一种带空腔的iii-v族氮化物复合衬底的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子器件的制备领域，具体涉及一种带空腔的II1-V族氮化物复合衬底的制备方法。
【背景技术】
[0002]III族氮化物半导体以其寿命长、节能、环保、色彩丰富、安全及稳定等优点，逐渐发展成为新一代照明光源。目前，为提高LED内部光线的出射效率，图形化蓝宝石衬底已批量生产并被广泛作为LED生长的衬底。然而，由于异质外延的限制，晶格失配与热失配使得高质量的II1-V族氮化物制备非常困难。异质外延制备II1-V族氮化物薄膜的生长过程中应力不断积累，致使外延片弯曲甚至开裂。目前常采用的缓解应力的方法有:插入弱连接层法、侧向外延法以及双面生长法。然而，上述方法缓解应力效果有限，导致器件性能下降或者外延片翘曲严重甚至引起开裂。因此，迫切需要一种能够大幅度释放应力的GaN复合衬底制备方法。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种带空腔的II1-V族氮化物复合衬底的制备方法，空腔的尺寸由光刻模板的尺寸及刻蚀的深度决定，使得本发明制备的空腔尺寸具有可控性，可根据不同的需要设计出空腔结构，进而制备理想的带空腔结构的、用于氮化物生长的复合衬底。
[0004]本发明的目的在于提出一种带空腔的II1-V族氮化物复合衬底的制备方法。
[0005]本发明的带空腔的II1-V族氮化物复合衬底的制备方法，包括以下步骤:
[0006]I)在衬底上首先预生长一层II1-V族氮化物，形成II1-V族氮化物薄膜层，然后沉积一层掩膜层；
[0007]2)利用第一光刻模板，采用光刻工艺，在掩膜层上形成图形化结构；
[0008]3)刻蚀掩膜层开口区域的II1-V族氮化物至衬底的表面，在II1-V族氮化物薄膜层中形成沟道，沟道的尺寸由掩膜层上的图形大小和刻蚀时间决定，形成的沟道需导通至II1-V族氮化物薄膜层的边缘；
[0009]4)采用填充介质填充II1-V族氮化物薄膜层中的沟道；
[0010]5)利用第二光刻模板，采用光刻结合化学腐蚀或光刻结合聚焦离子束刻蚀的方法，或者，直接采用化学腐蚀或者剥离工艺，去除保留下的II1-V族氮化物的表面上沉积的填充介质；
[0011]6)采用侧向外延生长技术生长II1-V族氮化物厚膜层，覆盖以填充介质填充沟道的II1-V族氮化物薄膜层的整个表面；
[0012]7)采用腐蚀溶液去除填充在II1-V族氮化物薄膜层的沟道中的填充介质，原来被填充介质占据的位置成为空腔，形成带有空腔的复合衬底。
[0013]其中，在步骤I)中，衬底为采用能够实现II1-V族氮化物生长的材料，采用蓝宝石衬底、碳化硅SiC衬底、氮化镓GaN衬底、硅Si衬底、铝酸锂LiAlO2衬底、和氧化锌ZnO衬底中的一种。生长II1-V族氮化物薄膜层采用分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、金属有机化学气相沉积法(Metal-organic Chemical Vapor Deposit1n，M0CVD)、氢化物气相外延法(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)以及液相外延(Liquid Phase Epitaxy,LPE)中的一种，生长厚度在3?15μπι之间的II1-V族氮化物薄膜层。
[0014]采用MOCVD生长II1-V族氮化物薄膜层的方法，主要分两步:首先低温II1-V族氮化物缓冲层的生长，温度在500?600°C之间，压力在100?400Torr之间，厚度在50?300nm之间；随后再高温生长II1-V族氮化物外延层，温度范围在900?1050 °C、压强在300?600Torr之间，厚度在2?8μπι之间，II1-V族氮化物薄膜层的厚度由衬底晶向、生长条件、目标參数等综合决定。
[0015]然后沉积一层掩膜层，材料采用Si02、SiNx或金属。S12或SiNx的厚度在200?1500nm之间。沉积的方法采用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposit1n，PECVD)或原子层沉积(Atomic Layer Deposit1n，ALD)。米用PECVD沉积S12的方法:沉积温度在80?200°C之间，压强在50?10Pa之间，设备运行功率在80?120W之间，以SiH4作为Si源，N2O作为O源，沉积过程中流量分别控制在30?80sccm、100?150sCCm间。当选用金属作为掩膜层，金属采用电子束蒸发法、磁控溅射和热蒸发中的一种方法制备，具体厚度由所需要的空腔的尺寸、采用的金属材料的性质以及后续工艺决定，运用镍作为掩膜层的情况下，形成掩膜层需要的厚度在5nm?10nm之间。
[0016]在步骤2)中，光刻法制备图形化结构主要分两步进行:首先旋涂一层光刻胶并进行前烘，胶厚在2?5μπι之间;然后利用第一光刻模板进行曝光、后烘、显影和坚膜，将第一光刻模板的图形转移到光刻胶，在掩膜层上形成图形化结构。图形化结构可以为柱状或者条状。
