CN102214557A - 一种半极性、非极性GaN自支撑衬底的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半极性、非极性GaN自支撑衬底的制备方法。首先在不以（111）晶面为表面的Si衬底上用掩膜覆盖与湿法刻蚀的方法形成沟槽，暴露出Si(111)晶面中的一个或数个；然后用金属有机化学气象沉积法在Si衬底上生长一薄层半极性或非极性GaN，形成籽晶层；再用氢化物气相外延法继续生长GaN层，形成表面平整，高晶体质量的半极性、非极性GaN厚膜；最后将Si衬底剥离，形成半极性、非极性GaN自支撑衬底。该方法极大增加了半极性、非极性GaN自支撑衬底的尺寸，减少愈合处的位错，提高晶体质量，并且不需对GaN进行切割，简化了制备工艺。

Description

一种半极性、非极性GaN自支撑衬底的制备方法

技术领域

本发明涉及GaN基薄膜材料制备技术领域，特别涉及一种半极性、非极性GaN自支撑衬底的制备方法。

背景技术

GaN由于具有宽禁带(3.4eV)、高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为目前半导体技术研究的热点。III族氮化物GaN、AlN(禁带宽度6.2eV)、InN(禁带宽度0.7eV)及其组成的合金In_xAl_yGa_1-x-yN禁带宽度覆盖了从红外到可见光、紫外光的能量范围，因此在光电子领域有着广泛的应用，如大功率白光LED，蓝光激光器，紫外波段的日盲探测器，高频高功率器件等。目前GaN基LED、LD及电子器件已经实现了商品化生产，广泛应用于显示器背光源、照明、信息存储等领域。

由于晶格中心对称性的缺失，GaN晶体材料存在较强的自发极化与压电极化效应。极化电场使得电子与空穴在空间上分离，减少了二者的复合，降低了发光器件的效率，并引起波长的漂移，严重制约着器件性能的提高。对于GaN，极化电场总是沿0001方向(c方向)，而垂直(0001)的方向没有极化电场的分量，因而不受极化效应的影响，与之相对应的晶面就称为非极性面，如a面——

面，m面——

面。与(0001)斜交的方向极化电场比c方向小，对应的晶面就称为半极性面，如面。非极性半极性GaN材料能够减少极化效应的影响，因而可以大大提高LED，LD等发光器件的效率，吸引了大量的研究工作。

目前非极性，半极性GaN还处于研究阶段，器件性能与c面的相比还有较大差距。用于生长非极性GaN的衬底主要有r-LiAlO₂，r面及a面蓝宝石，m面4H-SiC，自支撑GaN衬底等。半极性GaN的衬底主要有(100)面及(110)面的尖晶石，m面的蓝宝石等。其中自支撑GaN衬底由于属于同质外延衬底，没有晶格失配，因而在其上生长的GaN材料位错密度较少，晶体质量最好，器件的性能也最高。目前自支撑GaN衬底主要通过HVPE生长较厚的c面GaN，然后用切割的方法获得非极性面的GaN衬底。该方法由于受到GaN生长厚度的限制因而尺寸很小，只有几毫米大小。目前报道的该方法制备的最大尺寸也仅10×10mm大小。而且GaN比较坚硬，该方法需要对GaN进行切割，与抛光才能获得表面光滑的非极性GaN衬底，工艺较繁琐。

Si作为目前最成熟的半导体材料，具有尺寸大，晶体质量高，价格便宜等诸多优点。如果能够在Si衬底上制备非极性或半极性GaN材料将大大扩大非极性，半极性GaN衬底的面积，克服以上方法的不足。近年来日本名古屋大学的Yoshio Honda等人报道了在有掩膜的图形化Si衬底上生长半极性、非极性GaN薄膜的方法。首先在非(111)面的Si衬底上用湿法刻蚀的方法成沟槽，暴露出(111)面；然后在暴露出的(111)面上用MOCVD生长一层GaN薄膜，形成半极性或非极性GaN。该方法虽然实现了Si衬底上半极性，非极性GaN的生长，但还存在沟槽处愈合困难，愈合处位错密度大以及晶体质量不高等问题。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种表面平整、高晶体质量的大尺寸非极性、半极性GaN自支撑衬底的制备方法。本发明制备工艺简单。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种半极性、非极性GaN自支撑衬底的制备方法，其特征在于：依次进行下列步骤：

