Iii族氮化物襯底的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，尤其涉及III族氮化物襯底。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵(GaN)是寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，在藍(lán)綠到紫外波段的光電子器件和高功率微波器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景?？梢杂脕硗庋由LGaN相關(guān)器件的襯底材料有很多種，包括自支撐(free-standing) GaN襯底、藍(lán)寶石、碳化硅等。其中自支撐GaN襯底與外延GaN材料之間不存在晶格失配和熱失配，被稱為同質(zhì)外延技術(shù)。在其他襯底上外延生長GaN材料存在較大的晶格失配和熱失陪，被稱為異質(zhì)外延技術(shù)。在同質(zhì)外延技術(shù)中，GaN材料及器件中的缺陷密度能夠降低到16Cm 2以下，能夠有效提升GaN相關(guān)器件的性能指標(biāo)，是未來重要的發(fā)展方向。
[0003]然而，相比于異質(zhì)外延技術(shù)，同質(zhì)外延技術(shù)的發(fā)展依然面臨一系列的挑戰(zhàn)。例如起始GaN襯底的表面形貌和平整度對后續(xù)外延GaN材料及器件具有非常重要的影響，是同質(zhì)外延技術(shù)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。
[0004]在異質(zhì)外延技術(shù)中，目前用來外延生長GaN器件的藍(lán)寶石、碳化娃等異質(zhì)襯底加工一般采用粗研磨、精研磨以及化學(xué)機械拋光(CMP)三個步驟來進(jìn)行。其中，CMP技術(shù)將化學(xué)拋光與機械拋光的各自優(yōu)點結(jié)合起來，可以快速的去除機械研磨引入的幾百納米甚至幾個微米的損傷層，從而獲得無損傷層、原子級平整的襯底表面，其表面粗糙度(Ra)通常在0.2nm以下。
[0005]在同質(zhì)外延技術(shù)中，針對GaN自支撐襯底的表面處理一般也遵循藍(lán)寶石、碳化硅等襯底的工藝技術(shù)路線，利用粗研磨、精研磨以及化學(xué)機械拋光三個步驟來進(jìn)行表面處理。然而與藍(lán)寶石不同，自支撐GaN襯底的Ga面化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在化學(xué)機械拋光處理過程中，其化學(xué)拋光效率非常低。有文獻(xiàn)報道自支撐GaN襯底Ga面的CMP速率為17nm/h，需要CMP加工150h才能去除機械研磨帶來的損傷。參見H.Aida, H.Takeda, K.Koyama, H.Katakura, K.Sunakawa, T.Doi, Chemicalmechanical polishing of gallium nitride with colloidalsilica, J.Electrochem.Soc.158 (2011)H1206 - H1212,以及 H.Aida, H.Takeda, S_W.Kim, N.Aota, K.Koyama, T.Yamazaki, T.Doi, Evaluat1n of subsurface damadge in GaNsubstrate induced by mechanical polishing with diamond abrasives, Appl.Surf.Sc1.292(2014)531-536。因此，相比于藍(lán)寶石襯底的典型研磨拋光時間2到4小時，對GaN的Ga面拋光時間提高了 30倍以上，大幅增加了自支撐GaN襯底的加工成本。因此，采用與藍(lán)寶石類似的CPM的方法來獲得表面原子級平整、無損傷層的自支撐GaN襯底將面臨巨大的成本挑戰(zhàn)，不利于生產(chǎn)規(guī)模的放大。因此，急需發(fā)展新型的GaN自支撐襯底表面的處理工藝技術(shù)。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供低成本的III族氮化物襯底。
