专利名称：微柱阵列的制备方法、阵列结构及生长晶体材料的方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件与工艺技术领域，尤其涉及一种微柱阵列的制备方法、阵列结构及生长晶体材料的方法。
背景技术：
以GaN为代表的化合物半导体材料作为直接带隙的宽禁带半导体材料，在蓝、绿、 紫、紫外及白光发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外光探测器和功率电子器件等光电子器件和电子器件以及特殊条件下的半导体器件等领域中有广泛的应用前景，吸引着人们的浓厚兴趣。由于目前对于绝大多数的化合物半导体而言，还不能得到商用高质量大块的衬底材料，因此化合物半导体材料一般采用异质衬底外延生长。但是，由于半导体材料和通常用作衬底的蓝宝石(或者Si)衬底之间有较大的晶格失配，导致外延层产生位错，这种位错会扩展并穿过整个外延层，限制了后续器件性能的提高。为改善半导体材料的质量，现已发展起来多种提高外延材料质量的改进方法，如低温缓冲层技术、插入层技术、侧向外延技术 (ELOG)等。侧向外延技术(ELOG)就是为了减少外延半导体材料的位错密度而发展出来的方法之一。以GaN生长为例，ELOG方法首先在衬底上沉积一层几微米的GaN薄膜，然后刻出所需图形，使GaN露出形成窗口区而进行二次生长。半导体薄膜只在刻出的窗口区生长，而不再掩模区生长。ELOG可以有效的减小材料的位错密度，其原理是利用生长过程中掩模区发生位错阻断以及在窗口去横向合并时发生横向弯曲，从而达到减少纵向生长方向的位错密度的目的。现有技术中的ELOG的缺点在于，虽然采用掩模区遮蔽了一部分的位错，但是保留下来的窗口区仍然有位错，这些位错还会保留在后续的外延层中，使ELOG工艺不能充分发挥其降低位错密度的优势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种微柱阵列的制备方法、阵列结构及生长晶体材料的方法，降低保留下来的窗口区的位错密度，从而使ELOG工艺充分发挥其降低位错密度的优势。为了解决上述问题，本发明提供了一种微柱阵列的制备方法，包括如下步骤提供第一晶体层；将第一晶体层置于选择性腐蚀的环境中，所采用的选择腐蚀工艺优先腐蚀与第一晶体层的表面呈一角度的晶面，所述角度大于0度且小于90度，从而在第一晶体层表面的缺陷处形成凹陷；保持对第一晶体层的表面实施选择性腐蚀，使凹陷扩大，显露出无位错部分，形成由第一晶体层的无位错部分构成的微柱阵列。作为可选的技术方案，所述第一晶体层的材料为III族氮化物，所述选择性腐蚀工艺采用KOH溶液，NaOH溶液，NaOH与K2S2O8的混合溶液，KOH与K2S2O8的混合溶液，Κ0Η、NaOH与Kj2O8的混合溶液，以及HF、H2O2和甲醇的混合液中的一种，并辅以光照。本发明进一步提供了一种微柱阵列结构，包括棱锥阵列层以及棱锥阵列层表面的微柱阵列层，微柱阵列层中的每一个微柱均立于棱锥阵列层的棱锥的顶端。作为可选的技术方案，所述棱锥阵列层以及微柱阵列层的材料相同，均为III族氮化物。本发明进一步提供了一种生长晶体材料的方法，包括如下步骤提供第一晶体层； 将第一晶体层置于选择性腐蚀的环境中，所采用的选择腐蚀工艺优先腐蚀与第一晶体层的表面呈一角度的晶面，所述角度大于O度且小于90度，从而在第一晶体层表面的缺陷处形成凹陷；保持对第一晶体层的表面实施选择性腐蚀，使凹陷扩大并合并，显露出无位错部分，形成由第一晶体层的无位错部分构成的微柱阵列；在微柱阵列的表面采用侧向外延工艺生长第二晶体层。作为可选的技术方案，所述第一晶体层的材料为III族氮化物，所述选择性腐蚀工艺采用KOH溶液，NaOH溶液，NaOH与K2S2O8的混合溶液，KOH与K2S2O8的混合溶液，Κ0Η、 NaOH与Kj2O8的混合溶液，以及HF、H2&和甲醇的混合液中的一种。作为可选的技术方案，在实施选择性腐蚀的同时对第一晶体的表面施加光照。作为可选的技术方案，所述第一晶体层与第二晶体层的材料是相同的。本发明的优点在于，通过选择性腐蚀工艺形成了由无位错区域构成的微柱阵列作为横向外延的窗口区，从而降低保留下来的窗口区的位错密度，从而使ELOG工艺充分发挥其降低位错密度的优势。
附图1是本发明的具体实施方式
所述晶体生长方法的实施步骤示意图。附图2A至附图2D是本发明的具体实施方式
