一种适用于氮化物外延层生长的复合衬底的制作方法

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种适用于氮化物外延层生长的复合衬底。

背景技术：

继上世纪80年代末三位日本科学家相继解决了氮化镓（gan）材料的异质外延生长和p型掺杂难题之后，氮化镓基发光二极管开始呈现快速的发展，且已逐渐取代传统的白光照明而成为当今照明光源的首选。目前商业化应用的氮化镓基发光二极管外延层结构都是在（0001）面的氮化镓极性面上所实现（蓝宝石和硅衬底的晶面结构如图1所示），但在极性面上的极化效应会对氮化镓基发光二极管外延层结构中电子和空穴的辐射复合效率带来诸多负面影响。首先,极化效应导致能带弯曲形成的量子斯塔克效应（qcseeffect），使发光效率降低。其次能带的弯曲加剧了大电流密度下的载流子溢流，从而加剧了在大电流密度下氮化镓基发光二极管的效率下降（efficiencydroop）。为了解决以上问题，科学家们开始着手研究非极性和半极性面的氮化镓生长。

其中，最容易实现的是在氮化镓同质衬底上外延生长非极性和半极性的氮化镓薄膜，美国加州大学圣芭芭拉分校在非极性和半极性面的氮化镓衬底上成功制备出了高发光效率的蓝光、绿光甚至黄光发光二极管，由于较小的极化效应，氮化镓基发光二极管有很小的效率下降（efficiencydroop）和波长蓝移（blueshift）的表现,从而证实了非极性和半极性面上生长的氮化镓基发光二极管外延层结构,在长波长和大电流密度下具有潜在的应用前景。但是目前氮化镓衬底的价格非常昂贵，且尺寸无法做大，无法实现商业化的应用。

若是使用传统的蓝宝石衬底进行非极性和半极性面氮化镓外延层生长，目前技术难以形成类似于（0001）面上的稳定平面生长，而是存在多个晶面的竞争生长，从而难以形成平滑完整的晶体表面，且生长出的氮化镓晶体质量较差（缺陷密度>1x10⁹cm^-2，同时存在大量的堆垛层错）。后续通过进一步的研究发现在有特定晶面暴露的图形化蓝宝石衬底（patternedsubstrate）上的外延生长，可以优先在暴露的特定晶面上成核生长并延伸成长形成分离的子晶体，然后子晶体继续生长并通过界面结合而形成平整的晶体表面。在这一生长模式下，产生于特定晶面的异质界面处的晶体缺陷将会被弯曲并沿着平行于（0001）面的方向延伸，从而达到降低晶体中缺陷密度的目的，且同时消除了大部分的堆垛层错。以（1-102）面蓝宝石图形化衬底上生长（11-22）面半极性氮化镓外延层为例，其晶体生长模式和缺陷延伸模式如图2所示（okadaetal./appliedphysicsexpress2,091001-091001–3(2009).）。产生于特定晶面的异质界面处的晶体缺陷经过弯曲和延伸，在子晶体相互结合的界面形成高缺陷密度区域，而子晶体上的其他区域为低缺陷密度区域，最终的晶体表面由周期性的高、低缺陷密度区域所组成（如图3所示，其高缺陷密度区域的缺陷密度约为10⁹cm^-2，低缺陷密度区域的缺陷密度约为10⁶cm^-2，平均缺陷密度约为10⁸cm^-2）。尽管这一生长方式将晶体的平均缺陷密度降低到10⁸cm^-2的水准，但是仍然无法满足商业化应用所需。仍需要进一步通过晶体生长模式的调控实现更低的缺陷密度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于氮化物外延层生长的复合衬底，为克服上述的不足，通过在第一衬底层上制备周期性的具有特定晶面暴露的图形化结构，以此为基础外延生长出具有周期性高、低缺陷密度区域的第二衬底层，然后通过光刻制程选择性的在高缺陷密度区域上制备出相同周期性的第三衬底层，由于第三衬底层部分或全部覆盖第二衬底层的高缺陷密度区域，从而使用本发明的复合衬底生长氮化物外延层时,可以从复合衬底上的第二衬底层的低缺陷密度区域向上生长,得到高品质的氮化物外延层。