[0017]在步骤3)中，采用化学腐蚀或者聚焦离子束去除掩膜层上开口区域的II1-V族氮化物薄膜层至衬底的表面，在II1-V族氮化物薄膜层中形成沟道和保留下的II1-V族氮化物。以聚焦离子束刻蚀法刻蚀II1-V族氮化物的制备方法包括:刻蚀温度为室温，压强在I?5Pa之间，刻蚀功率在80?120W之间，C12、BC13和N2O的流量均控制在20?50sccm之间，刻蚀时间视需刻蚀的II1-V族氮化物的厚度决定。保留下的II1-V族氮化物的形状为柱状或者条状。
[0018]在步骤4)中，采用S12或SiNx作为填充介质填充II1-V族氮化物薄膜层之间的沟道，沉积填充介质的厚度以填平沟道形成平面为准。沉积的方法采用等离子体增强化学气相沉积法PECVD或原子层沉积ALD等方法。采用PECVD沉积SiNx的方法包括:沉积温度在80?200°C之间，压强在90?150Pa之间，设备运行功率在80?120W之间，以SiH4作为Si源，NH3作为N源，沉积过程中流量分别控制在80?150sccm和400?700sccm之间。
[0019]在步骤5)中，采用光刻结合化学腐蚀或光刻结合聚焦离子束刻蚀的方法去除保留下的II1-V族氮化物上的填充介质包括:a)旋涂一层光刻胶并进行前烘;b)利用第二光刻模板，曝光、后烘、显影和坚膜，将第二光刻模板的图形转移到光刻胶，第二光刻模板与第一光刻模板为形状互补的图形，在需要保留的II1-V族氮化物上方形成开口区域;c)用化学腐蚀的方法或聚焦离子束刻蚀的方法将II1-V族氮化物的表面上的填充介质去掉。当步骤I)中沉积的掩膜层为金属时，可通过化学腐蚀法，采用盐酸或硝酸等能与蒸镀的金属反应的溶液腐蚀残留的金属，并同时带离金属上沉积的填充介质。
[0020]在步骤6)中，形成II1-V族氮化物厚膜层采用氢化物气相外延(Hydride VaporPhase Epitaxy，HVPE)、分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、金属有机化学气相沉积法(Metal-organic Chemical Vapor Deposit1n，M0CVD)以及液相外延(Liquid PhaseEpitaxy, LPE)中的一种或者两种以上生长方法的组合。
[0021]在步骤7)中，将生长了II1-V族氮化物厚膜层的衬底浸泡在腐蚀溶液中，去除在II1-V族氮化物薄膜层的沟道中的填充介质，使得在原来被填充介质占据的位置留下空腔，形成带空腔的II1-V族氮化物复合衬底。II1-V族氮化物薄膜层与II1-V族氮化物厚膜层的材料可以相同，也可以不同。空腔的尺寸与沟道的尺寸相同，因此空腔的水平尺寸与第一光刻模板的图形一致，空腔的深度由II1-V族氮化物薄膜层刻蚀的厚度决定。
[0022]本发明的优点:
[0023]本发明在衬底上预生长II1-V族氮化物薄膜层，采用刻蚀的方法形成沟道，再以填充介质填充，然后生长II1-V族氮化物厚膜层覆盖整个表面，最后采用腐蚀溶液去除填充介质，从而在原来被填充介质占据的位置留下空腔，形成带空腔的II1-V族氮化物复合衬底；空腔的尺寸由光刻模板的图形尺寸及刻蚀深度决定，使得本发明制备的空腔尺寸具有可控性，以实现根据不同的需要设计出空腔结构的目的；空腔在后续生长过程中充当应力释放层，同时由于在填充介质上不沉积II1-V族氮化物，晶体在生长过程中需跨过填充介质通过侧向外延而合并，这一侧向外延的方法有利于诱导位错线弯曲而煙灭位错，因此，这种规则可控空腔的设计不仅助于释放应力，同时也极大的降低了晶体的位错密度，可以作为衬底用于生长低应力、低缺陷密度的高质量II1-V族氮化物材料。
【附图说明】
[0024]图1(a)?(h)为本发明的带空腔的II1-V族氮化物复合衬底的制备方法的流程图；
[0025]图2为根据本发明的带空腔的II1-V族氮化物复合衬底的制备方法保留下的II1-V族氮化物的俯视图，其中，(a)为柱状，(b)为条状。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
[0027]实施例一:如图1所示，本实施例中，带空腔的GaN复合衬底的制备方法包括:
[0028]I)在蓝宝石衬底I上首先预生长一层GaN薄膜层2，然后沉积一层S12作为掩膜层3，如图1(a)所示:
[0029]采用MOCVD生长GaN薄膜层，主要分两步:首先低温生长GaN缓冲层，温度为550°C，压力为300Torr，厚度为200nm；随后再高温生长GaN外延层，温度为1050 °C、压强为500Torr，厚度为5μηι;
[0030]在上述复合衬底上采用PECVD沉积一层S12作为掩膜层:沉积温度在80?200°C之间，压强在50?10Pa之间，设备运行功率在80?120W之间，以SiH4作为Si源，N2O作为O源，沉积过程中流量分别控制在30?80sccm、100?150sccm间，沉积厚度为400nmo
[0031]2)利用第一光刻模板，采用光刻，在掩膜层上形成图形化结构:
[0032]光刻法制备图形化结构主要分两步进行:首先旋涂一层光刻胶4，厚度为4μπι并进行前烘，如图1(b)所示;然后利用第一光刻模板进行曝光并经过后烘、显影和坚膜，将第一光刻模板的图形转移到光刻胶，在掩膜层上形成图形化结构，如图1(C)所示。图形化结构为条状或柱状。
[0033]3)化学腐蚀法腐蚀掩膜层上开口区域的GaN薄膜