Iii族氮化物衬底的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及半导体材料领域，尤其涉及III族氮化物衬底。
【背景技术】
[0002]氮化镓(GaN)是宽禁带直接带隙半导体材料，具有优良的光学和电学性质，在蓝绿到紫外波段的光电子器件和高功率微波器件等领域有着广泛的应用前景。可以用来外延生长GaN相关器件的衬底材料有很多种，包括自支撑(free-standing) GaN衬底、蓝宝石、碳化硅等。其中自支撑GaN衬底与外延GaN材料之间不存在晶格失配和热失配，被称为同质外延技术。在其他衬底上外延生长GaN材料存在较大的晶格失配和热失陪，被称为异质外延技术。在同质外延技术中，GaN材料及器件中的缺陷密度能够降低到16Cm 2以下，能够有效提升GaN相关器件的性能指标，是未来重要的发展方向。
[0003]然而，相比于异质外延技术，同质外延技术的发展依然面临一系列的挑战。例如起始GaN衬底的表面形貌和平整度对后续外延GaN材料及器件具有非常重要的影响，是同质外延技术面临的关键挑战之一。
[0004]在异质外延技术中，目前用来外延生长GaN器件的蓝宝石、碳化娃等异质衬底加工一般采用粗研磨、精研磨以及化学机械抛光(CMP)三个步骤来进行。其中，CMP技术将化学抛光与机械抛光的各自优点结合起来，可以快速的去除机械研磨引入的几百纳米甚至几个微米的损伤层，从而获得无损伤层、原子级平整的衬底表面，其表面粗糙度(Ra)通常在0.2nm以下。
[0005]在同质外延技术中，针对GaN自支撑衬底的表面处理一般也遵循蓝宝石、碳化硅等衬底的工艺技术路线，利用粗研磨、精研磨以及化学机械抛光三个步骤来进行表面处理。然而与蓝宝石不同，自支撑GaN衬底的Ga面化学性质稳定，在化学机械抛光处理过程中，其化学抛光效率非常低。有文献报道自支撑GaN衬底Ga面的CMP速率为17nm/h，需要CMP加工150h才能去除机械研磨带来的损伤。参见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，相比于蓝宝石衬底的典型研磨抛光时间2到4小时，对GaN的Ga面抛光时间提高了 30倍以上，大幅增加了自支撑GaN衬底的加工成本。因此，采用与蓝宝石类似的CPM的方法来获得表面原子级平整、无损伤层的自支撑GaN衬底将面临巨大的成本挑战，不利于生产规模的放大。因此，急需发展新型的GaN自支撑衬底表面的处理工艺技术。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型所要解决的技术问题是，提供低成本的III族氮化物衬底。
[0007]为了解决上述问题，本实用新型提供了一种III族氮化物衬底，用于外延生长，所述衬底的III族元素面至少存在一个横截面为V型的沟槽，所述沟槽的深度范围是0.3nm_50nm，宽度范围是 10nm-500nm。
[0008]可选的，所述沟槽的深度范围是0.1nm?8.0nm，且宽度范围是1nm?344nm。
[0009]可选的，所述沟槽的深度范围是0.1nm?16.3nm，且宽度范围是1nm?166nm。
[0010]本实用新型进一步提供了一种III族氮化物衬底，包括支撑衬底和外延层，所述支撑衬底和外延层均为III族氮化物材料，且所述支撑衬底与外延层贴合的表面是其III族氮化物面，所述支撑衬底的III族元素面至少存在一个横截面为V型的沟槽，所述沟槽的深度范围是0.3nm-50nm,宽度范围是10nm-500nmo
[0011 ] 可选的，所述外延层填充至所述沟槽内。
[0012]本实用新型的优点在于，采用更为快速的腐蚀工艺代替了化学机械抛光，只去除晶格损伤而不特别在意是否去除划痕。实际上，由于腐蚀工艺的对表面的去除速度基本相同，因此划痕得以保留。但是，测试结果表明，与现有技术中采用无划痕衬底相比，所获得的外延层质量相同。因此，本实用新型摒弃了外延衬底一定要无划痕的技术偏见，提供了有划痕的衬底用于外延生长，节省了化学机械抛光带来的工艺成本。
【附图说明】
[0013]附图1所示是本实用新型的本【具体实施方式】提供的一种具有划痕的衬底表面的形貌示意图。
[0014]附图2所示是本实用新型的【具体实施方式】的实施步骤示意图。
[0015]附图3所示是是本实用新型的【具体实施方式】中研磨后表面受损情况的测试结果，其中图片(a)是SEM照片，表示划伤情况，图片(b)是阴极荧光(CL)谱，表示的是晶格损伤。
[0016]附图4所示是本实用新型的【具体实施方式】中采用粒径I微米金刚石颗粒研磨后的剖面CL谱。
[0017]附图5所示是本实用新型的【具体实施方式】中研磨并干法刻蚀后表面受损情况的测试结果，其中图片(a)是SEM照片，表示划痕情况，图片(b)是阴极荧光(CL)谱，表示的是仅存在位错露头的黑点(不发光)，无划痕对应的损伤层，说明损伤层已经完全去除。
