专利名称：在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法。
技术背景
GaN是继第一代以硅为代表的半导体材料和第二代以砷化镓为代表的半导体材料 之后，迅速发展起来的第三代半导体材料。GaN具有直接能带结构，禁带宽度为3. ^V，还具 有热导率高、电子饱和漂移速率大、击穿场强高、介电常数小等特性。因此在蓝、绿光和紫外 光发光二极管(LED)、短波长激光二极管(LD)、紫外探测器和功率电子器件等多个领域都 有广泛的应用前景。
由于GaN体单晶的制备比较困难，难以得到大尺寸和质量比较好的体单晶GaN衬 底，所以GaN的外延生长通常是以异质外延的方式进行的。各种异质衬底和氮化物间存在 很大的晶格常数失配和热膨胀系数差异，因此利用金属有机物化学气相沉积(MOVPE)、氢化 物气相外延(HVPE)、或分子束外延(MBE)等外延技术生长的氮化物外延层中存在很大的应 力和很多晶体缺陷，材料的晶体质量受到很大的影响，因此劣化了器件的性能。而采用图形 化衬底技术可以缓解衬底和氮化物外延层异质外延生长中由于晶格失配引起的应力，避免 裂纹的产生。目前常用的图形衬底通常采用干法刻蚀的工艺技术，工艺成本高，材料表面 损伤大，容易引入杂质污染衬底。并且传统的图形衬底技术并不能完全释放应力，当生长 IOOym以上的厚膜时，其残余的应力依然使样品开裂。同时直接外延生长区和侧向外延生 长区生长的GaN相互影响，不利于GaN厚膜的生长。发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种新型的图形衬底上制备 无应力GaN厚膜的方法。通过只在V形槽长边上生长GaN的方法，制备了厚度超过100 μ m 的无应力、无裂纹GaN厚膜。克服了异质外延GaN厚膜容易开裂的问题，同时也避免了衬底 污染和损伤的问题。
本发明提供一种在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，包括以下步 骤
步骤1 在C面蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅或氮化硅膜；
步骤2 利用常规光刻技术在淀积二氧化硅或氮化硅膜的C面蓝宝石衬底上光刻 出沿着[11-20]方向的条形二氧化硅或氮化硅掩模图形；
步骤3 通过湿法刻蚀，将光刻的条形二氧化硅或氮化硅掩模图形转移到衬底上；
步骤4 腐蚀去掉二氧化硅或氮化硅膜，清洗衬底，得到清洁的蓝宝石图形衬底；
步骤5 直接采用氢化物气相外延系统在所得到的蓝宝石图形衬底上外延生长 GaN厚膜，完成制备。
其中该蓝宝石图形衬底的表面为平台和V形槽状条纹，且周期性相邻，该V形槽的 截面为不等腰三角形，该V形槽为窗口区域，V形槽的两个斜面均为{l-10k}晶面族的不同晶面，其中短边对应的是<1-102>晶面，而长边对应的是<1-104>晶面。
其中二氧化硅或氮化硅膜的厚度为IOnm至5 μ m。
其中条形二氧化硅或氮化硅掩模图形的条纹宽度为1至50 μ m，窗口区域宽度为1 至 50 μ m。
其中湿法刻蚀是采用硫酸和磷酸混合液对光刻后的样品进行刻蚀，刻蚀温度为 100-400 "C。
其中衬底还可以从尖晶石、GaN、AlN、GaAs、Si、SiC、LiA102、LiGa02、Zr&或 HfB2 形 成的族中选择。
其中V形槽的宽度为1至50 μ m，深度为0. 5至20 μ m，两个V形槽之间为0. 5至 50 μ m的平台。
其中两个V形槽之间不存在平台。
其中生长GaN厚膜的温度为600至1400°C。
其中除了选用氢化物气相外延方法外延生长GaN厚膜外，还可以选用液相外延， 金属有机气相外延，封闭空间气相传送的方法外延生长。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其 中
图1是本发明第一实施例中在蓝宝石图形衬底上器件制备的示意图截面示意图2是本发明第二实施例中在蓝宝石图形衬底上器件制备的示意图截面示意图。
具体实施方式
实施例1
请参阅图1所示，本发明一种在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，包 含以下步骤
步骤1、在C面蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅或氮化硅膜(图未示)；其中所述 二氧化硅或氮化硅膜的厚度为IOnm至5 μ m ；本实例采用等离子增强的化学气相淀积技术 在C面蓝宝石衬底上蒸镀厚度为300nm的二氧化硅膜。
步骤2、利用常规光刻技术在淀积二氧化硅或氮化硅的C面蓝宝石衬底上光刻出 沿着[11-20]方向的条形二氧化硅或氮化硅掩模图形；其中条形二氧化硅或氮化硅掩模 图形为沿着[11-20]的方向，该条形二氧化硅或氮化硅掩模图形为条纹状，其宽度为1至 50 μ m;本实例采用标准的光刻工艺在蓝宝石衬底上光刻出沿[11-20]方向的条形二氧化 硅掩膜图形，该光刻工艺包括涂胶、曝光、刻蚀二氧化硅、去胶等标准工艺，刻蚀二氧化硅采 用的是反应离子刻蚀的方法；制备好的二氧化硅掩膜层条纹的宽度为4μπι，窗口区域宽度 为 3 μ m0
