CN1588640A - 在特定的蓝宝石图形衬底上制备高质量GaN基材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在特定的蓝宝石图形衬底上制备高质量GaN基材料的方法，该方法通过采用湿法腐蚀技术获得特定图形结构的蓝宝石衬底，然后在其上采用搭桥外延生长技术沉积GaN搭桥外延层，并沉积所需的器件结构层。本发明克服现有的ELOG和CE的技术制备的外延材料的晶格取向倾斜问题，同时也克服了CE技术原材料浪费的弊端，不仅简单易行、避免衬底污染和损伤，同时还降低了GaN基外延层中的穿透位错密度，并避免了晶格取向倾斜。

Description

在特定的蓝宝石图形衬底上制备高质量GaN基材料的方法

技术领域

本发明涉及一种低位错密度、高质量的GaN基材料的制备方法。

背景技术

宽禁带半导体GaN材料因其特有的物理性质，使其在光电子和微电子领域有广泛的应用。但目前缺少与GaN晶格常数相匹配的合适外延衬底，其外延膜只能生长在与其失配较大的诸如蓝宝石、硅、碳化硅等衬底上。这些衬底的晶格常数和热膨胀系数与GaN的相比相差很大，导致GaN基生长层的穿透位错密度高达10⁸-10¹⁰cm^-2。这些位错的存在限制了光电子器件性能的进一步提高，特别是对于紫外发光二极管至今难以实现高功率的器件。因此，降低GaN基材料中的位错密度是制备高性能器件的基础。

目前发现能有效降低GaN基外延材料中位错密度的工艺方法主要有侧向外延(epitaxial lateral overgrowth，缩写为ELOG)、悬臂外延(cantileverepitaxy，缩写为CE)等技术。其中，ELOG生长法在外延衬底上要制备掩膜(采用SiO₂或Si₃N₄掩膜材料等)，悬臂外延生长方法虽然是无掩膜的外延生长技术，但这两种生长方法都需要采用干法刻蚀的工艺技术，工艺成本高，对要刻蚀的材料表面损伤大，容易引进杂质、增加应力和污染衬底。上述的方法虽然在侧向外延区域明显减少了GaN基外延层中的位错密度和改进材料的质量，但最显著的弱点是直接外延生长区和侧向外延区的晶格取向间存在一个微小的夹角，即所谓的晶格取向相对倾斜(倾角约为±0.25°)。这种晶格取向的倾斜劣化了侧向外延后的晶格质量，不利于获得大面积的、低位错密度的、均匀分布的高质量GaN基材料。另外在第二种无掩膜的悬臂外延生长工艺中，在横向外延合并之前，沟槽区仍有外延材料的堆积，浪费原材料，不利于降低生产成本和节省资源。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种在特定的蓝宝石图形衬底上制备高质量GaN基材料的方法，该方法克服现有的ELOG和CE的技术制备的外延材料的晶格取向倾斜问题，同时也克服了CE技术原材料浪费的弊端，不仅简单易行、避免衬底污染和损伤，同时还降低了GaN基外延层中的穿透位错密度，并避免了晶格取向倾斜。

为实现上述目的，本发明给出一种在特定的蓝宝石图形衬底上制备高质量GaN基材料的方法，包括如下步骤：

1)采用等离子增强的化学气相淀积技术(PECVD)在C面蓝宝石上蒸镀厚度为100～500nm的二氧化硅掩膜层；

2)利用光刻技术在该蒸镀了二氧化硅掩膜层的C面蓝宝石上光刻出沿[11 20]方向的条形二氧化硅掩膜图形，该二氧化硅掩膜层条纹图形的长度为15～100mm，宽度为1～20μm，窗口区域宽度为1～50μm；