步骤1：用掩膜保护与湿法刻蚀的方法在不以(111)晶面为表面的Si衬底上形成沟槽，暴露出Si{111}晶面中的一个或数个；

步骤2：用金属有机化学气象沉积法在Si衬底上依次生长A1N缓冲层、GaN层、应力调控层，形成半极性或非极性GaN生长的籽晶层；

步骤3：用氢化物气相外延法继续生长GaN厚膜，GaN厚膜厚度大于100微米。

步骤4：将Si衬底剥离，形成半极性、非极性GaN自支撑衬底。

上述步骤1中所述不以(111)晶面为表面的Si衬底包括(112)晶面Si衬底、(110)晶面Si衬底、(001)晶面Si衬底、(113)晶面的Si衬底。

上述步骤1中所述的Si{111}晶面包括Si(111)晶面、

晶面、

晶面、

晶面、

晶面、

晶面、

晶面、

晶面。

当Si衬底不为(113)晶面的Si衬底时，步骤1的具体过程为：

步骤1-1：首先在Si衬底上形成条状掩膜；

步骤1-2：然后用碱溶液腐蚀Si衬底，形成沟槽，沟槽的表面至少含有一个Si{111}晶面；

步骤1-3：用掩膜覆盖沟槽内除其中一个Si{111}晶面以外的表面。

上述步骤1中，所述的掩膜为SiO₂或氮化硅。

当Si衬底为(113)晶面的Si衬底时，步骤1的具体过程为：

步骤1-1：首先在Si衬底上形成条状掩膜；

步骤1-2：然后用碱溶液腐蚀Si衬底，形成沟槽，沟槽的表面至少含有一个Si{111}晶面。

当Si衬底为(113)晶面的Si衬底，并且掩膜的宽度小于1微米时，步骤1的具体过程为：

步骤1-1：首先在Si衬底上形成条状掩膜；

步骤1-2：然后用碱溶液腐蚀Si衬底，形成沟槽，沟槽的表面至少含有一个Si{111}晶面；

步骤1-4：腐蚀掉掩膜。

上述步骤4的具体过程为：

步骤4-1：首先用机械打磨的方法减薄Si衬底；

步骤4-2：然后用HF与HNO₃的混合溶液腐蚀掉剩余的Si衬底；

步骤4-3：最后对样品下表面进行研磨抛光，去掉不平整的部分。

上述步骤2中A1N缓冲层生长在Si衬底及沟槽内未被掩膜覆盖的表面上，开始阶段GaN只会在AlN覆盖的Si(111)晶面或其等效晶面上沿<0001>方向生长。当GaN生长到一定厚度后，GaN就会长出沟槽，往纵向与横向生长，通过调节生长条件，可以使各沟槽中的GaN愈合到一起，形成半极性或非极性GaN。

上述步骤2中所述的应力调控层为AlN插入层、GaN层、Al_xGa_1-xN层、In_xGa_1-xN层、氮化硅掩膜层中的任意一种或其组合，其中0＜x＜1。由于GaN与Si衬底间存在晶格失配与热失配，将引起GaN层中存在较大的应力与位错密度。该应力调控层用于缓解GaN厚膜与Si衬底间的应力，并减少位错密度，提高上层GaN的晶体质量。

厚膜GaN利于愈合并能提高晶体质量。步骤3用HVPE(氢化物气相外延法)生长一层GaN厚膜，这样能够促进不同沟槽间GaN的愈合，减少愈合处的位错并能提高整体的晶体质量与表面的平整度。