步骤3、通过湿法刻蚀，将光刻的条形图形转移到C面蓝宝石衬底上；其中湿法刻 蚀采用硫酸和磷酸混合液对光刻后的样品进行腐蚀，腐蚀温度为100-400°C ；本实例中将带 有二氧化硅条形掩膜图形的衬底放入由体积比为31的浓硫酸和浓磷酸混合而成的腐蚀 液中，在300°C条件下腐蚀20分钟。4
步骤4、腐蚀去掉二氧化硅或氮化硅膜，清洗衬底，得到清洁的蓝宝石图形衬底1， 该蓝宝石图形衬底1平台和V型的槽状条纹周期性相邻，沿蓝宝石[11-20]方向的V形槽 的截面为不等腰三角形，V形槽的两个斜面均为{l-10k}晶面族的不同晶面，其中短边对应 的是<1-102>晶面，而长边对应的是<1-104>晶面；其中V形槽的宽度为1至50 μ m，深度为 0. 5至20 μ m，两个V形槽之间可以存在0. 5至50 μ m的平台，也可以不存在平台而形成锯 齿状的沟槽；本实例将湿法腐蚀后的蓝宝石衬底用去离子水冲洗干净，然后将此衬底放入 由体积比15 1的去离子水和氢氟酸配制而成的溶液中，腐蚀30秒去除二氧化硅膜。最 后取出衬底，用大量去离子水冲洗，从而得到清洁的蓝宝石图形衬底1，图1给出了该蓝宝 石图形衬底1的截面示意图。可以看出蓝宝石图形衬底1上的沟槽呈V型，V形槽在衬底 上规律的周期性排列，每个周期为7 μ m，平台的宽度约为3. 2 μ m，沟槽的宽度约为3. 8 μ m， V形槽深度为2 μ m,并且两个边不对称，其短边对应着<1-102>晶面，长边对应着<1-104> 晶面。
步骤5、直接采用氢化物气相外延系统在所得到的蓝宝石图形衬底1上外延生长 GaN厚膜2。在氢化物气相外延过程中，首先使得GaN最初在蓝宝石图形衬底1的V形槽的 长边上成核，并沿着垂直于V形槽长边的方向生长，也就是沿着垂直于蓝宝石<1-104>晶面 的方向生长，在生长的过程中不断调节V/III、温度等生长参数，使得GaN厚膜2由最初沿着 垂直蓝宝石<1-104>晶面的方向生长逐渐转变为沿着蓝宝石的C轴生长，最终得到表面没 有裂纹的无应力GaN厚膜2 ；其中在制备的含有不对称V形槽的蓝宝石图形衬底1上用氢 化物气相外延的方法外延生长GaN厚膜2，其特征在于，控制生长条件使得GaN最开始沿着 垂直于V形槽长边的方向生长，生长温度为600至1400°C;其中除了选用氢化物气相外延方 法外延生长GaN厚膜2外，还可以选用液相外延，金属有机气相外延，封闭空间气相传送的 方法外延生长；其中选择不同的衬底既可制备极性GaN厚膜2，也可以制备各种非极性和半 极性GaN厚膜2 ；其中GaN厚膜2厚度为1 μ m至20mm ；本实例中采用氢化物气相外延的方 法在制备的蓝宝石图形衬底1上外延生长GaN厚膜2。首先在NH3气氛中退火8分钟，然后 在高温下生长1小时，最后得到100 μ m的GaN厚膜2，最开始的时候GaN既生长在平台处， 也生长在V形槽的长边和短边上。但是GaN沿着垂直于V形槽长边的方向生长最快，所以 在短边上生长的GaN和在平台上生长的GaN都与长边上生长的GaN相融合，并最终沿着垂 直于V形槽长边的方向生长。采用此方法制备的GaN厚膜2由于在最初时沿着垂直于V形 槽长边的方向生长，并且在生长过程中沿不同面生长的GaN逐渐融合，所以GaN厚膜2得到 有效的弛豫，因此可以得到无应力的GaN厚膜2，从而避免了裂纹的产生。
用所得到的蓝宝石图形衬底1上制备的无应力GaN厚膜2可以制备光电子器件、 激光二极管、光检验器或晶体管；在蓝宝石图形衬底1上得到的无翘曲、无应力、无裂纹的 GaN厚膜2可以不经激光剥离直接在GaN厚膜2上淀积所需的LED器件结构层3。
实施例2
请参阅图2，本实施例2与实施例1基本相同，其不同之处为
(1)步骤2中采用标准的光刻工艺在蓝宝石衬底上光刻出沿[11-20]方向的条形 二氧化硅掩膜图形，该光刻工艺包括涂胶、曝光、刻蚀二氧化硅、去胶等标准工艺，制备好的 二氧化硅掩膜层条纹的宽度为2 μ m，窗口区域宽度为5 μ m。
(2)步骤3完成后，得到了与实例1不同的清洁的蓝宝石图形衬底1，可以看出腐蚀后的沟槽呈V型，V形槽在衬底上规律的周期性排列，每个周期为7 μ m。V形槽之间无 平台，蓝宝石图形衬底1呈锯齿状。V形槽深度为3 μ m,并且两个边不对称，其短边对应着 <1-102>晶面，长边对应着<1-104>晶面。
(3)步骤4中采用氢化物气相外延的方法在制备的蓝宝石图形衬底1上外延生长 GaN厚膜2。最开始的时候GaN只在V形槽的长边上生长，短边上并不生长，在相邻V形槽 长边上生长的GaN最后相互结合。采用此方法制备的GaN厚膜2由于成核只是在V形槽的 长边上，并且在生长过程中相邻V形槽长边上生长的GaN相互结合，因此应力释放更完全， 能够得到无应力的GaN厚膜2。
