一種用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板，包括Si襯底以及在Si襯底上的(111)晶面作為晶體取向外延生長的AlN模板層，所述AlN模板層上刻蝕有多條互相垂直的條狀溝槽，形成多個(gè)相互獨(dú)立的矩形平臺(tái)。本發(fā)明還涉及該圖形化Si襯底AlN模板的制備方法，包括如下步驟：襯底清洗、生長AlN層、蝕刻出矩形平臺(tái)。采用本發(fā)明的制備的用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板成品率高、成本低，制備出的產(chǎn)品均勻性好、質(zhì)量高。
【專利說明】一種用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化S i襯底AI N模板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于GaN半導(dǎo)體材料外延的圖形化Si襯底AlN模板及其制備方法，尤其是涉及一種用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN作為第三代半導(dǎo)體材料代表之一，具有直接帶隙、寬禁帶、高飽和電子漂移速度、高擊穿電場(chǎng)和高熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能，在微電子應(yīng)用方面也得到了廣泛的關(guān)注。自
1.Akasaki首次成功獲得p_GaN，實(shí)現(xiàn)藍(lán)光LED的新突破后，GaN基化合物半導(dǎo)體一直備受關(guān)注，在室內(nèi)照明、商業(yè)照明、工程照明等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]高質(zhì)量GaN材料一般都通過異質(zhì)外延方法制作。作為常用于生長GaN的襯底，藍(lán)寶石有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，但它的導(dǎo)熱系數(shù)低(20W/mK)如果LED芯片中的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，會(huì)加速器件的老化。一旦LED的溫度超過最高臨界溫度(跟據(jù)不同外延及工藝，芯片溫度大概為150°C )，往往會(huì)造成LED永久性失效，而高溫還會(huì)導(dǎo)致LED封裝材料中熒光粉、硅膠的可靠性，此外藍(lán)寶襯底技術(shù)在制作芯片時(shí)由于襯底的絕緣性以及穩(wěn)定性，使得只能采用橫向結(jié)構(gòu)的電極制作，一部分光被電極遮擋，這也大大的制約了 LED的發(fā)光效率；SiC雖然與GaN的晶格失配度僅3.5 %，導(dǎo)熱率較高，但它的熱失配與藍(lán)寶石相當(dāng)(25.6% )，與GaN的潤濕性較 差，價(jià)格昂貴，并且制造技術(shù)已被美國科銳公司壟斷，因此也無法普遍使用。相比較下，Si襯底具有成本低、單晶尺寸大且質(zhì)量高、導(dǎo)熱率高、導(dǎo)電性能良好等諸多特點(diǎn)，并且Si的微電子技術(shù)十分成熟，在Si襯底上生長GaN薄膜有望實(shí)現(xiàn)光電子和微電子的集成。正是因?yàn)镾i襯底的上述諸多優(yōu)點(diǎn)，Si襯底上生長GaN薄膜進(jìn)而制備LED越來越備受關(guān)注。但是，目前在Si襯底上制備GaN單晶薄膜的質(zhì)量不如藍(lán)寶石襯底，主要由于:Si與GaN晶格失配高于藍(lán)寶石，導(dǎo)致外延片的中的缺陷較多；Si襯底遇活性N在界面處易形成無定形的SixNy，影響GaN的生長質(zhì)量；而Si與Ga之間的在高溫下存在合金共熔反應(yīng)，使得GaN無法直接生長在Si襯底上。另外一個(gè)限制Si襯底外延GaN技術(shù)的應(yīng)用的因素在于GaN與Si之間巨大的熱失配，這使得GaN在冷卻過程中容易產(chǎn)生裂紋，阻礙了后期的器件制作。
[0004]由此可見，即便Si襯底具有成本低、散熱好等優(yōu)點(diǎn)，具有非常良好的發(fā)展前景，但要在Si襯底上生長高質(zhì)量GaN薄膜，需要尋找Si襯底上生長GaN薄膜的新方法及工藝。