所述晶体生长方法的工艺示意图。附图3是本发明具体实施方式
中步骤S13实施效果的扫描电镜示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明提供的微柱阵列的制备方法、阵列结构及生长晶体材料的方法具体实施方式
做详细说明。附图1所示是本具体实施方式
所述晶体生长方法的实施步骤示意图，包括步骤 S10，提供第一晶体层；步骤S11，将第一晶体层置于选择性腐蚀的环境中；步骤S12，保持对第一晶体层的表面实施选择性腐蚀，形成由第一晶体层的无位错部分构成的微柱阵列；步骤S13，在微柱阵列的表面采用侧向外延工艺生长第二晶体层。附图2A所示，参考步骤S10，提供第一晶体层100。第一晶体层100中具有数个缺陷，此处以111、112和113示意第一晶体层中的缺陷。第一晶体层100可以是自支撑的，也可以是设置在某一支撑衬底上的，本实施方式的附图2A中，第一晶体层100设置在支撑衬底101上。支撑衬底的材料可以是蓝宝石、单晶硅等任意一种常见的衬底材料。所述第一晶体层的材料为III族氮化物，例如GaN、AlN以及InN等，也可以上述材料的二元或者三元化合物，III族氮化物是目前研究的热点材料，尤其如何降低缺陷密度方面，且易于选取合适的选择性腐蚀溶液实施后续的步骤。当然也可以是III族砷化物，例如GaAs或者InAs等，以及其他诸如单晶硅和SiC等任何常见的晶体材料。附图2B所示，参考步骤S11，将第一晶体层100置于选择性腐蚀的环境中。所采用的选择腐蚀工艺优先腐蚀与第一晶体层100的表面呈一角度的晶面，所述角度大于0度且小于90度，从而在第一晶体层100表面的缺陷处形成凹陷。附图2B所示即是第一晶体层100置于选择性腐蚀环境中形成凹陷的最初状态的示意图，其中111、112和113示意第一晶体层100中的三处缺陷，121、122以及123为在缺陷处的表面形成的凹陷。在第一晶体层100的材料为III族氮化物的情况下，所述选择性腐蚀工艺采用KOH 溶液，NaOH溶液，NaOH与Kj2O8的混合溶液，KOH与Kj2O8的混合溶液，KOH、NaOH与Kj2O8 的混合溶液，以及HF、H202和甲醇的混合液中的一种。在采用其他材料作为第一晶体层100 的情况下，应当根据材料的特点选择合适的腐蚀溶液。附图2C所示，参考步骤S12，保持对第一晶体层100的表面实施选择性腐蚀，形成由第一晶体层100的无位错部分构成的微柱131、132和133的阵列。在继续实施选择性腐蚀的情况下，附图2B中的凹陷121、122和123将扩大，从而第一晶体层100的表面显露出无位错的部分。在保持足够的腐蚀时间的情况下，有些临近的凹陷还会产生横向的合并，位错凹陷逐渐将无位错部分包围起来，以至于这些无位错的部分彼此孤立形成微柱131、132、 133和134。微柱131、132、133与134的下方则是由第一晶体层100的倾斜晶面构成的棱锥阵列层140，微柱均分布在棱锥的顶部。微柱的径向尺寸在亚微米范围，例如100 5000nm。 步骤S12的持续时间由腐蚀液的浓度和材料的特点决定。以GaN为例，将GaN膜放于KOH和Kj2O4的混合溶液后并在氙灯照射下，由于位错部分化学不稳定，易于形成V型坑；形成的V型坑具有倾斜的晶面和垂直的晶面；由于GaN 的(0001)表面的表面能小于垂直晶面(10-10)、(11-20)的表面能，而垂直晶面的表面能小于倾斜晶面表面能，并且在垂直光的照射下，倾斜晶面得到的光通量大于倾斜得晶面，而造成腐蚀沿着斜面向下的速率快于沿着垂直晶面侧向腐蚀的速率，而表面腐蚀速率最慢。随着时间的推进，这种深坑相互穿透，而留下的没有被腐蚀的部分就是微柱。由于腐蚀的是位错的部分，因此剩下的为无位错的微柱。由于膜材料本身取向一致，而腐蚀也是按一定晶面进行，因此剩下的微柱取向一致。同时在实施选择性腐蚀的同时对第一晶体100的表面施加光照，由于倾斜晶面得到的光多于垂直表面，故能够提高选择性腐蚀的选择比，有利于步骤S12的实施。附图3所示是采用IM KOH与0. 5M K2S2O8的混合溶液溶液，在150W氙灯照射条件下腐蚀GaN材料的扫描电子显微镜示意图，其中(a) (c)图分别对应腐蚀0. 5、1. 0和4. 0 小时的表面示意图，(g)图为(c)图的侧向形貌。(a)图的右上角是凹坑的微观形貌。从图 3可以明显的看出，在腐蚀0. 5小时的情况下，凹陷已经开始合并，在腐蚀1. 