(4)用所得到的蓝宝石图形衬底上制备的无应力GaN厚膜可以制备光电子器件、 激光二极管、光检验器或晶体管；在蓝宝石图形衬底1上得到的无翘曲、无应力、无裂纹的 GaN厚膜2可以不经激光剥离直接在GaN厚膜2上淀积所需的LED器件结构层3。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域 中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明 的保护范围当视权利要求范围所界定的为准。
权利要求
1.一种在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，包括以下步骤步骤1 在C面蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅或氮化硅膜；步骤2 利用常规光刻技术在淀积二氧化硅或氮化硅膜的C面蓝宝石衬底上光刻出沿 着[11-20]方向的条形二氧化硅或氮化硅掩模图形；步骤3 通过湿法刻蚀，将光刻的条形二氧化硅或氮化硅掩模图形转移到衬底上；步骤4 腐蚀去掉二氧化硅或氮化硅膜，清洗衬底，得到清洁的蓝宝石图形衬底；步骤5 直接采用氢化物气相外延系统在所得到的蓝宝石图形衬底上外延生长GaN厚 膜，完成制备。
2.根据权利要求1所述的在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，其中该蓝 宝石图形衬底的表面为平台和V形槽状条纹，且周期性相邻，该V形槽的截面为不等腰三角 形，该V形槽为窗口区域，V形槽的两个斜面均为{l-10k}晶面族的不同晶面，其中短边对 应的是<1-102>晶面，而长边对应的是<1-104>晶面。
3.根据权利要求1所述的在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，其中二氧 化硅或氮化硅膜的厚度为IOnm至5 μ m。
4.根据权利要求1或2所述的在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，其中 条形二氧化硅或氮化硅掩模图形的条纹宽度为1至50 μ m，窗口区域宽度为1至50 μ m。
5.根据权利要求1所述的在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，其中湿法 刻蚀是采用硫酸和磷酸混合液对光刻后的样品进行刻蚀，刻蚀温度为100-400°C。
6.根据权利要求1所述的在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，其中衬底 还可以从尖晶石、GaN, AlN, GaAs, Si、SiC、LiAlO2, LiGaO2, ZrB2或Η 2形成的族中选择。
7.根据权利要求1所述的在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，其中V形 槽的宽度为1至50 μ m，深度为0. 5至20 μ m，两个V形槽之间为0. 5至50 μ m的平台。
8.根据权利要求1所述的在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，其中两个 V形槽之间不存在平台。
9.根据权利要求1所述的在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，其中生长 GaN厚膜的温度为600至1400°C。
10.根据权利要求1所述的在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，其中除了 选用氢化物气相外延方法外延生长GaN厚膜外，还可以选用液相外延，金属有机气相外延， 封闭空间气相传送的方法外延生长。
全文摘要
一种在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，包括以下步骤步骤1在C面蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅或氮化硅膜；步骤2利用常规光刻技术在淀积二氧化硅或氮化硅膜的C面蓝宝石衬底上光刻出沿着[11-20]方向的条形二氧化硅或氮化硅掩模图形；步骤3通过湿法刻蚀，将光刻的条形二氧化硅或氮化硅掩模图形转移到衬底上；步骤4腐蚀去掉二氧化硅或氮化硅膜，清洗衬底，得到清洁的蓝宝石图形衬底；步骤5直接采用氢化物气相外延系统在所得到的蓝宝石图形衬底上外延生长GaN厚膜，完成制备。
文档编号H01L21/311GK102034693SQ20091023533
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者曾一平, 杨建坤, 段瑞飞, 胡强, 霍自强, 魏同波 申请人:中国科学院半导体研究所