本发明的技术方案：

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于氮化物外延层生长的复合衬底，分别由第一衬底层、第二衬底层和第三衬底层所组成；其中：

所述第一衬底层为非（0001）面的蓝宝石衬底,且所述第一衬底层的表面和蓝宝石（0001）面的夹角大于30^o,所述第一衬底层上具有周期性的图形化结构，所述图形化结构的图形表面暴露有和蓝宝石（0001）面夹角小于15^o的蓝宝石特定晶面；

所述第二衬底层为于所述第一衬底层上生长的氮化物外延层，且所述第二衬底层的表面包括有高缺陷密度区域和低缺陷密度区域，所述高缺陷密度区域的缺陷是由所述特定晶面处晶体生长产生的缺陷以平行于所述特定晶面的方向延伸所得；

所述第三衬底层为于所述第二衬底层上沉积的介质层，且所述第三衬底层是通过光刻制程所形成并具有周期性的排布方式。

其中：所述第三衬底层的周期性排布方式与所述第二衬底层的高、低缺陷密度区域的周期性相对应，且所述第三衬底层完全或部分覆盖所述高缺陷密度区域。

进一步地，所述第一衬底层还可为非（111）面的硅衬底,且所述第一衬底层的表面和硅（111）面的夹角大于30^o,所述第一衬底层上具有周期性的图形化结构，所述图形化结构的图形表面暴露有和硅（111）面夹角小于15^o的硅特定晶面。

其中：所述第一衬底层、第二衬底层和第三衬底层的周期间距相同，且所述周期间距介于1-10um之间。

其中：所述第二衬底层的材质为氮化镓、氮化铝、氮化铟、氮化硼及其合金化合物。

其中：所述第二衬底层的厚度介于1-10um之间。

其中：所述第三衬底层的材质为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

其中：所述第三衬底层的厚度小于20um。

与现有技术相比，本发明提供了一种适用于氮化物外延层生长的复合衬底，具备以下有益效果：通过在第一衬底层上制备周期性的具有特定晶面暴露的图形化结构，以此为基础外延生长出具有周期性高、低缺陷密度区域的第二衬底层，然后通过光刻制程选择性的在高缺陷密度区域上制备出相同周期性的第三衬底层，由于第三衬底层部分或全部覆盖第二衬底层的高缺陷密度区域，从而使用本发明的复合衬底生长氮化物外延层时,可以从复合衬底上的第二衬底层的低缺陷密度区域向上生长,得到高品质的氮化物外延层。

附图说明

图1为本发明中蓝宝石衬底和硅衬底的晶面结构示意图。

图2为（1-102）面蓝宝石的图形化衬底上的（11-22）面氮化镓晶体生长模式和缺陷延伸模式示意图。

图3为（1-102）面蓝宝石的图形化衬底上生长的（11-22）面氮化镓晶体表面sem和cl照片示意图。

图4为本发明复合衬底的制备流程示意图。

图5为本发明复合衬底的结构示意图。

附图标记：

第一衬底层101、周期性图形化结构1011、特定晶面1012、第二衬底层102、高缺陷密度区域1021、低缺陷密度区域1022、第三衬底层103。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，如图5所示，一种适用于氮化物外延层生长的复合衬底，分别由第一衬底层101、第二衬底层102和第三衬底层103所组成；其中：

所述第一衬底层101为非（0001）面的蓝宝石衬底,且所述第一衬底层101的表面和蓝宝石（0001）面的夹角大于30^o,所述第一衬底层101上具有周期性的图形化结构，所述图形化结构的图形表面暴露有和蓝宝石（0001）面夹角小于15^o的蓝宝石特定晶面；

所述第二衬底层102为于所述第一衬底层101上生长的氮化物外延层，且所述第二衬底层102的表面包括有高缺陷密度区域和低缺陷密度区域，所述高缺陷密度区域的缺陷是由所述特定晶面处晶体生长产生的缺陷以平行于所述特定晶面的方向延伸所得；