[0007]為了解決上述問題，本實用新型提供了一種III族氮化物襯底，用于外延生長，所述襯底的III族元素面至少存在一個橫截面為V型的溝槽，所述溝槽的深度范圍是0.3nm_50nm，寬度范圍是 10nm-500nm。
[0008]可選的，所述溝槽的深度范圍是0.1nm?8.0nm，且寬度范圍是1nm?344nm。
[0009]可選的，所述溝槽的深度范圍是0.1nm?16.3nm，且寬度范圍是1nm?166nm。
[0010]本實用新型進(jìn)一步提供了一種III族氮化物襯底，包括支撐襯底和外延層，所述支撐襯底和外延層均為III族氮化物材料，且所述支撐襯底與外延層貼合的表面是其III族氮化物面，所述支撐襯底的III族元素面至少存在一個橫截面為V型的溝槽，所述溝槽的深度范圍是0.3nm-50nm,寬度范圍是10nm-500nmo
[0011 ] 可選的，所述外延層填充至所述溝槽內(nèi)。
[0012]本實用新型的優(yōu)點在于，采用更為快速的腐蝕工藝代替了化學(xué)機械拋光，只去除晶格損傷而不特別在意是否去除劃痕。實際上，由于腐蝕工藝的對表面的去除速度基本相同，因此劃痕得以保留。但是，測試結(jié)果表明，與現(xiàn)有技術(shù)中采用無劃痕襯底相比，所獲得的外延層質(zhì)量相同。因此，本實用新型摒棄了外延襯底一定要無劃痕的技術(shù)偏見，提供了有劃痕的襯底用于外延生長，節(jié)省了化學(xué)機械拋光帶來的工藝成本。
【附圖說明】
[0013]附圖1所示是本實用新型的本【具體實施方式】提供的一種具有劃痕的襯底表面的形貌示意圖。
[0014]附圖2所示是本實用新型的【具體實施方式】的實施步驟示意圖。
[0015]附圖3所示是是本實用新型的【具體實施方式】中研磨后表面受損情況的測試結(jié)果，其中圖片(a)是SEM照片，表示劃傷情況，圖片(b)是陰極熒光(CL)譜，表示的是晶格損傷。
[0016]附圖4所示是本實用新型的【具體實施方式】中采用粒徑I微米金剛石顆粒研磨后的剖面CL譜。
[0017]附圖5所示是本實用新型的【具體實施方式】中研磨并干法刻蝕后表面受損情況的測試結(jié)果，其中圖片(a)是SEM照片，表示劃痕情況，圖片(b)是陰極熒光(CL)譜，表示的是僅存在位錯露頭的黑點(不發(fā)光)，無劃痕對應(yīng)的損傷層，說明損傷層已經(jīng)完全去除。
[0018]附圖6所示是本實用新型的【具體實施方式】中研磨并濕法腐蝕后表面受損情況的測試結(jié)果，其中圖片(a)是SEM照片，表示劃痕情況，圖片(b)是陰極熒光(CL)譜，表示的是僅存在位錯露頭的黑點(不發(fā)光)，無劃痕對應(yīng)的損傷層，說明損傷層已經(jīng)完全去除。
[0019]附圖7所示是采用現(xiàn)有技術(shù)的無劃痕襯底和本實用新型的【具體實施方式】中的有劃痕襯底采用HVPE工藝進(jìn)行外延生長后的外延層表面AFM照片對比，其中(a)采用經(jīng)化學(xué)機械拋光后的無劃痕襯底，而(b)采用本【具體實施方式】所述的采用粒徑I微米金剛石顆粒研磨，并采用干法刻蝕去除晶格損傷層后的襯底。
[0020]附圖8所示是本實用新型的【具體實施方式】所用的采用粒徑I微米金剛石顆粒研磨，并采用干法刻蝕去除晶格損傷層后的襯底做外延生長后，表面的光學(xué)顯微鏡照片和AFM照片的對比示意圖，其中(a)是光學(xué)顯微鏡照片，而(b)是AFM照片。
[0021]附圖9所示是本實用新型的【具體實施方式】所制作襯底的XRD的測試結(jié)果，其中(a)、(b)是本【具體實施方式】所用的采用粒徑I微米金剛石顆粒研磨，并采用干法刻蝕去除晶格損傷層后的襯底做外延生長后的X射線衍射的搖擺曲線，其中(a)圖為(0006)面的搖擺曲線，(b)圖為(10-12)面的搖擺曲線；(c)、(d)是正常拋光樣品進(jìn)一步外延生長后的X射線衍射的搖擺曲線，其中(c)圖為(0006)面的搖擺曲線，⑷圖為(10-12)面的搖擺曲線。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本實用新型提供的III族氮化物襯底的【具體實施方式】做詳細(xì)說明。