3)将此衬底放入由体积比为1～100∶1的硫酸和磷酸混合而成的腐蚀液中，采用温控炉加热，在200～500℃腐蚀1～10小时；

4)取出衬底，用去离子水冲洗干净，然后将此衬底放入由体积比为1～100∶1的去离子水与氢氟酸配制而成的氢氟酸溶液中，腐蚀1～1000秒；

5)取出衬底，再用去离子水冲洗1～100分钟，得到清洁的蓝宝石图形衬底，该蓝宝石图形衬底的台面与槽状条纹图形周期性地相邻，槽状条纹在C面取向的蓝宝石衬底上沿[11 20]方向，沟槽的形状为三角形状，沟槽的宽度为1μm～50μm，其长度为1mm～10cm，台面条纹的台面宽度为1μm～20μm，其长度为1mm～10cm，其深度为0.8～10μm，沟槽的三角形截面对应的晶面为蓝宝石的R面或{1-10k}面，组成三角形的两个晶面为相同的晶面或属于{1-10k}的两个不同的晶面，其中整数k＝2～6；

6)采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)在900～1200℃对蓝宝石图形衬底进行处理；

7)降低衬底温度到低温成核层的生长温度400～650℃，生长10～100nm的低温成核层；

8)对该低温成核层在900～1200℃进行退火2～60分钟，退火后在此温度生长2μm以上的搭桥外延层，之后在其上淀积所需的器件结构层。

进一步地，所述低温成核层可以是GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN或AlN。

进一步地，所述搭桥外延层可以是GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN或InAlGaN。

进一步地，所述器件结构层可以是发光二极管(LED)材料结构或激光器(LD)材料结构或紫外探测器(UV-detector)材料结构或微电子器件材料结构。

进一步地，所述发光二极管为琥珀、红光、蓝光、绿光、紫光或紫外光的发光二极管，所述激光器为琥珀、蓝光、绿光、紫光或紫外光的激光器，所述微电子器件为高电子迁移率晶体管(HEMT)或场效应晶体管(FET)。

进一步地，所述搭桥外延层和器件结构层采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、化学气相淀积(CVD)或氢化物气相外延(HVPE)其中的一种或两种组合来原位制备。

本发明所制备的蓝宝石衬底具有特定图形结构，无刻蚀损伤、无掩膜，在其上外延生长的GaN材料的对称X射线衍射的半峰宽仅为0.04°，不但避免了外延生长薄膜取向的倾斜，甚至比在平面蓝宝石衬底上外延生长材料的半峰宽(一般为0.05°)还小，用本发明方法制备的4μm的GaN材料的X射线对称衍射(0002)的结果表明：不论入射的X射线是平行于图形的条纹方向还是垂直于图形的条纹方向，其(0002)衍射的半峰宽仅为150弧秒左右。此外，在台面上直接外延的GaN基材料的穿透位错密度与常规的外延方法得到的位错密度相当，约为5×10⁸～10¹⁰/cm²，而在沟槽侧向搭桥外延的GaN基材料中的位错多为偏向水平方向的位错，从而降低了搭桥外延部分的穿透位错密度，约为5×10⁶～10⁸/cm²，因此降低了其上外延的半导体器件结构材料中的非辐射复合中心，提高了外延材料的质量。