所述第三衬底层103为于所述第二衬底层上沉积的介质层102，且所述第三衬底层103是通过光刻制程所形成并具有周期性的排布方式。

其中：所述第三衬底层103的周期性排布方式与所述第二衬底层的高、低缺陷密度区域的周期性相对应，且所述第三衬底层103完全或部分覆盖所述高缺陷密度区域。

此外，所述第一衬底层还可为非（111）面的硅衬底,且所述第一衬底层的表面和硅（111）面的夹角大于30^o,所述第一衬底层上具有周期性的图形化结构，所述图形化结构的图形表面暴露有和硅（111）面夹角小于15^o的硅特定晶面。

本实施例中，首先在所述第一衬底层101上通过刻蚀步骤制备出特定晶面1012暴露的周期性图形化结构1011；然后通过金属有机物化学气相沉积方式在所述第一衬底层101上进行氮化物材料的外延生长,制备第二衬底层102，由于氮化物晶体的生长具有晶面选择性，从而在合适的特定晶面1012暴露状况下，氮化物晶体的成核生长将优先在特定晶面1012上进行，在此特定晶面1012上生长的子晶体经过进一步成长延伸，最终实现相互结合以形成平整的外延晶体表面,由于特定晶面1012上晶体生长形成的缺陷会在生长过程中弯曲且沿着平行于特定晶面1012的方向进行延伸，从而在子晶体的相互结合界面存在高缺陷密度区域1021，子晶体的其他区域存在低缺陷密度区域1022，且所述高缺陷密度区域1021和低缺陷密度区域1022呈现周期性的交替排布。进一步的，在此周期性的高缺陷密度区域1021上方沉积具有相同周期性的第三衬底层103，以实现所述高缺陷密度区域1021的全部或部分覆盖，从而可以抑制缺陷的延伸。

具体地，本实施例中优选地提供了一种适用于氮化物外延层生长的复合衬底的制备方法，对本发明进行说明，如图4所示，具体制备流程包括如下步骤：

步骤s1：提供一（1-102）面蓝宝石衬底晶圆片，首先将蓝宝石衬底晶圆片放入清洗机台中使用boe溶液进行酸洗；然后在晶圆片上使用涂胶机涂覆1um厚度的光刻胶，并相继经过曝光和显影制程,形成截面为梯形的条状光刻胶图形，其梯形截面的底面宽度为2um，且所述条状光刻胶图形为周期性排布，其周期间距为4um；随后将晶圆片放入等离子体刻蚀机台，并通入cbr4刻蚀气体以及控制刻蚀时间、刻蚀温度和刻蚀功率进行等离子体刻蚀制程，刻蚀完成后即制备得到第一衬底层101，所述第一衬底层101具有截面呈倒梯形的条状周期性图形1011，且所述周期性图形1011上暴露有特定晶面1012，所述特定晶面1012与蓝宝石衬底（0001）面的夹角为12.4^o；

步骤s2：将晶圆片放入金属有机化合物气相化学沉积机台（mocvd）中，首先控制mocvd的反应腔压力为500torr，温度为550^oc，并通入定量的氮气、氢气、氨气和三甲基镓气体生长缓冲层；然后调整mocvd的反应腔压力为50-600torr，温度为900-1200^oc，五族和三族比（v/iiiratio）为50-5000，外延生长4um厚度的第二衬底层102，所述第二衬底层102具有高缺陷密度区域1021（对应子晶体的结合界面区域）以及低缺陷密度区域1022；

步骤s3：将晶圆片从mocvd机台中取出，放入等离子体增强化学气相沉积机台（pecvd）中，将pecvd腔体温度升至200-300^oc，并控制反应腔压力为3torr，通入sih4/n2和n2o气体进行sio2镀膜，随后分别经历涂胶、曝光、显影、刻蚀、去胶等光刻制程，形成周期性排布的第三衬底层103，所述第三衬底层103的周期间距与第一衬底层101的图形1011间距的周期性相同为4um。

本发明通过在第一衬底层上制备周期性的具有特定晶面暴露的图形化结构，以此为基础外延生长出具有周期性高、低缺陷密度区域的第二衬底层，然后通过光刻制程选择性的在高缺陷密度区域上制备出相同周期性的第三衬底层，由于第三衬底层部分或全部覆盖第二衬底层的高缺陷密度区域，从而使用本发明的复合衬底生长氮化物外延层时,可以从复合衬底上的第二衬底层的低缺陷密度区域向上生长,得到高品质的氮化物外延层。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。