使用化学剥离方法的iii族氮化物基板的制备方法
【专利说明】使用化学剥离方法的m族氮化物基板的制备方法
[0001] 本申请要求2010年11月8日提交的韩国专利申请10-2010-0110517的优先权;本申 请是申请日为2011年11月4日、发明名称为"使用化学剥离方法的虹族氮化物基板的制备方 法"的中国专利申请No. 201180047509.6的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明设及一种虹族氮化物基板的制备方法。更具体地，本发明设及一种使用化 学剥离（chemimal lift off:化0)方法来制备非极性(non-poIar)或半极性（semi-polar) 虹族氮化物基板的方法。
【背景技术】
[0003] L抓作为半导体发光元件受到广泛关注，其利用化合物半导体的特性被应用在背 景光光源、表示光源、普通光源和全彩显示屏等中。作为运种L邸材料，已知的具代表性的材 料有GaN(氮化嫁，Gallium 化tride)、A1N(氮化侣，Aluminum 化tride)、InN(氮化铜Indium Ni hide)等虹-V族氮化物半导体，上述材料因直接具有过渡型的大的能带隙(band gap)， 因此具有适合于光电子装置的特性，例如根据氮化物组成的不同，几乎可W获得全波长区 域的光。因此，利用运种材料的发光元件可W应用于平板显示装置、光通信等多种领域中。
[0004] 运种装置通常在基板上通过分子束外延(M肥）、金属有机化学气相沉积(M0CVD， metalorganic chemical vapor deposition)、氨化物气相夕t'延（HVPE，hydride vapor phase巧itaxy)等生长方式生长为薄膜形态。
[0005] 但是，WGaN为代表的虹族氮化物为基础的半导体通常使用C-面（C-Plane)基板 (例如，蓝宝石基板)在(OOOl)面上制备元件结构，在运种情况下，向生长方向（OOOl)将形成 自发极化（spontaneous polarization)。特别地，具有InGaN/GaN代表性量子阱结构的LED 在(OOOl)面上生长结构的情况下，在量子阱结构中会发生因晶格失配等引起的内部应变 (strain)，由此会产生压电电场(piezoelectric fields)，从而引起量子束缚斯塔克效应 (quantum-confined Stark effect;QCSE)，因此在提高内部量子效率方面存在限制。
[0006] 对运种现象具体说明如下，虹族氮化物，特别是GaN及其合金(例如，InN和/或AlN 的合金)在六角纤锋矿结构化exagonal W化tzite structure)中最为稳定，上述结晶结构 的结晶互相W 120°旋转，对于C-轴表示为均垂直的2或3个均等的基面轴（basal plane 日xes) O
[0007] 根据上述纤锋矿结晶结构内的m族元素及氮原子位置，在与C-轴垂直放置的任意 的面中，只含有一种类型的原子。随着向C-轴进行，每个面只可W含有一种类型的原子（虹 族元素或氮）。此时，为了维持电荷中性，例如，对于GaN结晶，只含有氮原子的N-面(N-^ce) 和只含有Ga原子的Ga-面(Ga-face)将位于各自的末端。其结果，虹族氮化物结晶将随C-轴 表现出极性。运种自发极化作为体积物理性质，依赖于结晶的结构及组成。由于上述特性， 大部分的GaN系装置向平行于极性C-轴的方向生长。此外，在形成异质结结构时，将产生m 族氮化物间的大的晶格常数的差异及由于具有相同C轴取向的特性而引起的应力，也会同 时引起压电极化(piezoelectric polarization)现象。
[0008] 如此地，在m族氮化物类光电子及电子元件内通常的C-面量子阱结构中，由压电 极化和自发极化现象产生的静电场（e 1 eCtroStat i C f i e 1 d)使量子阱结构的能带结构改 变，从而使电子和空穴的分布发生扭曲，将运种由电场导致的电子和空穴的空间分离称为 量子子束缚斯塔克效应，运将降低内部量子效率，并诱发发光光谱的红移现象等。
[0009] 为了缓解上述问题，提出了例如使非极性或半极性m族氮化物生长的方案。由于 按照上述方案得到的非极性或半极性面含有相同个数的m族原子及氮原子，因此表现出电 荷中性，其结果为整体结晶不向生长方向分极。但是，在异种基板上生长的非极性m族氮化 物结晶表现出高缺陷密度，运将导致量子效率降低的问题。
[0010] 此外，最近为了实现均相外延特性，人们在试图制备m族氮化物基板，在蓝宝石基 板等异种基板上使厚膜的虹族氮化物层得到生长后，通过激光剥离（laser lift off;化0) 方法，从异种基板上分离出生长的虹族氮化物层，并用作基板。
[0011] 使用运种激光剥离方式的原因在于，沿C-轴方向生长的通常的氮化物层的表面表 现出Ga-极性，因此实质上难W实现湿式蚀刻。但是，由于激光剥离方式需要昂贵的费用，且 较为复杂，因此更优选化学剥离方式。