上述的GaN层、GaN厚膜为半极性GaN或非极性GaN。

本发明的有益效果：

1、本发明在Si衬底上实现半极性、非极性GaN的生长，Si衬底的尺寸可达十几英寸，以致极大增加了半极性、非极性GaN自支撑衬底的尺寸，实现大尺寸衬底的制备。

2、本发明利用氢化物气相外延法生长GaN厚膜，促进了不同沟槽间GaN的愈合，减少愈合处的位错并能提高整体的晶体质量与表面的平整度。

3、本发明增加的应力调控层可以用于缓解GaN厚膜与Si衬底间的应力，并减少位错密度，提高上层GaN的晶体质量。

4、本发明的非极性、半极性GaN自支撑衬底的制备方法不需对GaN进行切割，简化了制备工艺。

该方法获得的半极性、非极性GaN自支撑衬底可用于生长非极性，半极性GaN材料以及LED，LD等光电器件，克服极化效应的影响，在光电领域有着广泛的应用。

附图说明

图1A是本发明实施例1步骤1-1结构示意图；

图1B是本发明实施例1步骤1-2结构示意图；

图1C是本发明实施例1步骤1-3结构示意图；

图2是本发明实施例1经过步骤1-2后Si衬底俯视图的局部示意图；

图3是本发明实施例1步骤2详细过程示意图；

图4为实施例1经过步骤1、2、3后样品结构示意图；

图5为实施例1、2、3、4、5所述的自支撑衬底样品结构示意图

图6为实施例2经过步骤1、2、3后样品结构示意图；

图7为实施例3经过步骤1、2、3后样品结构示意图；

图8为实施例4经过步骤1、2、3后样品结构示意图；

图9为实施例5经过步骤1、2、3后样品结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的说明。

实施例1

本实施例是一种

面GaN非极性自支撑衬底的的制备方法。依次进行下列步骤：

步骤1：用掩膜保护与湿法刻蚀的方法在(112)晶面的Si衬底1a上形成沟槽，暴露出

晶面；

步骤2：用金属有机化学气象沉积法在Si衬底1a上生长AlN缓冲层4、GaN层5、应力调控层6，形成

面非极性GaN生长的籽晶层；

步骤3：用氢化物气相外延法继续生长GaN厚膜7，GaN厚膜7厚度大于100微米。

步骤4：将Si衬底剥离，形成m面GaN自支撑衬底。

本实施例的沟槽的截面为直角三角形。

其中步骤1的具体过程为：

1-1、首先在(112)晶Si衬底1a上用溅射或PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)以及光刻的方法形成沿

方向的SiO₂条状掩膜2，如图1a所示。

1-2、然后用KOH溶液腐蚀Si衬底暴露出Si(111)晶面和

晶面，形成如图1b所示的沟槽。

1-3、将衬底放入溅射腔中，溅射一层SiO₂掩膜3，衬底与溅射方向斜交，这样使得溅射SiO₂掩膜3覆盖住Si(111)晶面，而不溅射到侧壁

晶面上，形成图1c所示的图形衬底。

步骤2的具体过程为：

在经过步骤1处理的衬底上依次生长AlN缓冲层4、GaN层5。由于掩膜的作用，开始阶段AlN、GaN只会在暴露出的面上沿<0001>方向生长，如图3中2-2所示。当GaN生长到一定厚度后，GaN就会长出沟槽，往纵向与横向生长，通过调节生长条件，可以使各沟槽中的GaN愈合到一起，形成

面非极性GaN。然后，生长一层由AlN插入层、GaN层、Al_xGa_1-xN层、In_xGa_1-xN层、氮化硅掩膜层中的一种或其组合形成的应力调控层6，其中0＜x＜1。

再经过步骤3，得到图4所示的结构。

最后经过步骤4，得如图5所示的m面GaN自支撑衬底。

步骤4的具体过程为：首先用机械打磨的方法减薄Si衬底1a，然后用HF与HNO₃的混合溶液腐蚀掉剩余的Si衬底1a，最后对样品下表面进行研磨抛光，去掉不平整的部分。

