CN1992166A - 蓝宝石基无掩膜横向外延生长高质量的ⅲ族氮化物薄膜 - Google Patents

Abstract

一种蓝宝石衬底上无掩膜横向外延生长高质量的III族氮化物薄膜的新技术，该技术采用化学腐蚀的方法腐蚀蓝宝石衬底，以形成一定图案的蓝宝石衬底1，提供横向外延基底，缓冲层2为低温GaN薄膜，3为横向外延生长的高温GaN薄膜。缓冲层2首先在没有腐蚀坑位置的蓝宝石衬底1处外延生长，形成一定的籽晶，在籽晶处外延生长的同时，改变外延生长工艺条件，使其横向外延，以使两翼在腐蚀坑处翼合，形成高质量、低位错密度的GaN薄膜3，这样就可以在GaN薄膜3上沉积高质量的III族氮化物薄膜4。这种横向外延技术不仅可以降低位错密度，而且克服了传统横向外延技术工艺复杂和晶向倾斜高的缺点。

Description

蓝宝石基无掩膜横向外延生长高质量的Ⅲ族氮化物薄膜

一.技术领域

本发明涉及一种新型的、简便的无掩膜横向外延技术并结合金属有机气相外延(MOCVD)薄膜技术，生长GaN基III族氮化物薄膜的方法和技术，尤其是生长高质量、低位错密度GaN薄膜的方法。

二.技术背景

以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III族氮化物材料(又称GaN基III族氮化物材料)是近几年来国际上备受重视的新型半导体材料，其1.9-6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能，使其成为短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备的最优选材料。

由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化，所以，外延GaN都是在异质衬底上进行。由于蓝宝石具有与纤锌矿III族氮化物相同的对称性，在其上能够生长稳定的六方相GaN，同时，蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理，高温下有很好的稳定性，所以，在六方GaN的外延生长中，蓝宝石是使用最为普遍的一种衬底。但是由于它和六方GaN外延层有很大的晶格失配(16％)，热膨胀系数也有较大差异，在外延生长时会产生大量的晶体缺陷。

对于两步生长法生长的六方GaN，最低位错密度据报道也在10⁸cm^-2量级以上，这严重阻碍了GaN在激光器和高速电子器件的发展，所以降低晶体缺陷，提高GaN薄膜的晶体质量显得尤其重要。为了降低GaN的晶体缺陷，采取了很多方法，其中最有效的方法就是采用横向外延(Epitaxial-Lateral-Overgrown，ELO)技术，位错密度可以降低几个数量级。

传统的GaN横向外延技术是指在已经获得的GaN平面材料上淀积掩蔽材料(如SiO₂、Si₃N₄等)并刻出特定的图形窗口，然后在已开好图形的衬底窗口区进行外延生长，而抑制在掩膜区表面上成核，当窗口区长满后，就以足够大的横纵向生长速率比进行侧向铺伸外延，直至整个外延层连成一片。采用横向外延技术，掩膜区的线位错在横向生长区被截断而消失，窗口区的部分线位错向横向生长区弯曲90°，使得线位错不能到达薄膜表面，这样线位错大大减少，所以使用横向外延生长可以大幅度降低外延层中的位错密度，并改善外延层质量，降低外延层非故意掺杂电子浓度，从而降低P型掺杂难度等。但由于传统的横向外延生长技术都采用了掩膜版，不仅使得横向外延工艺复杂，而且掩膜区外延薄膜和底下的掩膜版之间的相互作用，使得横向外延生长的掩膜区薄膜会发生向下的晶向倾斜以及在掩膜区边界处会产生一些低角度晶界。

为了解决传统横向外延技术存在的几个关键问题，现发明一种新型的，简便的无掩膜横向外延技术，并结合MOCVD薄膜生长技术在蓝宝石衬底上生长高质量、低位错密度GaN基III族氮化物薄膜。

三.发明内容

本发明针对蓝宝石衬底上传统横向外延生长GaN薄膜存在的问题，采用化学方法腐蚀蓝宝石衬底，以形成一定图案的蓝宝石衬底，然后再在此基底上横向外延GaN薄膜，这样不仅可以获得高质量、低位错密度的GaN基III族氮化物薄膜，而且还可以克服传统横向外延工艺复杂、晶向倾斜高的缺点。

本发明的技术解决方案如下：

用王水、硫酸、盐酸、磷酸、硝酸或者熔融氢氧化钾溶液，在200℃～500℃的温度下，对蓝宝石衬底腐蚀30min～60min，由于蓝宝石衬底本身具有一定的缺陷，在缺陷集中的位置，腐蚀速度较快，这样蓝宝石衬底就在缺陷集中的位置形成一定的腐蚀坑，也就形成了一定图案的蓝宝石衬底。通过严格控制腐蚀时间和腐蚀温度就可以控制腐蚀坑的尺寸以及腐蚀坑的密度。