[0018]附图6所示是本实用新型的【具体实施方式】中研磨并湿法腐蚀后表面受损情况的测试结果，其中图片(a)是SEM照片，表示划痕情况，图片(b)是阴极荧光(CL)谱，表示的是仅存在位错露头的黑点(不发光)，无划痕对应的损伤层，说明损伤层已经完全去除。
[0019]附图7所示是采用现有技术的无划痕衬底和本实用新型的【具体实施方式】中的有划痕衬底采用HVPE工艺进行外延生长后的外延层表面AFM照片对比，其中(a)采用经化学机械抛光后的无划痕衬底，而(b)采用本【具体实施方式】所述的采用粒径I微米金刚石颗粒研磨，并采用干法刻蚀去除晶格损伤层后的衬底。
[0020]附图8所示是本实用新型的【具体实施方式】所用的采用粒径I微米金刚石颗粒研磨，并采用干法刻蚀去除晶格损伤层后的衬底做外延生长后，表面的光学显微镜照片和AFM照片的对比示意图，其中(a)是光学显微镜照片，而(b)是AFM照片。
[0021]附图9所示是本实用新型的【具体实施方式】所制作衬底的XRD的测试结果，其中(a)、(b)是本【具体实施方式】所用的采用粒径I微米金刚石颗粒研磨，并采用干法刻蚀去除晶格损伤层后的衬底做外延生长后的X射线衍射的摇摆曲线，其中(a)图为(0006)面的摇摆曲线，(b)图为(10-12)面的摇摆曲线；(c)、(d)是正常抛光样品进一步外延生长后的X射线衍射的摇摆曲线，其中(c)图为(0006)面的摇摆曲线，⑷图为(10-12)面的摇摆曲线。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本实用新型提供的III族氮化物衬底的【具体实施方式】做详细说明。
[0023]为简便起见，以下【具体实施方式】的叙述中以GaN为例。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族元素表面都呈现出相同的性质，因此都应当视为本实用新型的保护范围。
[0024]首先结合附图给出本实用新型所述用于外延生长的III族氮化物衬底的【具体实施方式】。
[0025]经研究发现，利用粗研磨、精研磨技术对GaN自支撑衬底的Ga面进行加工，或者仅采用粗研磨技术对GaN自支撑衬底进行加工，经过上述加工之后，GaN自支撑衬底的Ga面主要由相互交错的划痕组成。附图1所示是具有这种划痕的衬底表面的形貌示意图，包括衬底10以及表面的多个划痕11，并以局部放大的形式给出的划痕的横截面形貌图。这些划痕的典型特征为:这些划痕在Ga面表面形成纵横交错的线条，各条划痕之间以随机分布且相互交错呈现在Ga面的表面上。在垂直于划痕线条的截面上，划痕呈V型。为了表现出划痕11的特点，本【具体实施方式】的图1对划痕11的尺寸做了放大处理，不视为测量依据。实际的衬底10与划痕11之间的尺寸比例会很小，衬底10的尺寸是5cm左右，而划痕11的宽度范围通常不会大于I微米。
[0026]无划痕是现有技术中对外延衬底的基本要求之一，因此在本领域的常规做法是需要进一步通过化学机械抛光将上述划痕消除。但对于III族金属表面，抛光的难度非常大，需要上百小时才可以将划痕完全消除，以满足后续外延生长的需要。如果不经抛光，后续生长的外延层的缺陷密度极高。
[0027]但经进一步实验发现，实际上影响外延层质量的并非只是划痕，还在于机械研磨对表面晶格的损伤，这个损伤通常深至表面一下数个微米的区域。而化学机械抛光实际上不仅起到了去除划痕的作用，还起到了去除损伤层的作用。而GaN等III族氮化物材料的侧向外延生长能力比较强，通过初期GaN成核生长，后续GaN侧向外延生长，能够在具有一定图形的表面上实现平整的GaN外延材料生长，例如图形蓝宝石衬底(PSS)技术等。因此，化学机械抛光对提高后续外延层质量所做的贡献实际上主要体现在去除受损的晶格。基于这一发现，本【具体实施方式】提供了一种保留研磨带来的划伤的衬底10，III族元素面至少存在一个横截面为V型的沟槽11，所述沟槽11的深度范围是0.3nm-50nm,宽度范围是10nm-500nm。其中0.3nm的深度和1nm的宽度是现有技术中对衬底表面划痕的要求，依照本领域对外延衬底质量的一般认知，如果衬底表面具有超过这个尺寸的划痕，是不能用于外延生长的。而50nm的深度和500nm的高度是再继续做外延生长的工艺步骤中能够侧向覆盖并生长平整的最大尺寸。
[0028]由于衬底10的表面虽然不需要去除划痕，但仍然需要去除受损的晶格，因此还需要采用干法或者湿法腐蚀的方法做腐蚀处理。经过干法腐蚀处理后的衬底10，所述沟槽11的典型深度范围是0.1nm?8.0nm，且宽度范围是1nm?344nm。而经过湿法腐蚀处理后的衬底10，所述沟槽11的典型深度范围是0.1nm?16.3nm，且宽度范围是1nm?166nm。
[0029]该衬底10可以用作后续外延生长的支撑衬底，并在其III族元素面上继续生长外延层，可以是同质