[0005]目前，業(yè)界在Si襯底上外延GaN基半導(dǎo)體材料的主要采用將硅襯底分割成多個(gè)相互獨(dú)立的獨(dú)立矩形生長平臺(tái)的方式，克服裂紋的問題，通過相互隔絕的生長平臺(tái)隔絕裂紋的延生，同時(shí)通過溝槽釋放薄膜的累積應(yīng)力，從而提高外延的薄膜的晶體質(zhì)量。然而，采用金屬化學(xué)氣相沉積在外延AlN緩沖層之前，需要預(yù)先鋪Al ;由于矩形平臺(tái)的邊緣效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致邊緣區(qū)域鋪鋁不均勻，從而使得邊緣表面形貌惡化，在后期加工過程中必須將邊緣去除。降低了外延片的有效利用面積。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有的Si襯底在外延GaN基半導(dǎo)體材料過程中由于GaN與Si襯底之間的熱失配而導(dǎo)致GaN薄膜的裂紋問題，以及由于Ga與Si之間合金共融產(chǎn)生的回熔刻蝕問題，本發(fā)明提供了一種低成本、質(zhì)量優(yōu)、外延生長穩(wěn)定的一種用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板及其制備方法。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板，其包括Si襯底以及在Si襯底上的(111)晶面作為晶體取向外延生長的AlN模板層，所述AlN模板層上刻蝕有多條互相垂直的條狀溝槽，形成多個(gè)相互獨(dú)立的矩形平臺(tái)。
[0009]本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為所述AlN模板層厚度為10_200nm ;所述矩形平臺(tái)邊長為200-2000 μ m，條狀溝槽寬度≥2 μ m、深度≥3 μ m。一種用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板的制備方法，其特征在于依次包括如下步驟:
[0010]a.將Si襯底進(jìn)行清潔處理；所述清潔處理工藝優(yōu)選的方案具體為:將Si襯底放入丙酮溶液中超聲處理，然后用去離子水清洗；接著在異丙酮溶液中超聲處理；再在氫氟酸溶液中浸泡；然后放入去離子水中浸泡；最后在硫酸和雙氧水的混合溶液中浸泡，再經(jīng)氫氟酸浸泡，然后用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈伞?br> [0011]b.以Si襯底的(111)晶面作為晶體取向，采用脈沖激光沉積工藝在Si襯底上生長出一層AlN模板層；采用脈沖激光沉積工藝生長AlN模板層，通過預(yù)先沉積AlN工藝可以避免由于反應(yīng)腔中殘余Ga導(dǎo)致襯底在初期高溫清理過程中產(chǎn)生S1-Ga合金共熔反應(yīng)破壞硅襯底表面；采用脈沖激光沉積工藝生長AlN模板層，避開采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長AlN所需經(jīng)過的預(yù)鋪Al工序，防止因預(yù)鋪Al不均勻造成的AlN質(zhì)量下降。
[0012]c.在經(jīng)b步驟制得的AlN模板層上蝕刻出多條互相垂直的條狀溝槽，在AlN模板層上形成多個(gè)相互獨(dú)立的矩形平臺(tái)。將外延生長AlN模板層的Si襯底刻蝕成規(guī)則的AlN模板生長平臺(tái)，有利于外延過程中的應(yīng)力釋放，降低位錯(cuò)缺陷，提高晶體質(zhì)量，獲得無裂紋的GaN表面。本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為所述b步驟中生長的AlN層厚度為10_200nm。
[0013]本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為所述c步驟蝕刻后形成的矩形平臺(tái)邊長為200-2000 μ m。
[0014]本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為所述c步驟蝕刻出的條形溝槽寬度> 2 μ m、深度> 3 μ m。
[0015]本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為所述b步驟中的脈沖激光沉積工藝中，襯底溫度為550~650°C，反應(yīng)室壓力為IOmTorr、V / III比為50~100、生長速度為0.6~0.8ml/s。與傳統(tǒng)的工藝相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0016]1.采用脈沖激光沉積工藝生長AlN模板層，通過預(yù)先沉積AlN工藝可以避免由于反應(yīng)腔中殘余Ga導(dǎo)致襯底在初期高溫清理過程中產(chǎn)生S1-Ga合金共熔反應(yīng)破壞Si襯底表面。
