一種在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，利用環(huán)狀圖形掩膜側(cè)向外延實(shí)現(xiàn)氮化鎵(GaN)襯底上同質(zhì)外延生長，該方法能夠獲得比較完美的GaN外延層，可有效降低位錯(cuò)密度，該外延層位錯(cuò)密度可以達(dá)到106/cm2以下；可有效降低GaN基LED的壓電極化效應(yīng)，增加內(nèi)量子復(fù)合效率及外量子發(fā)射效率，綜合出光效率可達(dá)到普通LED的1.5倍以上；可有效降低器件發(fā)熱量，增加器件使用壽命。
【專利說明】一種在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及半導(dǎo)體材料薄膜的外延生長和金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種利用環(huán)狀圖形掩膜側(cè)向外延實(shí)現(xiàn)氮化鎵(GaN)襯底上同質(zhì)外延生長的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]以GaN，InN, AlN以及其三元系和四元系為代表的氮化物半導(dǎo)體材料，其能帶為直接帶隙，帶寬從0.7eV到6.2eV連續(xù)可變。其優(yōu)異的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，高飽和電子遷移率等特性，成為GaN基激光器、發(fā)光二極管等光電子器件的優(yōu)選材料。
[0003]目前廣泛使用的藍(lán)寶石(Sapphire)或者碳化硅(SiC)襯底與氮化鎵(GaN)材料之間的晶格失配和熱應(yīng)力失配較大，異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延生長造成GaN材料及其器件的質(zhì)量下降。采用同質(zhì)襯底結(jié)構(gòu)GaN基LED相較于異質(zhì)結(jié)構(gòu)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):襯底和外延層之間無晶格失配和熱失配，可有效降低器件的缺陷密度，提高器件性能；由于GaN本身可以導(dǎo)電，此時(shí)電極可以置于芯片兩側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)LED;襯底與外延層材料相同，便于解理，對GaN基激光二極管的制備帶來很大便利；襯底折射率與發(fā)光層相同，GaN襯底LED芯片的光輸出效率是傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底LED的1.5倍多；GaN的熱導(dǎo)率較好，大約為藍(lán)寶石的5倍，在大面積大功率器件中有利于解決散熱問題。
[0004]而目前GaN襯底大多采用HVPE技術(shù)得到，由于該方法存在由異質(zhì)外延造成的外延膜翹曲，如圖1所示，不能直接用于MOCVD外延生長。這種翹曲是由HVPE異質(zhì)外延生長造成的，通常的做法是通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)進(jìn)行研磨、拋光，如圖2所示，來得到符合外延生長條件的GaN襯底。這種方法獲得的襯底其表面不是由單一晶面構(gòu)成，而是由許多高指數(shù)晶面構(gòu)成，如圖3所示。
[0005]這和第一代和第二代半導(dǎo)體器件所用的襯底，如S1、GaAs, InP等是很不相同的，第一代和第二代半導(dǎo)體器件都是在相應(yīng)的大塊同質(zhì)體材料襯底上加工得到的，這就造成目前在HVPE法GaN襯底上外延生長的器件并沒有得到預(yù)期的巨大的器件性能的提升，而僅限于在文獻(xiàn)中報(bào)道某些性能或某些指標(biāo)參數(shù)的改進(jìn)。因此需要提出一種新的生長技術(shù)方案來克服這些問題，以獲得較完美的外延層，這對GaN材料和器件的發(fā)展具有很重要的意義和價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，該方法能夠獲得比較完美的GaN外延層。
[0007]本發(fā)明基于在晶體生長過程中，如果生長晶面受到各種非平面因素的調(diào)制影響，生長機(jī)制可能有很大變化，有可能獲得更完美的晶體。
[0008]常規(guī)的側(cè)向外延生長就是基于這個(gè)原理。但常規(guī)的側(cè)向外延通常運(yùn)用在晶面由單一晶面構(gòu)成的襯底上進(jìn)行，其目的在于降低外延層晶體中的位錯(cuò)密度，因此通常采用條形掩膜來實(shí)現(xiàn)。