[0012] 除此之外，即使能够制备用于非极性或半极性基板的m族氮化物层，也不易用化 学剥离方式将其分离，其原因在于，化学蚀刻过程中，对将被用作基板的虹族氮化物层也会 造成损伤。特别是对适合商用的具有2英寸W上直径的基板进行分离的过程中，运种问题更 加突出。
[0013] 由此，需要一种在利用化学剥离方法的同时，能够缓解极性导致的问题的非极性 或半极性m族氮化物基板，特别是需要一种制备半极性虹族氮化物基板的技术。
【发明内容】
[0014] 要解决的技术问题
[0015] 本发明提供一种高品质的非极性或半极性m族氮化物基板的制备方法，其不仅能 够缓解使用极性氮化物引起的问题，而且可W减少缺陷。
[0016] 特别地，本发明的目的在于，提供一种通过化学剥离方式来制备非极性或半极性 m族氮化物基板的制备方法。
[0017]技术方案
[0018] 作为本发明的一个方面，提供一种虹族氮化物基板的制备方法，其特征在于，其包 括W下步骤:a)在提供非极性或半极性外延生长层生长表面的基板上形成第一 m族氮化物 层;b)通过横向生长（lateral growth)方式，在所述第一虹族氮化物层上形成内部形成有1 或2个W上空穴的第二m族氮化物层；C)在所述第二m族氮化物层上形成第=虹族氮化物 层;及d)对所述第二m族氮化物层的至少一部分厚度实施化学蚀刻，得到分离的第族 氮化物层;且所述空穴(cavity)里面的至少一个区域表现出N-极性。
[0019] 作为本发明的第二方面，提供一种虹族氮化物基板的制备方法，其特征在于，其包 括W下步骤：
[0020] a)实施各向异性蚀刻(anisotropic etching)，W使得在娃(Si)基板上提供非极 性或半极性外延生长层的生长表面;b)在上述蚀刻的娃基板上形成1或2个W上的空穴，并 使虹族氮化物层生长;C)在上述步骤b)中生长的虹族氮化物层上，形成虹族氮化物层;及d) 对上述步骤b)中生长的虹族氮化物层的至少一部分厚度实施化学蚀刻，从而分离上述步骤 C)中形成的m族氮化物层;上述非极性或半极性外延生长层的生长表面具有（111)小平面 (facet)，并且上述空穴里面的至少一个区域表现出N-极性。
[0021] 此外，作为本发明的第=方面，提供一种根据上述两种方法中的任意一种方法制 备的基板及利用该基板制备的电子(或光电子)元件。此时，上述电子元件可W例举出发光 二极管(LED )、激光二极管(LD )、晶体管等。
[0022] 有益效果
[0023] 根据本发明的具体例制备的m族氮化物基板作为非极性或半极性基板，能够缓解 极性氮化物具有的技术限制，特别是具有能够用化学剥离方式制备的优点。
【附图说明】
[0024] 图1(a)是表示GaN结晶结构的非极性面(a-面(a-plane)及m-面(m-plane))的附 图；
[0025] 图1(b)是表示在GaN结晶结构中的半极性面(semi-polar plane)的附图；
[00%]图2是表示在本发明的一个具体例中，在基板上形成第一虹族氮化物层(铸型）的 图。
[0027] 图3是表示在本发明的一个具体例中，在第一 m族氮化物层上形成屏蔽图案(条纹 图案)过程的截面的图；
[0028] 图4是表示在本发明的一个具体例中，通过横向生长(或过生长)方式，在第一虹族 氮化物层上形成再生长的第二m族氮化物层的截面的图；
[0029] 图5是表示在本发明的一个具体例中，在第二虹族氮化物层上形成第=虹族氮化 物层的截面的图；
[0030] 图6是表示在本发明的一个具体例中，对位于下侧的第二m族氮化物层实施化学 蚀刻，从而分离第立虹族氮化物层（用于基板)的过程的截面的概略图；
[0031] 图7是表示根据本发明的一个具体例，在娃基板上形成空穴，并形成非极性或半极 性m族氮化物层，W此为铸型，在上侧形成厚膜的非极性或半极性m族氮化物层的状态的 截面的概略图；
[0032] 图8是表示对根据上述具体例得到的第=虹族氮化物层进行分离，从而应用在LED 元件基板的例子的附图。
[0033] 图9是表示在本发明的实施例1中，横向生长的第二GaN层(样品1)截面的沈M照片；
[0034] 图10是表示在本发明的实施例1中，横向生长的第二GaN层(样品2)截面的SEM照 片；
[0035] 图11是表示在本发明的实施例1中，在第一 GaN层上，在不具有屏蔽图案的情况下， 再生长的第二GaN层(样品3)截面的沈M照片；
[0036] 图12是表示在本发明的实施例1中，横向生长的第二GaN层(样品4)截面的SEM照 片；
[0037] 图13是表示在本发明的实施例1中，在样品2上，通过HV阳形成厚膜的第ミGaN层截 面的沈M照片;及
[0038] 图14(a)~图14(c)是分别表示在本发明的实施例1中，将作为蚀刻液的烙融KOH的 溫度维持在550°C下，实施60秒的化学蚀刻时，根据所述蚀刻时间的第二GaN层变化的SEM照 片。
[0039] 附图标记说明
[0040] 101:基板
[0041] 102:第一虹族氮化物层
[0042] 103:屏蔽用绝缘体层
[0043] 103'：屏蔽图案层<