0小时的情况下，合并的凹陷已经占据主导地位，在腐蚀4.0小时的情况下，结合(c)图和(g)图可以明显看出，无位错部分已经形成了孤立的微柱。附图2D所示，参考步骤S13，在微柱131、132、133和134的阵列的表面采用侧向外延工艺生长第二晶体层150。所述侧向外延工艺(ELOG)是本领域内技术人员的公知技术， 此处不再赘述。由于侧向外延工艺是采用无位错的微柱131、132、133和134作为籽晶，因此能够有效降低第二晶体层150的位错密度，理论上来说，第二晶体层150仅在侧向外延合并的位置才有可能产生位错，而由于微柱具有一定的弹性，即使在这一区域产生位错的概率也远低于现有的其他侧向外延技术。并且对于生长厚膜的自支撑晶体材料而言，第二晶体层150的厚度通常在数百微米，微柱阵列层的脆性保证了第二晶体层150很容易从第一晶体层100表面剥离下来。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种微柱阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤提供第一晶体层；将第一晶体层置于选择性腐蚀的环境中，所采用的选择腐蚀工艺优先腐蚀与第一晶体层的表面呈一角度的晶面，所述角度大于0度且小于90度，从而在第一晶体层表面的缺陷处形成凹陷；保持对第一晶体层的表面实施选择性腐蚀，使凹陷扩大，显露出无位错部分，形成由第一晶体层的无位错部分构成的微柱阵列。
2.根据权利要求1所述的微柱阵列的制备方法，其特征在于，所述第一晶体层的材料为III族氮化物，所述选择性腐蚀工艺采用KOH溶液，NaOH溶液，NaOH与K2S2O8的混合溶液， KOH与Kj2O8的混合溶液，KOH、NaOH与Kj2O8的混合溶液，以及HF、H2O2和甲醇的混合液中的一种。
3.根据权利要求1所述的微柱阵列的制备方法，其特征在于，在实施选择性腐蚀的同时对第一晶体的表面施加光照。
4.一种采用权利要求1所述方法获得的微柱阵列结构，其特征在于，包括棱锥阵列层以及棱锥阵列层表面的微柱阵列层，微柱阵列层中的每一个微柱均立于棱锥阵列层的棱锥的顶端。
5.根据权利要求4所述的微柱阵列结构，其特征在于，所述棱锥阵列层以及微柱阵列层的材料相同，均为III族氮化物。
6.一种生长晶体材料的方法，其特征在于，包括如下步骤提供第一晶体层；将第一晶体层置于选择性腐蚀的环境中，所采用的选择腐蚀工艺优先腐蚀与第一晶体层的表面呈一角度的晶面，所述角度大于0度且小于90度，从而在第一晶体层表面的缺陷处形成凹陷；保持对第一晶体层的表面实施选择性腐蚀，使凹陷扩大并合并，显露出无位错部分，形成由第一晶体层的无位错部分构成的微柱阵列；在微柱阵列的表面采用侧向外延工艺生长第二晶体层。
7.根据权利要求6所述的生长晶体材料的方法，其特征在于，所述第一晶体层的材料为III族氮化物，所述选择性腐蚀工艺采用KOH溶液，NaOH溶液，NaOH与K2S2O8的混合溶液， KOH与Kj2O8的混合溶液，KOH、NaOH与Kj2O8的混合溶液，以及HF、H2O2和甲醇的混合液中的一种。
8.根据权利要求6所述的生长晶体材料的方法，其特征在于，在实施选择性腐蚀的同时对第一晶体的表面施加光照。
9.根据权利要求6所述的生长晶体材料的方法，其特征在于，所述第一晶体层与第二晶体层的材料是相同的。
全文摘要
本发明是有关于一种微柱阵列的制备方法、阵列结构及生长晶体材料的方法。所述微柱阵列的制备方法包括如下步骤提供第一晶体层；将第一晶体层置于选择性腐蚀的环境中，所采用的选择腐蚀工艺优先腐蚀与第一晶体层的表面呈一角度的晶面，所述角度大于0度且小于90度，从而在第一晶体层表面的缺陷处形成凹陷；保持对第一晶体层的表面实施选择性腐蚀，使凹陷扩大，显露出无位错部分，形成由第一晶体层的无位错部分构成的微柱阵列。本发明的优点在于，通过选择性腐蚀工艺形成了由无位错区域构成的微柱阵列作为横向外延的窗口区，从而降低保留下来的窗口区的位错密度，从而使ELOG工艺充分发挥其降低位错密度的优势。
文档编号C30B33/10GK102163545SQ201110066668
公开日2011年8月24日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者任国强, 刘建奇, 弓晓晶, 徐科, 王建峰 申请人:苏州纳维科技有限公司