硅衬底上iii族氮化物外延薄膜的选区生长方法及结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电子技术，尤其涉及一种在硅衬底上以碳纳米管作为掩膜的III族氮化物外延薄膜的选区生长方法及结构。
【背景技术】
[0002]III族氮化物是一类极具应用前景的半导体材料，由于III族氮化物单晶衬底难以制备且成本高昂，因此目前氮化物薄膜主要通过异质衬底上的外延技术获得。
[0003]常用的衬底材料包括蓝宝石、氮化硅、硅等。其中，蓝宝石与III族氮化物存在较大的晶格失配和热失配，且其导热和导电性差。就氮化硅而言，其机械性能较差、价格高昂，且尚难以制备大尺寸衬底。与上述两种异质衬底相比，虽然硅与III族氮化物间的晶格失配和热失配较大，但得益于在微电子领域极其成熟的发展与应用，硅的单晶质量非常高，成本低廉，可以制备大尺寸衬底，且可实现光电集成，这都有益于实现III族氮化物的工业化应用，因此在硅衬底上制备III族氮化物的高质量外延薄膜材料成为近年来的研宄热点。
[0004]由于大的晶格失配和热失配，直接在硅衬底上制备III族氮化物外延薄膜，存在高密度的晶体缺陷，且会产生很大的应力，使薄膜产生翘曲和微裂纹，严重影响器件性能和应用；此外，硅与镓会发生合金反应，破坏外延层形貌。因此，在硅衬底上生长III族氮化物外延薄膜时，除了需要成核层外，还需要引入复杂的插入层结构作为预应力层，来缓解巨大的晶格失配和热失配。常用的预应力层有低温A1N、低温SiNx、AlxGahN渐变层、AlGaN/GaN超晶格等，其中AlN和SiNx等低温、非晶结构虽能弛豫应力，但会影响外延层形貌和晶体质量，而AlxGahN渐变层、AlGaN/GaN超晶格等虽能弛豫应力、改善晶体质量，但生长过程较长、结构复杂且难以控制。除此以外，上述各类预应力层的单一效果均有限，一般需要同时采用多种预应力层方案才能获得较高质量的III族氮化物外延薄膜，因而增加了外延结构的复杂程度、生长时间和制备成本，部分抵消了 III族氮化物硅基外延生长的优势，不利于大规模的工业化应用。
[0005]此外，目前也有利用选区生长技术来提高硅衬底上III族氮化物外延薄膜质量的方法。此类技术可分为两种，一种是在硅衬底上通过各种刻蚀手段，制备出具有沟槽结构或纳米柱阵列结构的图形化硅衬底，再进行选区生长；另一种是在硅衬底上以等离子体增强化学气相沉积PECVD等方法沉积二氧化硅或氮化硅绝缘层，然后再通过光刻、纳米压印、电子束曝光等手段刻蚀绝缘层，得到具有掩膜图形的硅衬底，再进行选区生长。然后上述两类方法均具有以下两个缺点，第一，制备工艺复杂，成本较高，不利于大规模的工业化生产；第二，采用了选区生长技术后，仍需要在外延生长时引入一种或几种预应力层，才能获得较高质量的III族氮化物外延薄膜。
【发明内容】
[0006]为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种硅衬底上基于微米/纳米复合尺寸掩膜的III族氮化物外延薄膜的选区生长方法，以碳纳米管阵列作为周期性微米/纳米复合尺寸掩膜，无需AlxGa^xN渐变层、AlGaN/GaN超晶格等各类复杂的预应力层，即可获得高质量III族氮化物外延薄膜，具有工艺简单、成本低廉、环保等优点。
[0007]本发明的一个目的在于提供一种硅衬底上III族氮化物外延薄膜选区生长的掩膜结构。