[0009]本發(fā)明運(yùn)用的GaN襯底，本質(zhì)上與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料的襯底都不同，其表面是由不同晶面指數(shù)的晶面構(gòu)成，晶面指數(shù)從襯底中心向邊緣逐漸升高，又由于這種變化是環(huán)形對稱的，因此本發(fā)明提出了環(huán)狀圖形掩膜側(cè)向外延的方法。
[0010]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0011]一種在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，包括以下步驟:
[0012](I)測量GaN襯底表面曲率半徑；
[0013](2)對GaN襯底進(jìn)行研磨拋光；
[0014](3)在上述襯底上淀積一層二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜；
[0015](4)在步驟(3)得到的襯底表面形成同心掩膜環(huán)；
[0016](5)用步驟(4)所得襯底進(jìn)行外延生長，獲得GaN外延層。
[0017]進(jìn)一步地，步驟(I)中，所述GaN襯底通過化學(xué)氣相沉積(CVD)，金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)，氫化物氣相外延(HVPE)中的一種或幾種外延方法結(jié)合的方法獲得。
[0018]進(jìn)一步地，步驟(I)中，所述GaN襯底的厚度為100-4000 μ m。
[0019]進(jìn)一步地，步驟(I)中，還包括在測量前對所述GaN襯底進(jìn)行清洗。
[0020]進(jìn)一步地，步驟(I)中，通過接觸式或非接觸式曲率測量計(jì)算工具測量GaN襯底表面曲率半徑。
[0021]進(jìn)一步地，步驟(2)中，通過機(jī)械化學(xué)研磨拋光等方法對GaN襯底進(jìn)行研磨拋光，將所述襯底處理到曲率半徑大于8米。
[0022]進(jìn)一步地，步驟(3)中，通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)等方法淀積。
[0023]進(jìn)一步地，步驟(3)中，所述二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜的厚度為100_200nm。
[0024]進(jìn)一步地，步驟(4)中，采用具有環(huán)狀圖形的光刻板在步驟(3)得到的襯底表面形成同心掩膜環(huán)，具有環(huán)狀圖形的光刻板可根據(jù)襯底翹曲的情況的而特別設(shè)計(jì)。襯底曲率較大，則同心圓環(huán)間距較大；襯底曲率較小，則同心圓環(huán)間距較小。
[0025]進(jìn)一步地,步驟(4)中，所述同心掩膜環(huán)中同心圓環(huán)的寬度為1-20 μ m,同心圓環(huán)的間距在1-100 μ m。
[0026]進(jìn)一步地，步驟(5)中，外延生長方法可以為化學(xué)氣相沉積(CVD)，金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)，氫化物氣相外延(HVPE)，分子束外延(MBE)等外延生長方法中的一種，或上述幾種方法的結(jié)合。
[0027]進(jìn)一步地，步驟(5)中，外延生長條件為:以氮?dú)?、氫氣或二者地混和氣為載氣，溫度 500°C -1200°C，壓力在 100-2000Torr。
[0028]本發(fā)明提供的在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，可有效降低位錯(cuò)密度，該外延層位錯(cuò)密度可以達(dá)到1fVcm2以下；可有效降低GaN基LED的壓電極化效應(yīng)，增加內(nèi)量子復(fù)合效率及外量子發(fā)射效率，綜合出光效率可達(dá)到普通LED的1.5倍以上；可有效降低器件發(fā)熱量，增加器件使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中利用HVPE法得到的GaN襯底的示意圖。
[0030]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中對HVPE法GaN襯底進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的示意圖。