附图说明

图1为具有周期条纹图形的蓝宝石衬底的俯视图；

图2为具有周期条纹图形的蓝宝石衬底的截面图；

图3为蓝宝石的图形衬底上搭桥外延的GaN基材料；

图4为在蓝宝石的图形衬底上搭桥外延的GaN基器件结构材料的截面示意图。

具体实施方式

实施例1

采用等离子增强的化学气相淀积技术(PECVD)在C面蓝宝石上蒸镀厚度为200nm的二氧化硅掩膜层；再利用光刻技术在该蒸镀了二氧化硅掩膜层的C面蓝宝石上光刻出沿[11 20]方向的条形二氧化硅掩膜图形，该二氧化硅掩膜层条纹图形的长度为15mm，宽度为2μm，窗口区域宽度为3μm；将此衬底放入由体积比为20∶1的硫酸和磷酸混合而成的腐蚀液中，采用温控炉加热，在200℃腐蚀1小时；取出衬底，用去离子水冲洗干净，然后将此衬底放入由体积比为10∶1的去离子水与氢氟酸配制而成的氢氟酸溶液中，腐蚀10秒；取出衬底，再用去离子水冲洗10分钟，得到清洁的蓝宝石图形衬底，如图1、2所示，该蓝宝石图形衬底的台面与槽状条纹图形周期性地相邻，槽状条纹在C面取向的蓝宝石衬底上沿[11 20]方向，沟槽的形状为三角形状，沟槽的宽度为3μm，其长度为5cm，台面条纹的台面宽度为2μm，其长度为5cm。构成三角形的两个晶面分别为(1-102)和(-1106)面；采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)在1000℃对蓝宝石图形衬底进行处理；然后降低衬底温度到低温成核的生长温度500℃，生长15nm的GaN低温成核层1，即为图4所示的低温成核层1，其中，Ga源为TMGa，N源为氨；对该低温成核层1在1200℃进行退火5分钟，退火后在此温度生长2μm以上的GaN搭桥外延层2，如图3所示的蓝宝石图形衬底上生长的搭桥外延的GaN基材料，图中的虚线为侧向搭桥外延的汇合界面，搭桥外延生长的GaN基材料沿水平方向可看成两部分构成的周期空间分布，一部分为在台面上直接外延生长，该部分直接外延的GaN基材料的穿透位错密度与常规的外延方法得到的位错密度相当，约为5×10⁸～10¹⁰/cm²，另一部分为在台面的两侧侧向搭桥外延生长，该部分侧向搭桥外延的GaN基材料中位错多为偏向水平方向的位错，从而降低了搭桥外延部分的穿透位错密度，约为5×10⁶～10⁸/cm²；之后在其上淀积所需的紫光LED器件结构层3，如图4所示的在蓝宝石图形衬底上搭桥外延的GaN基器件结构材料的截面示意图。

实施例2

采用等离子增强的化学气相淀积技术(PECVD)在C面蓝宝石上蒸镀厚度为100nm的二氧化硅掩膜层；再利用光刻技术在该蒸镀了二氧化硅掩膜层的C面蓝宝石上光刻出沿[11 20]方向的条形二氧化硅掩膜图形，该二氧化硅掩膜层条纹图形的长度为50mm，宽度为4μm，窗口区域宽度为8μm；将此衬底放入由体积比为10∶1的硫酸和磷酸混合而成的腐蚀液中，采用温控炉加热，在300℃腐蚀2小时；取出衬底，用去离子水冲洗干净，然后将此衬底放入由体积比为5∶1的去离子水与氢氟酸配制而成的氢氟酸溶液中，腐蚀5秒；取出衬底，再用去离子水冲洗10分钟，得到清洁的蓝宝石图形衬底，该蓝宝石图形衬底的台面与槽状条纹图形周期性地相邻，槽状条纹在C面取向的蓝宝石衬底上沿[11 20]方向，沟槽的形状为三角形状，沟槽的宽度为8μm，其长度为5cm，台面条纹的台面宽度为4μm，其长度为5cm，构成三角形的两个晶面分别为(1-102)和(-1104)面；采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)在1050℃对蓝宝石图形衬底进行处理；降低衬底温度到低温成核层的生长温度600℃，生长25nm的GaN低温成核层，其中，Ga源为TMGa，N源为氨；对该低温成核层在1100℃进行退火10分钟，退火后在此温度生长3μm以上的GaN搭桥外延层，之后在其上淀积所需的蓝光LD器件结构层。

实施例3

采用等离子增强的化学气相淀积技术(PECVD)在C面蓝宝石上蒸镀厚度为300nm的二氧化硅掩膜层；再利用光刻技术在该蒸镀了二氧化硅掩膜层的C面蓝宝石上光刻出沿[11 20]方向的条形二氧化硅掩膜图形，该二氧化硅掩膜层条纹图形的长度为100mm，宽度为1μm，窗口区域宽度为10μm；将此衬底放入由体积比为5∶1的硫酸和磷酸混合而成的腐蚀液中，采用温控炉加热，在400℃腐蚀3小时；取出衬底，用去离子水冲洗干净，然后将此衬底放入由体积比为20∶1的去离子水与氢氟酸配制而成的氢氟酸溶液中，腐蚀20秒；取出衬底，再用去离子水冲洗10分钟，得到清洁的蓝宝石图形衬底。该蓝宝石图形衬底的台面与槽状条纹图形周期性地相邻，槽状条纹在C面取向的蓝宝石衬底上沿[11 20]方向，沟槽的形状为三角形状，沟槽的宽度为10μm，其长度为5cm，台面条纹的台面宽度为1μm，其长度为5cm，构成三角形的两个晶面分别为(1-102)和(-1102)面；采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)在1100℃对蓝宝石图形衬底进行处理；降低衬底温度到低温成核层的生长温度650℃，生长22nm的A1N低温成核层，其中，Al源为TMAl，N源为氨；对该低温成核层在1200℃进行退火12分钟，退火后在此温度生长4μm以上的AlGaN搭桥外延层，之后在其上淀积所需的紫外探测器的器件结构层。

