本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料外延生長領(lǐng)域，涉及但不限定于一種雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)及其制備方法、外延生長方法。

背景技術(shù)：

1、作為第三代半導(dǎo)體材料的代表之一，氮化鎵(gan)材料具有優(yōu)異的物理及化學(xué)性質(zhì)。該材料為直接帶隙半導(dǎo)體材料且?guī)犊赏ㄟ^能帶工程進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，進(jìn)而可以實現(xiàn)從藍(lán)紫光到紅外波長范圍內(nèi)的led等發(fā)光器件。此外，gan材料耐腐蝕性強(qiáng)且可以承受很高的擊穿電壓，因此也被運(yùn)用于制作耐高壓器件。該半導(dǎo)體材料還具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率且介電常數(shù)大，因此也被用于高頻器件的制作。正是由于gan半導(dǎo)體材料的種種優(yōu)勢，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和科研院所中受到了廣泛的關(guān)注。但是，由于gan同質(zhì)襯底價格昂貴，因此為了降低成本，通常還是基于藍(lán)寶石襯底或者si襯底進(jìn)行g(shù)an材料的異質(zhì)外延。由于藍(lán)寶石和gan材料存在高達(dá)14％的晶格失配以及25％的熱失配，導(dǎo)致外延出來的gan材料晶體質(zhì)量低，位錯密度很高。si襯底上外延gan材料也存在類似的晶格失配和熱失配問題，分別達(dá)到17％和-56％。因此，也無法獲得高質(zhì)量的gan材料。雖然，已經(jīng)有了一些技術(shù)可以用于解決部分晶格失配問題，包括gan緩沖層技術(shù)、圖形化襯底技術(shù)、側(cè)向外延技術(shù)等等。但是，熱失配問題目前還是廣泛存在。

2、專利cn103682016a提出了一種gan外延或者襯底的制作方法。主要是通過在si襯底上生長一層緩沖層，然后利用光刻技術(shù)在緩沖層上制作相關(guān)圖形并利用刻蝕技術(shù)對緩沖層和si襯底進(jìn)行孔洞刻蝕，最后在該襯底表面外延gan材料。

3、專利cn100547735c發(fā)明了一種利用均勻納米粒子點陣提高厚膜gan質(zhì)量的方法。該方法是通過電化學(xué)方法將蒸鍍在gan模板上的一層鋁金屬加工成多孔狀陽極氧化鋁，然后注入sio2并去除氧化鋁得到sio2納米粒子點陣結(jié)構(gòu)。基于該點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行g(shù)an材料的外延，可以使得位錯密度均勻分布且有所降低，有利用提高gan薄膜的利用率。

4、專利cn103137434a公布了一種si基gan薄膜的制造方法。該發(fā)明在si襯底的背面刻蝕處溝槽降低si襯底的強(qiáng)度，然后再在該襯底的正面生長gan薄膜。由于溝槽的存在，si襯底可以通過變形釋放界面間的應(yīng)力，進(jìn)而可以減少gan外延過程中的應(yīng)力積累，降低外延片出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險。

5、專利cn102492986b公開了一種選區(qū)異質(zhì)外延襯底結(jié)構(gòu)及其制備和外延層生長方法。該發(fā)明利用光刻技術(shù)及pecvd技術(shù)先在襯底上制作了周期性分布的條形窗口，然后沉積sio2介質(zhì)層。再在上表面利用lpcvd沉積一層sinx掩模層。在此用光刻技術(shù)在上掩模層開出十字窗口并利用aoe進(jìn)行刻蝕，去除多余的sio2層。最終得到一種選取異質(zhì)外延襯底結(jié)構(gòu)并基于該結(jié)構(gòu)進(jìn)行外延層生長。該方法可以提高無位錯外延膜的有效寬度，提高其使用價值。

6、相對于傳統(tǒng)的藍(lán)寶石上直接外延gan薄膜而言，基于以上提到的這些方法外延得到的gan薄膜的晶體質(zhì)量有所改進(jìn)，可以降低生長過程中的應(yīng)力以及位錯密度。但是，這些方法在外延gan薄膜的過程中，工藝流程復(fù)雜，所需設(shè)備儀器及技術(shù)繁多，不利于降低材料外延的成本控制。此外，現(xiàn)有的技術(shù)對解決存在的熱失配問題還存在困難。通過現(xiàn)有技術(shù)外延得到的gan薄膜，通常都是基于藍(lán)寶石襯底或者si襯底，還無法便捷地獲得具有自支撐的gan外延片。這些不足對于后期的半導(dǎo)體光電器件的加工制作等方面均存在不利影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明實施例提供一種雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)及其制備方法、外延生長方法，解決gan外延過程中與藍(lán)寶石襯底或硅襯底之間的晶格失配和熱失配問題。一次外延即可獲得高晶體質(zhì)量且具有自支撐的gan外延片，可簡化工藝流程，成本低且簡單易行。