[0023]為簡便起見，以下【具體實施方式】的敘述中以GaN為例。而A1N、InN, AlGaN以及其他二元、三元以致四元的III族氮化物材料的III族元素表面都呈現(xiàn)出相同的性質(zhì)，因此都應(yīng)當(dāng)視為本實用新型的保護(hù)范圍。
[0024]首先結(jié)合附圖給出本實用新型所述用于外延生長的III族氮化物襯底的【具體實施方式】。
[0025]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，利用粗研磨、精研磨技術(shù)對GaN自支撐襯底的Ga面進(jìn)行加工，或者僅采用粗研磨技術(shù)對GaN自支撐襯底進(jìn)行加工，經(jīng)過上述加工之后，GaN自支撐襯底的Ga面主要由相互交錯的劃痕組成。附圖1所示是具有這種劃痕的襯底表面的形貌示意圖，包括襯底10以及表面的多個劃痕11，并以局部放大的形式給出的劃痕的橫截面形貌圖。這些劃痕的典型特征為:這些劃痕在Ga面表面形成縱橫交錯的線條，各條劃痕之間以隨機分布且相互交錯呈現(xiàn)在Ga面的表面上。在垂直于劃痕線條的截面上，劃痕呈V型。為了表現(xiàn)出劃痕11的特點，本【具體實施方式】的圖1對劃痕11的尺寸做了放大處理，不視為測量依據(jù)。實際的襯底10與劃痕11之間的尺寸比例會很小，襯底10的尺寸是5cm左右，而劃痕11的寬度范圍通常不會大于I微米。
[0026]無劃痕是現(xiàn)有技術(shù)中對外延襯底的基本要求之一，因此在本領(lǐng)域的常規(guī)做法是需要進(jìn)一步通過化學(xué)機械拋光將上述劃痕消除。但對于III族金屬表面，拋光的難度非常大，需要上百小時才可以將劃痕完全消除，以滿足后續(xù)外延生長的需要。如果不經(jīng)拋光，后續(xù)生長的外延層的缺陷密度極高。
[0027]但經(jīng)進(jìn)一步實驗發(fā)現(xiàn)，實際上影響外延層質(zhì)量的并非只是劃痕，還在于機械研磨對表面晶格的損傷，這個損傷通常深至表面一下數(shù)個微米的區(qū)域。而化學(xué)機械拋光實際上不僅起到了去除劃痕的作用，還起到了去除損傷層的作用。而GaN等III族氮化物材料的側(cè)向外延生長能力比較強，通過初期GaN成核生長，后續(xù)GaN側(cè)向外延生長，能夠在具有一定圖形的表面上實現(xiàn)平整的GaN外延材料生長，例如圖形藍(lán)寶石襯底(PSS)技術(shù)等。因此，化學(xué)機械拋光對提高后續(xù)外延層質(zhì)量所做的貢獻(xiàn)實際上主要體現(xiàn)在去除受損的晶格?；谶@一發(fā)現(xiàn)，本【具體實施方式】提供了一種保留研磨帶來的劃傷的襯底10，III族元素面至少存在一個橫截面為V型的溝槽11，所述溝槽11的深度范圍是0.3nm-50nm,寬度范圍是10nm-500nm。其中0.3nm的深度和1nm的寬度是現(xiàn)有技術(shù)中對襯底表面劃痕的要求，依照本領(lǐng)域?qū)ν庋右r底質(zhì)量的一般認(rèn)知，如果襯底表面具有超過這個尺寸的劃痕，是不能用于外延生長的。而50nm的深度和500nm的高度是再繼續(xù)做外延生長的工藝步驟中能夠側(cè)向覆蓋并生長平整的最大尺寸。
[0028]由于襯底10的表面雖然不需要去除劃痕，但仍然需要去除受損的晶格，因此還需要采用干法或者濕法腐蝕的方法做腐蝕處理。經(jīng)過干法腐蝕處理后的襯底10，所述溝槽11的典型深度范圍是0.1nm?8.0nm，且寬度范圍是1nm?344nm。而經(jīng)過濕法腐蝕處理后的襯底10，所述溝槽11的典型深度范圍是0.1nm?16.3nm，且寬度范圍是1nm?166nm。
[0029]該襯底10可以用作后續(xù)外延生長的支撐襯底，并在其III族元素面上繼續(xù)生長外延層，可以是同質(zhì)