[0031]圖3是現(xiàn)有技術(shù)中得到的由不同的指數(shù)晶面構(gòu)成的襯底示意圖。
[0032]圖4是本發(fā)明中沿直徑等/或非等間距分布環(huán)形掩膜側(cè)向外延生長ELOG示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的GaN襯底的同質(zhì)外延方法作進(jìn)一步說明。
[0034]本發(fā)明所述外延生長(包括最初獲得GaN襯底時(shí)的外延生長，也包括做完環(huán)形掩膜之后繼續(xù)進(jìn)行的外延生長)的方法可以為化學(xué)氣相沉積(CVD)，金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)，氫化物氣相外延(HVPE)，分子束外延(MBE)等半導(dǎo)體外延生長方法中的一種，或以上幾種方法的結(jié)合。
[0035]本發(fā)明中同心掩膜環(huán)的寬度=外徑(R#)-內(nèi)徑(R#)，例如圖4中所示的R2-R1^1-20 μ m之間；同心圓環(huán)的間距在1-100 μ m，例如圖4中所示的R3-R2,同心圓環(huán)的間距可根據(jù)襯底翹曲的情況的而變化，襯底曲率較大，則同心圓環(huán)間距較大；襯底曲率較小，則同心圓環(huán)間距較小。
[0036]實(shí)施例一:c面自支撐GaN襯底上的同質(zhì)外延生長
[0037]包括以下步驟:
[0038]I)用HVPE方法生長得到GaN襯底，清洗后，測量其表面的曲率半徑，在本實(shí)施例中的樣品厚度為2000 μ m,曲率半徑為10米。
[0039]2)通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)得到較為平整的GaN襯底，通過PECVD的方法沉積厚度10nm的二氧化硅掩膜層。
[0040]3)采用常規(guī)的半導(dǎo)體光刻工藝形成寬度1_20μπι的同心掩膜環(huán)；同心圓環(huán)的間距在 1-100 μ m。
[0041]4)經(jīng)清洗后，放入MOCVD中進(jìn)行生長，其生長過程在以氮?dú)?、氫氣或二者的混合氣為載氣，外延GaN層溫度900°C -1200°C，壓力在100_500Torr。在本實(shí)施例中，獲得的GaN外延層表面厚度大于4 μ m。該步GaN外延層厚度是由外延層是否能及時(shí)完美合并等因素決定。
[0042]5)將MOCVD生長的5 μ m厚的GaN外延片放入HVPE中，利用HVPE的高速生長方法，可以快速達(dá)到使用自支撐GaN作為基底材料所需的厚度，總厚度在300 μ m以上，本實(shí)施例為300 μ m，該外延層位錯(cuò)密度可以達(dá)到106/cm2。HVPE快速生長溫度范圍在600-1100°C，壓力范圍為25O-7OOTorrtl
[0043]實(shí)施例二:基于實(shí)施例一的發(fā)光二極管(LED)的生長
[0044]采用常規(guī)的半導(dǎo)體光刻工藝，形成寬度Iym的同心掩膜環(huán)，同心圓環(huán)的間距為Ium0經(jīng)清洗后，放入MOCVD中進(jìn)行生長，其生長過程以氮?dú)?、氫氣為載氣，外延GaN層溫度900 0C -1200°C，壓力在100-500Torr，生長表面厚度為5μπι。將MOCVD生長的5μπι厚GaN外延片作為襯底，繼續(xù)通過MOCVD的方法生長發(fā)光二極管(LED)，由于經(jīng)歷了環(huán)狀掩膜的調(diào)制生長，可以得到出光效率提高百分之五十以上的發(fā)光二極管。
[0045]實(shí)施例三:基于實(shí)施例一的發(fā)光二極管(LED)的生長
[0046]采用常規(guī)的半導(dǎo)體光刻工藝，形成寬度Iym的同心掩膜環(huán)，同心圓環(huán)的間距為100 μ m。經(jīng)清洗后，放入MOCVD中進(jìn)行生長，其生長過程以氮?dú)?、氫氣為載氣，外延GaN層溫度900°C -1200°C，壓力在100-500Torr，生長表面厚度為5μπι。將MOCVD生長后的5 μ m厚的GaN外延片作為襯底，繼續(xù)通過MOCVD的方法生長發(fā)光二極管(LED)，由于經(jīng)歷了環(huán)狀掩膜的調(diào)制生長，可以得到出光效率提高百分之五十以上的發(fā)光二極管。
[0047]實(shí)施例四:基于實(shí)施例一的發(fā)光二極管(LED)的生長