2、本發(fā)明實施例的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

3、第一方面，本發(fā)明實施例提供一種雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)，包括：襯底、在襯底上鋪裝的第一層硅酸鋁纖維掩膜，以及沿著第一層硅酸鋁纖維掩膜的垂直方向鋪裝的第二層硅酸鋁掩膜；所述第一層硅酸鋁纖維掩膜作為底層掩模結(jié)構(gòu)，所有纖維掩模均彼此平行且均沿著[11-20]方向鋪裝；所有相鄰的纖維間距一致；所述第二層硅酸鋁纖維掩膜作為頂層掩模結(jié)構(gòu)，垂直于第一層鋪設(shè)，同樣保持纖維掩模彼此平行且所有相鄰的纖維間距一致。

4、在一些可能的實施例中，所述襯底為藍(lán)寶石襯底或硅襯底。

5、在一些可能的實施例中，所述所有相鄰的纖維間距均為2um至5um。

6、第二方面，本發(fā)明實施例提供一種雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

7、襯底清洗：將襯底依次經(jīng)過丙酮超聲清洗、酒精超聲清洗、去離子水沖洗和氮氣吹干處理；第一層硅酸鋁纖維鋪設(shè)：沿襯底的[11-20]晶向平行鋪設(shè)多條硅酸鋁纖維，相鄰纖維間距為2um至5um；第二層硅酸鋁纖維鋪設(shè)：在第一層纖維的垂直方向上平行鋪設(shè)多條與第一層纖維尺寸一致的硅酸鋁纖維，相鄰纖維間距為2um至5um。

8、第三方面，本發(fā)明實施例提供一種雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

9、在制得的得雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用mocvd技術(shù)生長gan緩沖層；在gan緩沖層上進(jìn)行垂直生長，當(dāng)gan穿出第一層纖維掩模窗口時，調(diào)高五三比進(jìn)而控制生長條件實現(xiàn)gan在第一層纖維掩模上進(jìn)行側(cè)向外延生長，直至相鄰兩窗口的gan均長合為止；再次控制生長條件，實現(xiàn)gan在第一層纖維掩模上的垂直生長；當(dāng)gan即將穿出第二層掩模窗口時，將gan生長模式切換到側(cè)向生長模式；當(dāng)相鄰窗口的gan通過側(cè)向生長長合以后，再次調(diào)節(jié)生長參數(shù)和條件促使gan進(jìn)行垂直生長直至達(dá)到預(yù)期厚度后終止生長。

10、在一些可能的實施例中，所述外延生長方法還包括：在gan生長到預(yù)期厚度后，取出外延片，冷卻到室溫時會自動從襯底上剝離，得到自支撐的gan外延片。

11、本申請實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果至少包括：

12、本發(fā)明基于兩層纖維掩模層交織的垂直結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一次外延即可獲得高晶體質(zhì)量且具有自支撐的gan外延片。該技術(shù)工藝簡潔，成本低且簡單易行。同時解決在外延過程中，與藍(lán)寶石或者si襯底之間的熱失配問題。

技術(shù)特征：

1.一種雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括襯底、在襯底上鋪裝的第一層硅酸鋁纖維掩膜，以及沿著第一層硅酸鋁纖維掩膜的垂直方向鋪裝的第二層硅酸鋁掩膜；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底為藍(lán)寶石襯底或硅襯底。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述所有相鄰的纖維間距均為2um至5um。

4.一種權(quán)利要求3所述雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.一種基于權(quán)利要求1至3任一項所述雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)的外延生長方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的外延生長方法，其特征在于，還包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)及其制備方法、外延生長方法，雙層纖維掩模襯底結(jié)構(gòu)包括襯底、在襯底上鋪裝的第一層硅酸鋁纖維掩膜，以及沿著第一層硅酸鋁纖維掩膜的垂直方向鋪裝的第二層硅酸鋁掩膜；所述第一層硅酸鋁纖維掩膜作為底層掩模結(jié)構(gòu)，所有纖維掩模均彼此平行且均沿著[11?20]方向鋪裝；所有相鄰的纖維間距一致；所述第二層硅酸鋁纖維掩膜作為頂層掩模結(jié)構(gòu)，垂直于第一層鋪設(shè)，同樣保持纖維掩模彼此平行且所有相鄰的纖維間距一致。本發(fā)明基于兩層纖維掩模層交織的垂直結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一次外延即可獲得高晶體質(zhì)量且具有自支撐的GaN外延片。該技術(shù)工藝簡潔，成本低且簡單易行。同時解決在外延過程中，與藍(lán)寶石或者Si襯底之間的熱失配問題。

技術(shù)研發(fā)人員：廖輝,宋春燕,楊寧選,王銳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：石河子大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10