Claims (6)

1、一种在特定的蓝宝石图形衬底上制备高质量GaN基材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采用等离子增强的化学气相淀积技术在C面蓝宝石上蒸镀厚度为100～500nm的二氧化硅掩膜层；

2)利用光刻技术在该蒸镀了二氧化硅掩膜层的C面蓝宝石上光刻出沿[11 20]方向的条形二氧化硅掩膜图形，该二氧化硅掩膜层条纹图形的长度为15～100mm，宽度为1～20μm，窗口区域宽度为1～50μm；

3)将此衬底放入由体积比为1～100∶1的硫酸和磷酸混合而成的腐蚀液中，采用温控炉加热，在200～500℃腐蚀1～10小时；

4)取出衬底，用去离子水冲洗干净，然后将此衬底放入由体积比为1～100∶1的去离子水与氢氟酸配制而成的氢氟酸溶液中，腐蚀1～1000秒；

5)取出衬底，再用去离子水冲洗1～100分钟，得到清洁的蓝宝石图形衬底。该蓝宝石图形衬底的台面与槽状条纹图形周期性地相邻，槽状条纹在C面取向的蓝宝石衬底上沿[11 20]方向，沟槽的形状为三角形状，沟槽的宽度为1μm～50μm，其长度为1mm～10cm，台面条纹的台面宽度为1μm～20μm，其长度为1mm～10cm，其深度为0.8～10μm，沟槽的三角形截面对应的晶面为蓝宝石的R面或{1-10k}面，组成三角形的两个晶面为相同的晶面或属于{1-10k}的两个不同的晶面，其中整数k＝2～6；

6)采用金属有机化学气相沉积技术在900～1200℃对蓝宝石图形衬底进行处理；

7)降低衬底温度到低温成核层的生长温度400～650℃，生长10～100nm的低温成核层；

8)对该低温成核层在900～1200℃进行退火2～60分钟，退火后在此温度生长2μm以上的搭桥外延层，之后在其上淀积所需的器件结构层。

2、根据权利要求1所示的一种在特定的蓝宝石图形衬底上制备高质量GaN基材料的方法，其特征在于，所述低温成核层可以是GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN或AlN。

3、根据权利要求1所示的一种在特定的蓝宝石图形衬底上制备高质量GaN基材料的方法，其特征在于，所述搭桥外延层可以是GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN或InAlGaN。

4、根据权利要求1所示的一种在特定的蓝宝石图形衬底上制备高质量GaN基材料的方法，其特征在于，所述器件结构层可以是发光二极管材料结构或激光器材料结构或紫外探测器材料结构或微电子器件材料结构。

5、根据权利要求1所示的一种在特定的蓝宝石图形衬底上制备高质量GaN基材料的方法，其特征在于，所述发光二极管为琥珀、红光、蓝光、绿光、紫光或紫外光的发光二极管，所述激光器为琥珀、蓝光、绿光、紫光或紫外光的激光器，所述微电子器件为高电子迁移率晶体管或场效应晶体管。

6、根据权利要求1所示的一种在特定的蓝宝石图形衬底上制备高质量GaN基材料的方法，其特征在于，所述搭桥外延层和器件结构层采用金属有机化学气相淀积、分子束外延、化学气相淀积或氢化物气相外延其中的一种或两种组合来原位制备。

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