实施例2

本实施例是

面非极性GaN自支撑衬底的制备方法。如图6所示，方法与实施例1类似，区别仅在于：

1、本实施例所采用的是(110)面的Si衬底1b。

2、本实施例步骤1中条状掩膜2沿

方向。

3、本实施例步骤1刻蚀出的沟槽形状不同，沟槽的截面形状为矩形。

4、本实施例经过步骤1后暴露出的是

晶面或

晶面。

5、由于晶向的不同，GaN层5与GaN厚膜7是

面的非极性GaN，因此得到的是

面的非极性GaN自支撑衬底。

图6为该实施例未剥离Si衬底前样品结构示意图。剥离Si衬底后的自支撑衬底结构如图5所示。

实施例3

本实施例是

面半极性GaN自支撑衬底的制备方法，如图7所示。方法与实施例1类似，其区别仅在于：

1、本实施例所采用的是(001)面的Si衬底1c。

2、本实施例步骤1中刻蚀出的沟槽形状不同，沟槽的截面形状为倒梯形，沟槽较深时，其截面形状为三角形。

3、本实施例经过步骤1后暴露出的是Si(111)晶面或

晶面。

4、由于晶向的不同，GaN层5与GaN厚膜7是

面的半极性GaN，因此得到的是

面的半极性GaN复合衬底。

图7为该实施例未剥离Si衬底前样品结构示意图。剥离Si衬底后的自支撑衬底结构如图5所示。

实施例4

本实施例是

面半极性GaN自支撑衬底的制备方法，如图8所示。方法与实施例1类似，其区别仅在于：

1、本实施例所采用的是(113)面的Si衬底1d。

2、本实施例步骤1中条状掩膜2沿

方向。

3、本实施例刻蚀出的沟槽形状不同，沟槽的截面形状如图7所示。

4、由于GaN在沟槽底部及向下倾斜的侧面很难生长，因此不需要溅射SiO₂掩膜3，即不需要经过步骤1-3。

5、由于没有掩膜3，AlN将在沟槽中的各个面均有沉积，形成AlN缓冲层4。

6、由于晶向的不同，GaN层5与GaN厚膜7是面的半极性GaN，因此得到的是

面的半极性GaN自支撑衬底。

图8为该实施例未剥离Si衬底前样品结构示意图。剥离Si衬底后的自支撑衬底结构如图5所示。

实施例5

本实施例是

面半极性GaN自支撑衬底的制备方法，方法与实施例4类似，如图8所示，其区别仅在于：

1、本实施例的条状掩膜2的宽度很小，小于1微米。

2、由于条状掩膜2的宽度很小，因此可以不进行步骤1-3，而进行步骤1-4：腐蚀掉掩膜2。本实施例用BOE(HF与NH₄F的混合溶液)腐蚀掉掩膜2。

3、由于腐蚀掉了掩膜2，步骤2中AlN将在沟槽内各面及Si衬底表面均有沉积，形成AlN缓冲层4。

图9为该实施例未剥离Si衬底前样品结构示意图。剥离Si衬底后的自支撑衬底结构如图5所示。

Claims (10)

1.一种半极性、非极性GaN自支撑衬底的制备方法，其特征在于：依次进行下列步骤：

步骤1：用掩膜保护与湿法刻蚀的方法在不以(111)晶面为表面的Si衬底上形成沟槽，暴露出Si{111}晶面中的一个或数个；

步骤2：用金属有机化学气象沉积法在Si衬底上依次生长AlN缓冲层(4)、GaN层(5)、应力调控层(6)，形成半极性或非极性GaN生长的籽晶层；

步骤3：用氢化物气相外延法继续生长GaN厚膜(7)，GaN厚膜(7)厚度大于100微米。

步骤4：将Si衬底剥离，形成半极性、非极性GaN自支撑衬底。

2.如权利要求1所述的制备方法，步骤1中，所述的不以(111)晶面为表面的Si衬底包括(112)晶面Si衬底(1a)，(110)晶面Si衬底(1b)，(001)晶面Si衬底(1c)及(113)晶面的Si衬底(1d)。

3.如权利要求1所述的制备方法，步骤1中，所述的Si{111}晶面包括Si(111)晶面、

晶面、

晶面、

晶面、晶面、

晶面、

晶面、

晶面。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：当Si衬底为非(113)晶面的Si衬底时，步骤1的具体过程为：

步骤1-1：首先在Si衬底上形成条状掩膜(2)；

步骤1-2：然后用碱溶液腐蚀Si衬底，形成沟槽，沟槽的表面至少含有一个Si{111}晶面；

步骤1-3：用掩膜(3)覆盖沟槽内除其中一个Si{111}晶面以外的表面。

5.如权利要求4所述的制备方法：步骤1中，所述的掩膜(2)、掩膜(3)为SiO₂或氮化硅。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：当Si衬底为(113)晶面的Si衬底(1d)时，步骤1的具体过程为：

步骤1-1：首先在Si衬底上形成条状掩膜(2)；

步骤1-2：然后用碱溶液腐蚀Si衬底，形成沟槽，沟槽的表面至少含有一个Si{111}晶面。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：当Si衬底为(113)晶面的Si衬底(1d)，并且掩膜(2)的宽度小于1微米时，步骤1的具体过程为：

步骤1-1：首先在Si衬底上形成条状掩膜(2)；

步骤1-2：然后用碱溶液腐蚀Si衬底，形成沟槽，沟槽的表面至少含有一个Si{111}晶面；

步骤1-4：腐蚀掉掩膜(2)。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述的应力调控层(6)为AlN插入层、GaN层、Al_xGa_1-xN层、In_xGa_1-xN层、氮化硅掩膜层中的任意一种或其组合，其中0＜x＜1。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4的具体过程为：

步骤4-1：首先用机械打磨的方法减薄Si衬底；

步骤4-2：然后用HF与HNO₃的混合溶液腐蚀掉剩余的Si衬底；

步骤4-3：最后对样品下表面进行研磨抛光，去掉不平整的部分。

10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的GaN层(5)、GaN厚膜(7)为半极性GaN或非极性GaN。

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