[0048]采用常規(guī)的半導(dǎo)體光刻工藝，形成寬度20 μ m的同心掩膜環(huán)，同心圓環(huán)的間距為100 μ m。經(jīng)清洗后，放入MOCVD中進(jìn)行生長，其生長過程以氮?dú)狻錃鉃檩d氣，外延GaN層溫度900°C -1200°C，壓力在100-500Torr，生長表面厚度為5μπι。將MOCVD生長后的5 μ m厚的GaN外延片作為襯底，繼續(xù)通過MOCVD的方法生長發(fā)光二極管(LED)，由于經(jīng)歷了環(huán)狀掩膜的調(diào)制生長，可以得到出光效率提高百分之五十以上的發(fā)光二極管。
[0049]實(shí)施例五:基于實(shí)施例一的發(fā)光二極管(LED)的生長
[0050]采用常規(guī)的半導(dǎo)體光刻工藝，形成寬度20 μ m的同心掩膜環(huán)，同心圓環(huán)的間距為I μ m。經(jīng)清洗后，放入MOCVD中進(jìn)行生長，其生長過程以氮?dú)?、氫氣為載氣，外延GaN層溫度9000C -1200°C，壓力在100-500Torr，生長表面厚度為5μπι。將MOCVD生長后的5 μ m厚的GaN外延片作為襯底，繼續(xù)通過MOCVD的方法生長發(fā)光二極管(LED)，由于經(jīng)歷了環(huán)狀掩膜的調(diào)制生長，可以得到出光效率提高百分之五十以上的發(fā)光二極管。
[0051]實(shí)施例六:基于實(shí)施例一的發(fā)光二極管(LED)的生長
[0052]采用常規(guī)的半導(dǎo)體光刻工藝，形成寬度10 μ m的同心掩膜環(huán)，同心圓環(huán)的間距為30 μ m。經(jīng)清洗后，放入MOCVD中進(jìn)行生長，其生長過程以氮?dú)?、氫氣為載氣，外延GaN層溫度900°C -1200°C，壓力在100-500Torr，生長表面厚度為5μπι。將MOCVD生長后的5 μ m厚的GaN外延片作為襯底，繼續(xù)通過MOCVD的方法生長發(fā)光二極管(LED)，由于經(jīng)歷了環(huán)狀掩膜的調(diào)制生長，可以得到出光效率提高百分之五十以上的發(fā)光二極管。
[0053]實(shí)施例七:基于實(shí)施例一的激光二極管(LD)的生長
[0054]將MOCVD生長后的5 μ m厚的GaN外延片作為襯底，繼續(xù)通過MOCVD的方法生長激光二極管(LD)，由于經(jīng)歷了環(huán)狀掩膜的調(diào)制生長，可以得到使用壽命提高百分之五十以上的激光二極管。
[0055]實(shí)施例八:基于實(shí)施例一的HVPE的二次生長
[0056]將基于實(shí)施例一得到的同質(zhì)外延片作為襯底，再次放入HVPE反應(yīng)室中，利用HVPE的高生長速率，快速生長達(dá)到體材料尺度的GaN厚度，總厚度在Imm以上。本實(shí)施例為1.5mm。HVPE快速生長溫度范圍在600-1100°C，壓力范圍為250_700Torr。
[0057]實(shí)施例九:c面自支撐GaN襯底上的同質(zhì)外延生長
[0058]包括以下步驟:
[0059]I)用CVD方法生長得到GaN襯底，清洗后，測量其表面的曲率半徑，在本實(shí)施例中的樣品厚度為4000 μ m,曲率半徑為10米。
[0060]2)通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)得到較為平整的GaN襯底，通過PECVD的方法沉積厚度150nm的二氧化硅掩膜層。
[0061]3)采用常規(guī)的半導(dǎo)體光刻工藝形成寬度1_20μπι的同心掩膜環(huán)；同心圓環(huán)的間距在 1-100 μ m。
[0062]4)經(jīng)清洗后，放入MOCVD中進(jìn)行生長，獲得GaN外延層，其生長過程在以氮?dú)?、氫氣或二者的混合氣為載氣，外延GaN層溫度900°C -1200°C，壓力在100-500Torr。
[0063]實(shí)施例十:c面自支撐GaN襯底上的同質(zhì)外延生長
[0064]包括以下步驟:
[0065]I)用MOCVD方法生長得到GaN襯底，清洗后，測量其表面的曲率半徑，在本實(shí)施例中的樣品厚度為100 μ m，曲率半徑為10米。
[0066]2)通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)得到較為平整的GaN襯底，通過PECVD的方法沉積厚度200nm的氮化硅掩膜層。
[0067]3)采用常規(guī)的半導(dǎo)體光刻工藝形成寬度1_20μπι的同心掩膜環(huán)；同心圓環(huán)的間距在 1-100 μ m。
[0068]4)經(jīng)清洗后，放入MOCVD中進(jìn)行生長，獲得GaN外延層，其生長過程在以氮?dú)?、氫氣或二者的混合氣為載氣，外延GaN層溫度900°C -1200°C，壓力在100-500Torr。
