相同，即经图形化的Al₂O₃、Si、GaAs圆片衬底经过常规的清洗和干燥，然后转到外延设备中进行一般的标准工序外延生长。因为可大幅度降低膜层材料中位错密度，释放大部分晶格失配产生的双轴应力，使因晶格不匹配而由界面产生的位错缺陷倾斜，并随着膜厚度的增加，材料中相向生长的位错相遇产生反应，因猝灭而终止，从而获得高质量的外延膜层材料。经检测发现本发明得到的GaN基材料外延层的位错密度可降低到10⁶cm²数量级。

Claims (1)

1.一种提高氮化镓基材料外延层质量的衬底处理方法，其特征在于：首先确定衬底材料的晶体结构方向；然后在衬底材料表面，沿一个晶体学方向，按0.2～20μm等周期宽度，刻蚀一组深度为0.2～2μm、相互平行的楔形沟槽，使衬底材料表面形成具有相互平行的条形图形；或进一步在该衬底材料上的另一晶体学方向刻蚀第二组楔形沟槽，两组楔形沟槽相互交叉，使衬底材料表面形成菱形或矩形图形；图形化的衬底材料经传统的清洗、干燥后转到外延设备中进行一般程序化GaN膜层外延生长。