由于这些腐蚀坑的位置是缺陷集中的位置，这样在随后的外延生长过程中，在这些位置处不容易形核，即在沉积缓冲层低温GaN薄膜时，首先在没有腐蚀坑的位置形核，形成一定的籽晶，然后再沉积高温GaN薄膜，通过改变生长工艺条件，使其横向生长速度大于纵向生长速度，发生横向生长。当横向生长达到一定程度后，便会使两翼在腐蚀坑处聚合，得到全覆盖的GaN外延层。由于在没有腐蚀坑处本身不是缺陷集中的位置，同时在随后的横向外延生长过程中，其部分线位错弯曲90°，使其不能到达薄膜表面，这样可以大大降低位错密度；而且腐蚀坑的中空结构可以释放应力，提高外延层的质量。

当采用该方法生长GaN薄膜聚合长平后，可以在其上生长III族氮化物材料，继而继续生长高质量的发光管、激光管、探测器等任意器件结构。

本发明的技术特点：

1.本发明具有与传统横向外延生长一样的降低薄膜位错密度的机理，可以获得高质量、低位错密度的GaN薄膜。

2.通过严格控制腐蚀时间、腐蚀温度等腐蚀条件可以控制腐蚀坑的尺寸和密度，即可以控制腐蚀坑面积所占的比例，也即可以控制低位错密度区的面积。

3.由于横向外延生长过程中，两翼会在腐蚀坑处聚合，而腐蚀坑的中空结构可以释放应力，大大提高外延层的质量。

4.本发明没有采用掩膜版，这样可以大大降低掩膜区晶体的晶向倾斜。

5.本发明没有采用传统横向外延生长技术中必须采用的光学刻蚀和离子刻蚀技术，这样大大简化了横向外延生长工艺。

6.可以用化学腐蚀的方法对没有外延好的蓝宝石衬底进行处理，这样衬底可以重复利用，具有很高的商业价值。

四.附图说明

图1为本发明一定图案蓝宝石基横向外延生长III族氮化物薄膜的各层结构原理图。

图2为本发明表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底形貌图。

图3为本发明表面处理形成的腐蚀坑大致形貌图。

五.具体实施方式

本发明提供一种简便、无掩膜，在表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底上横向外延生长高质量的III族氮化物的一种新方法，包括如下步骤：

1.采用王水、硫酸、盐酸、磷酸、硝酸或者熔融氢氧化钾溶液，在200℃～500℃的温度下，对蓝宝石衬底腐蚀30min～60min，以形成一定图案。

2.将腐蚀好的蓝宝石衬底用去离子水冲洗干净，然后用丙酮超声3min～5min，以去除衬底上的有机物，再用去离子水冲洗干净；甩干。

3.将甩干的蓝宝石衬底立即放入MOCVD反应腔内。

4.将MOCVD的温度迅速升到1000℃～1150℃，同时通NH₃，对衬底进行氮化处理。

5.生长GaN缓冲层2，沉积温度为500℃～600℃，其厚度为20nm～30nm。

6.横向外延生长高温GaN薄膜3，通过改变外延生长工艺条件，使其横向生长出平整的GaN薄膜，沉积温度为1000℃～1100℃。

7.在平整的GaN薄膜上改变外延条件，生长III族氮化物薄膜。

8.如需制作光电器件，在上述外延晶体上生长器件所需的各层结构。

Claims (6)

1.蓝宝石基无掩膜横向外延生长高质量的III族氮化物薄膜的新方法，其特征是表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底1，以及在衬底1与氮化物半导体材料4之间有GaN缓冲层2和横向外延生长的高质量GaN层3。

2.由权利要求1所述的表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底1，其特征是采用化学腐蚀的方法腐蚀蓝宝石衬底，形成一定的图案，提供横向外延基底。

3.由权利要求2所述的化学腐蚀方法，可以采用王水、硫酸、盐酸、磷酸、硝酸或者熔融氢氧化钾溶液，高温化学腐蚀，腐蚀温度为200℃～500℃，腐蚀时间为30min～60min，通过严格控制腐蚀温度和腐蚀时间，可以控制蓝宝石衬底的图案。

4.由权利要求1所述的蓝宝石衬底图案，其特征是深度为100nm～500nm的腐蚀坑，腐蚀坑密度为10³cm^-2～10⁶cm^-2，通过严格控制腐蚀温度和腐蚀时间，可以控制腐蚀坑的深度和腐蚀坑密度。

5.由权利要求1所述的GaN缓冲层2，其特征是缓冲层为低温生长，而且先在没有腐蚀坑位置形核，形成籽晶，生长温度为500℃～600℃，其厚度为20nm～30nm。

6.由权利要求1所述的横向外延生长的GaN层3，其特征是通过横向外延生长，使两翼在凹坑处聚合生长，这样可以大大降低位错密度，同时凹坑的中空结构可以释放应力，提高外延层质量。

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