[0069]以上實(shí)施方式僅用于說明本說明，并非用于限定本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明做出各種修飾和變動(dòng)，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)視權(quán)利要求書范圍限定。
【權(quán)利要求】
1.一種在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，包括以下步驟: (1)測量GaN襯底表面曲率半徑； (2)對GaN襯底進(jìn)行研磨拋光； (3)在上述襯底上淀積一層二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜； (4)在步驟(3)得到的襯底表面形成同心掩膜環(huán)； (5)用步驟(4)所得襯底進(jìn)行外延生長，獲得GaN外延層。
2.如權(quán)利要求1所述的在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，其特征在于，所述GaN襯底的表面是由不同晶面指數(shù)的晶面構(gòu)成，晶面指數(shù)從襯底中心向邊緣逐漸升高，且這種變化是環(huán)形對稱的。
3.如權(quán)利要求1所述的在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，其特征在于，步驟(I)中，所述GaN襯底通過化學(xué)氣相沉積，金屬有機(jī)化合物氣相沉積，氫化物氣相外延中的一種或幾種外延方法結(jié)合的方法獲得；所述GaN襯底的厚度為100-4000 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述的在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，其特征在于，步驟(I)中，還包括在測量前對所述GaN襯底進(jìn)行清洗。
5.如權(quán)利要求1所述的在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，其特征在于，步驟(2)中，通過機(jī)械化學(xué)研磨拋光方法對GaN襯底進(jìn)行研磨拋光，將所述襯底處理到曲率半徑大于8米。
6.如權(quán)利要求1所述的在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，其特征在于，步驟(3)中，所述淀積方法包括等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法；所述二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜的厚度為 100_200nm。
7.如權(quán)利要求1所述的在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，其特征在于，步驟(I)中，通過接觸式或非接觸式曲率測量計(jì)算工具測量GaN襯底表面曲率半徑；步驟(4)中，采用具有環(huán)狀圖形的光刻板在步驟(3)得到的襯底表面形成同心掩膜環(huán)。
8.如權(quán)利要求1所述的在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，其特征在于，步驟(4)中，所述同心掩膜環(huán)中同心圓環(huán)的寬度為1-20 μ m,同心圓環(huán)的間距在1_100 μ m。
9.如權(quán)利要求1所述的在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，其特征在于，步驟(5)中，外延生長方法為化學(xué)氣相沉積，金屬有機(jī)化合物氣相沉積，氫化物氣相外延，分子束外延方法中的一種，或上述幾種方法的結(jié)合。
10.如權(quán)利要求1所述的在GaN襯底上同質(zhì)外延生長的方法，其特征在于，步驟(5)中，外延生長條件為:以氮?dú)?、氫氣或二者的混和氣為載氣，溫度500°C -1200°C，壓力在100-2000Torro
【文檔編號(hào)】H01L21/02GK104347356SQ201410455805
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】楊志堅(jiān), 秦志新, 于彤軍, 吳潔君, 胡曉東, 康香寧, 王新強(qiáng), 許福軍, 沈波, 張國義 申請人:北京大學(xué)