[0017]2.采用脈沖激光沉積工藝生長AlN模板層，避開采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長AlN所需經(jīng)過的預(yù)鋪Al工序，防止因圖形邊緣效應(yīng)引起預(yù)鋪Al不均勻造成的AlN模板層及后續(xù)GaN薄膜外延中邊緣形貌惡化問題。
[0018]3.將外延生長AlN模板層的Si襯底刻蝕成規(guī)則的AlN模板矩形生長平臺(tái)，有利于外延過程中的應(yīng)力釋放，降低位錯(cuò)缺陷，在外延GaN半導(dǎo)體材料時(shí)提高晶體質(zhì)量，獲得無裂紋的GaN表面。
[0019]4.本發(fā)明制得的生長在Si襯底上的矩形圖形化AlN模板層，具有成本低、效率高、有利于后期進(jìn)一步加工、廣品質(zhì)量聞等優(yōu)點(diǎn)。
[0020]下面結(jié)合附圖【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021]附圖
[0022]圖1:實(shí)施例1中經(jīng)過b步驟處理的Si襯底結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2:實(shí)施例1的用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3:實(shí)施例1的用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板截面俯視不意圖；
[0025]圖4:實(shí)施例3制備的生長在Si襯底上的GaN薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖5:實(shí)施例3制備的生長在Si襯底上的GaN薄膜(0002)的高分辨X射線衍射搖擺曲線(RCXRD)圖譜；
[0027]圖6:實(shí)施例3制備的生長在Si襯底上的GaN薄膜(10_12)的高分辨X射線衍射搖擺曲線(RCXRD) 圖譜。
[0028]其中，1、Si襯底;2、A1N模板層;3、矩形平臺(tái)；4、條狀溝槽；5、中間層；6、GaN外延層。
【具體實(shí)施方式】
[0029]實(shí)施例1
[0030]結(jié)合附圖1-, 3, —種用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板,其包括Si襯底I以及在Si襯底I上的(111)晶面作為晶體取向外延生長的AlN模板層2，所述AlN模板層I上刻蝕有多條互相垂直的條狀溝槽4，形成多個(gè)相互獨(dú)立的矩形平臺(tái)3。所述AlN模板2層厚度為50nm ;所述矩形平臺(tái)3的大小為1mmX Imm,條狀溝槽4的寬度為10 μ m、深度為8 μ m
[0031]其由如下方法制得，依次包括如下步驟:
[0032]a.將Si襯底進(jìn)行清潔處理。
[0033]b.以Si襯底的(111)晶面作為晶體取向，采用脈沖激光沉積工藝在Si襯底上生長出AlN模板層:其中脈沖激光沉積工藝味:襯底溫度為650°C，反應(yīng)室壓力為10mTorr、V/III比為50、生長速度為0.6ml/s,生長一層50nm厚的AlN模板層。
[0034]c.在經(jīng)b步驟制得的生長有AlN模板層的Si襯底上蝕刻出多條互相垂直的條狀溝槽，其中溝槽的寬度為10 μ m，溝槽的深度為8 μ m ;在生長有AlN模板層的Si襯底上形成多個(gè)相互獨(dú)立的ImmX Imm矩形平臺(tái)。
[0035]實(shí)施例2
[0036]本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上進(jìn)行改行的，不同之處在于:所用的矩形AlN模板層矩形平臺(tái)的大小為0.5 μ mX0.5 μ m。
[0037]實(shí)施例3
[0038]結(jié)合附圖4-6,利用實(shí)施例1的用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板，制備生長在Si襯底上的GaN薄膜，其由下往上依次包括Si襯底1、AlN模板層2、中間層5和GaN外延層6，其中中間層由下往上依次為AlxGahN緩沖層、AlN/GaN插入層、SiNx插入層、GaN成核層。包括其由如下方法制得:將實(shí)施例1制得的用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板放入置于金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中，依次外延生長AlxGa1J緩沖層、AlN/GaN插入層、SiNx插入層、GaN成核層和GaN外延層，其中AlxGa1J緩沖層、AlN/GaN插入層、SiNx插入層、GaN成核層構(gòu)成中間層。