Si衬底上选择性生长GaN基薄膜材料的方法
【专利摘要】本发明公开了一种在Si衬底上选择性生长GaN基薄膜材料的方法，它包括如下步骤：提供Si（111）衬底并在其上沉积SiO2介质膜；将所述SiO2介质膜制成线宽为微米数量级的图形，以使所述衬底被分割成一定尺寸的分立的生长平台；将所述衬底放入MOCVD反应室，以所述线宽为微米数量级的图形为掩膜进行区域选择性生长：采用单层AlN缓冲层生长GaN主层；所述单层AlN缓冲层在1000℃～1300℃条件下生长，厚度为300?～3000?。本发明实现了GaN基薄膜材料在Si衬底分立生长平台上真正分立生长，可充分释放外延层中的应力、有效控制裂纹的传递和增生，大大提升了Si衬底上生长GaN基薄膜材料的窗口，可有效节约GaN基薄膜材料及器件的生产成本，且本发明可广泛应用于各种GaN基薄膜材料的生长。
【专利说明】Si衬底上选择性生长GaN基薄膜材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体光电器件制造【技术领域】，尤其是涉及一种Si衬底上选择性生长GaN基薄膜材料的方法。
【背景技术】
[0002]由于GaN的大尺寸体单晶生长极为困难，GaN基材料通常都是生长在异质衬底上。目前，大规模生长高质量GaN薄膜材料的常用衬底有蓝宝石(c面)衬底、6H-SiC衬底和Si衬底上，其中Si衬底上GaN基材料的外延生长是近年来才发展起来的。Si衬底具有低价格、大尺寸、易剥离、电导率和热导率比较高等优点，且Si材料的加工工艺和集成技术已经相当成熟，使得Si衬底GaN基半导体器件具有易于大规模集成的潜在优势。然而与蓝宝石和SiC相比，在Si衬底上生长GaN更为困难，因为这两者之间的晶格失配和热失配更大，将导致GaN薄膜出现龟裂、位错密度较高，获得高质量的GaN基薄膜非常困难。
[0003]目前，业界已有多家单位解决了Si衬底外延生长高质量GaN基薄膜的难题，并推出了与其它衬底水平相当的Si衬底GaN基LED产品，如南昌大学、晶能光电、日本东芝、韩国三星、德国欧司朗等，其中我国南昌大学率先突破了上述技术难题，其采用的技术方案的核心为:利用Si衬底表面刻槽技术或介质掩膜技术，将整个Si衬底分割成多个分立的生长平台，把GaN外延层限制在生长平台中，从而释放整个外延层中的张应力；另外还通过生长多层缓冲层减少位错、进一步释放应力，从而可获得高质量无龟裂的Si衬底GaN基薄膜。上述技术方案是我国独创的，以此方案得到的Si衬底LED产品与日本东芝、韩国三星以及德国欧司朗的Si衬底LED产品水平相当。
[0004]尽管如此，根据目前技术方案所获得的GaN外延层中仍有较大的残余应力。这是由于按照目前的技术方案，虽然整个Si衬底被沟槽或介质膜分割成多个分立的生长平台，但在生长过程中沟槽或介质膜上仍有少量材料成核、生长，导致在生长过程中各个生长平台上的外延层并不是完全独立的，如图1所示，以现有技术获得的Si衬底上GaN基薄膜材料，其各生长平台之间仍有少量GaN材料成核、生长，使得各个生长平台上的GaN基薄膜被连在了一起，从而不能充分释放外延层中的应力。
[0005]如果能够有一种方法可使GaN基薄膜材料在Si衬底的分立生长平台上真正分立生长，则无需生长厚厚的缓冲层，这不仅可有效节约GaN基薄膜材料的生长时间和成本，而且在后续芯片制造过程中更无需进行十分复杂和昂贵的外延层减薄等工序，从而减低了芯片的制造成本，并且有利于良率的提闻。
[0006]
【发明内容】
:
本发明的目的在于提供一种在Si衬底上选择性生长GaN基薄膜材料的方法，此方法实现了 GaN基薄膜材料在Si衬底分立生长平台上真正分立生长，从而可充分释放外延层中的应力且可有效控制裂纹的传递和增生。另外，此方法简单易行，不需要通入腐蚀性气体，不需改变GaN的生长条件，可广泛应用于各种GaN基薄膜材料的生长。
[0007]本发明的目的是这样实现的: 一种在Si衬底上选择性生长GaN基薄膜材料的方法，特征是:包括以下步骤:
A、提供Si(111)衬底；
B、在所述Si(111)衬底上沉积S12介质膜；
C、将S12介质膜制成线宽为微米数量级的图形，以使所述Si(111)衬底被分割成一定尺寸的分立的生长平台；
D、将步骤C图形化后的所述Si(111)衬底放入MOCVD反应室，以所述线宽为微米数量级的图形为掩膜进行区域选择性生长:采用单层AlN缓冲层生长GaN主层；所述单层AlN缓冲层在1000°C?1300°C条件下生长，厚度为300人?3000 A ；
优选的，步骤B中所述S12介质膜的厚度为500人?10000人。
[0008]优选的，步骤C中所述S12介质膜图形的线宽为3 μπι?50μπι。
[0009]优选的，步骤D中所述分立生长平台为矩形，其尺寸范围为50Mm?5000Mm。