[0008]本发明的硅衬底上III族氮化物外延薄膜的选区生长结构包括:衬底、碳纳米管掩膜和III族氮化物外延薄膜；在衬底上铺设的碳纳米管掩膜由单层或多层碳纳米管薄膜构成，每一层碳纳米管薄膜为平行排列的碳纳米管阵列，这些碳纳米管相互聚集形成平行排列的捆簇结构，相邻捆簇之间形成微米级生长窗口，捆簇内部多个平行排列的碳纳米管之间形成纳米级生长窗口，从而形成纳米级生长窗口和微米级生长窗口相间排列的微米/纳米复合尺寸掩膜；在碳纳米管掩膜上生长III族氮化物外延薄膜。
[0009]衬底用来生长III族氮化物，采用晶向为〈111〉、〈110〉或〈100〉的硅衬底，或者采用在硅衬底上外延生长了厚度在10?100nm之间的氮化铝AlN成核层的复合衬底。
[0010]制备上述掩膜结构时，首先在碳纳米管阵列的生长衬底上，通过电子束蒸发沉积一层排列整齐、尺寸均匀的纳米级铁粉作为催化剂，再通过低压化学气相沉积LPCVD方法，在低压和高温下以乙炔作为碳源，生长出由准有序的、平行排列的碳纳米管组成的阵列，再将其作为一层碳纳米管薄膜转移至生长III族氮化物的衬底上。碳纳米管掩膜由单层或多层碳纳米管薄膜构成，每一层碳纳米管薄膜为准有序的、平行排列的碳纳米管阵列，其中的碳纳米管可以为单壁或多壁，单根碳纳米管的在10?10nm之间，这些碳纳米管会相互聚集，形成平行排列的捆簇结构。捆簇内部相邻碳纳米管间的距离在10?500nm之间，这对后续的III族氮化物生长而言，形成了纳米级生长窗口 ；每一捆簇的直径在I?10 μπι之间，相邻的捆簇之间的距离在I?20 μπι之间，这对后续的III族氮化物生长而言，形成了微米级生长窗口。由此，纳米级生长窗口和微米级生长窗口会相间排列，套构而成微米/纳米复合尺寸掩膜。
[0011]本发明针对不同的衬底，依据衬底晶向及III族氮化物生长模式的不同选用不同的碳纳米管掩膜结构。碳纳米管掩膜可以包含单层或多层碳纳米管薄膜，铺设层数越多，掩膜中生长窗口的尺寸越小，也即通过控制铺设的碳纳米管薄膜层数，可以改变掩膜的占空比。因此可根据需要精确控制掩膜尺寸，提高外延薄膜的晶体质量。每一层碳纳米管薄膜均为准有序的、平行排列的碳纳米管阵列，而多层碳纳米管薄膜之间则能根据需要相互平行、垂直或交叉成锐角排列，从而用多层碳纳米管薄膜构建出具有矩形、六角形、平行四边形等任意平面几何图形的掩膜结构。
[0012]如上所述，本发明的碳纳米管掩膜结构中，既有捆簇内纳米级生长窗口，也有捆簇间微米级生长窗口。根据已有的研宄，纳米级生长窗口内III族氮化物的成核岛的尺寸被限制在纳米级，因此可在三维方向上充分弛豫应力，降低应变能；同时，既能够在初期的三维岛状生长中提供众多生长小面以利于位错线的弯曲、煙灭，又能够减小失配位错的长度，有利于减少缺陷之间的相互作用，从而获得高质量、低应力的外延薄膜。但纳米级生长窗口内III族氮化物的合拢较慢，而经过微米级生长窗口的生长过程，外延层更易合拢，可在较小厚度内得到表面光亮的外延薄膜。因此，本发明采用微米/纳米复合尺寸掩膜，可兼顾二者优点，在较小厚度内得到表面光亮，且高质量、低应力的III族氮化物外延薄膜。
[0013]进一步，本发明所采用的碳纳米管掩膜除可铺设于衬底或成核层上之外，还可在生长了一定厚度的III族氮化物外延薄膜之后，再次铺设碳纳米管掩膜，然后再继续外延生长。该过程还可依据需要多次重复，将多层碳纳米管掩膜插入III族氮化物外延薄膜中，形成多层的碳纳米管掩膜和多层的III族氮化物外延薄膜相间排列的结构，也即形成外延生长方向(垂直于衬底表面的方向)上的周期性掩膜结构，以进一步提高III族氮化物外延薄膜的晶体质量。
[0014]本发明的另一个目的在于提供一种硅衬底上III族氮化物外延薄膜的选区生长方法。
[0015]本发明的硅衬底上III族