其中，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長GaN成核層，工藝條件為:襯底溫度為1000°C，反應(yīng)室壓力為500Torr、V/III比為1200，生長速度為1.0 μ m/h ;采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長GaN外延層，工藝條件為:襯底溫度升至1050°C，反應(yīng)室壓力為150Torr，V/III為3000，生長速率為3.5 μ m/h。
[0039]制得的生長在Si襯底上的GaN薄膜，由下往上依次包括Si襯底、AlN模板層、中間層和GaN外延層。
[0040]對(duì)制得的Si襯底上的GaN薄膜進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合附圖5~6的本實(shí)施例制備的生長在Si襯底上的GaN薄膜的X射線搖擺曲線圖譜，從X射線搖擺曲線中可以看到，GaN(0002)的X射線回?cái)[曲線的半峰寬(FWHM)值低于380arcsec，GaN(10-12)的半峰寬值為489&代此(:，表明在3丨(111)襯底上外延生長出了高質(zhì)量的GaN薄膜。
[0041]上述實(shí)施方式僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，不能以此來限定本發(fā)明保護(hù)的范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的基礎(chǔ)上所做的任何非實(shí)質(zhì)性的變化及替換均屬于本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍 。
【權(quán)利要求】
1.一種用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板，其特征在于:包括Si襯底以及在Si襯底上的(111)晶面作為晶體取向外延生長的AlN模板層，所述AlN模板層上刻蝕有多條互相垂直的條狀溝槽，形成多個(gè)相互獨(dú)立的矩形平臺(tái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板，其特征在于:所述AlN模板層厚度為10-200nm ;所述矩形平臺(tái)邊長為200-2000 μ m,條狀溝槽寬度≥2 μ m、深度≥3 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板的制備方法，其特征在于依次包括如下步驟: a.將Si襯底進(jìn)行清潔處理； b.以Si襯底的(111)晶面作為晶體取向，采用脈沖激光沉積工藝在Si襯底上生長出一層AlN模板層； c.在經(jīng)b步驟制得的AlN模板層上蝕刻出多條互相垂直的條狀溝槽，在AlN模板層上形成多個(gè)相互獨(dú)立的獨(dú)立矩形平臺(tái)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板的制備方法，其特征在于:所述b步驟中的脈沖激光沉積工藝中，550~650°C，反應(yīng)室壓力為IOmTorr、V / III比為 50 ~100、生長速度為 0.6 ~0.8ml/s。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板的制備方法，其特征在于 :所述b步驟中生長的AlN層厚度為10-200nm;所述c步驟蝕刻后形成的矩形平臺(tái)邊長為200-2000 μ m,所述條狀溝槽寬度≥2 μ m、深度≥3 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于GaN半導(dǎo)體材料外延的矩形圖形化Si襯底AlN模板的制備方法，其特征在于所述a步驟的清潔處理工藝方案具體為:將Si襯底放入丙酮溶液中超聲處理，然后用去離子水清洗；接著在異丙酮溶液中超聲處理；再在氫氟酸溶液中浸泡；然后放入去離子水中浸泡；最后在硫酸和雙氧水的混合溶液中浸泡,再經(jīng)氫氟酸浸泡,然后用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈伞?br> 【文檔編號(hào)】C30B23/04GK104018214SQ201410256347
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】李國強(qiáng) 申請(qǐng)人:廣州市眾拓光電科技有限公司