[0010]本发明之所以能够实现所述GaN基薄膜材料在Si衬底分立生长平台上真正分立生长，是因为在步骤D中生长所述单层AlN缓冲层时，S12介质膜将和沉积在S12介质膜上的AlN缓冲层反应形成类似塞隆(SiAlON)的一种陶瓷材料，而上述陶瓷材料和GaN的键能具有巨大的差异，使得GaN材料不能在上述陶瓷材料上形核、生长，也就是说GaN材料只能在所述分立的生长平台形核、生长，从而实现了本发明的目的。
[0011]本发明具有如下优点:
1、只需生长厚度为300人?3000人的单层AlN缓冲层(目前技术通常需要生长厚度为1.5um以上多层缓冲层)，即可获得高质量的GaN基薄膜材料，在大规模生产中可大大节约生长时间和成本；
2、由于无需生长厚的缓冲层，在后续的芯片制造过程中则避免了减薄外延层，这样就减少了工序、提闻了良率、节约了成本；
3、本发明实现了GaN基薄膜材料在Si (111)衬底分立生长平台上真正分立生长，从而也终止了裂纹在各生长平台之间的传递和增生；
4、由于各生长平台上GaN基薄膜材料相互独立，后续芯片制造过程中的划片工序将非常简单易行，非常有利于芯片良率的提升；
5、本发明简单易行，不需要通入腐蚀性气体，不需改变GaN的生长条件，可广泛应用于各种GaN薄膜材料的生长。
[0012]【专利附图】
【附图说明】:
图1为以现有技术获得的Si衬底上GaN基薄膜材料的表面形貌图(SEM测得)；
图2为实施例1中步骤A的结构示意图；
图3为实施例1中步骤B的结构示意图；
图4为实施例1中步骤C的结构示意图；
图5为实施例1中步骤D的结构示意图；
图6为实施例1中步骤D的结构示意图；
7为本发明实施例1获得的Si衬底上GaN基薄膜材料的表面形貌图(SEM测得)。
[0013]【具体实施方式】:
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。需说明的是，本发明的附图均采用非常简化的非精准比例，仅用以方便、明晰的辅助说明本发明。
[0014]实施例1:
一种在Si衬底上选择性生长GaN基薄膜材料的方法，包括以下步骤:
A、提供Si(111)衬底100，如图2所示;
B、在所述Si(111)衬底100上沉积S12介质膜200，如图3所示；所述S12介质膜200的厚度为2000 A
C、采用光刻技术将S12介质膜200制成线宽为15μ m的矩形框300，如图4所示，所述矩形的尺寸为1000 μ m*1000 μπι，从而所述Si(Ill)衬底100分割成尺寸为1000 μ m*1000μm的分立的生长平台；
D、将步骤C图形化后的所述Si(Ill)衬底100放入MOCVD反应室，以所述线宽为15μπι的矩形框300为掩膜进行区域选择性生长，包括:首先在1100°C条件下生长厚度为1200 A的单层AlN缓冲层400，然后生长GaN主层500 ;所述单层AlN缓冲层400和GaN主层500之间没有其它缓冲层；图5为完成所述步骤D后所获得的外延层的结构剖视图，图7为所述外延层的俯视图。
[0015]从图3中可以清晰的看到，各生长平台上的GaN基薄膜各自分立，所述矩形框300的上方表面光滑，没有GaN材料生长。所述图3由SEM测得。
[0016]本发明能使GaN基薄膜材料可在Si衬底的分立生长平台上真正分立生长。
【权利要求】
1.一种在Si衬底上选择性生长GaN基薄膜材料的方法，其特征在于包括以下步骤: A、提供Si(111)衬底； B、在所述Si(111)衬底上沉积S12介质膜； C、将S12介质膜制成线宽为微米数量级的图形，以使所述Si(111)衬底被分割成一定尺寸的分立的生长平台； D、将步骤C图形化后的所述Si(111)衬底放入MOCVD反应室，以所述线宽为微米数量级的图形为掩膜进行区域选择性生长:采用单层AlN缓冲层生长GaN主层；所述单层AlN缓冲层在1000°C?1300°C条件下生长，厚度为300人?3000人。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤B中所述S12介质膜的厚度为500人?10000 Ao
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤C中所述S12介质膜图形的线宽为3 μ m ?50 μ m0
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤D中所述分立生长平台为矩形，其尺寸范围为50μιη?5000μιη。
【文档编号】H01L21/02GK104362080SQ201410491866
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】刘军林, 江风益, 汤英文, 王光绪, 陶喜霞 申请人:南昌大学, 南昌黄绿照明有限公司