[發明專利]一種在GaN襯底上同質外延生長的方法

有效

• 申請號: 201410455805.5
• 申請日: 2014-09-09
• 公開（公告）號: CN104347356B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 楊志堅;秦志新;于彤軍;吳潔君;胡曉東;康香寧;王新強;許福軍;沈波;張國義
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L21/66;C23C16/44
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙)11200
• 代理人: 余長江

技術領域

本發明屬于半導體光電子技術領域，涉及半導體材料薄膜的外延生長和金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)技術領域，尤其涉及一種利用環狀圖形掩膜側向外延實現氮化鎵(GaN)襯底上同質外延生長的方法。

背景技術

以GaN，InN，AlN以及其三元系和四元系為代表的氮化物半導體材料，其能帶為直接帶隙，帶寬從0.7eV到6.2eV連續可變。其優異的物理、化學穩定性，高飽和電子遷移率等特性，成為GaN基激光器、發光二極管等光電子器件的優選材料。

目前廣泛使用的藍寶石(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力失配較大，異質結構外延生長造成GaN材料及其器件的質量下降。采用同質襯底結構GaN基LED相較于異質結構有以下幾個優點：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本身可以導電，此時電極可以置于芯片兩側，可以實現垂直結構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；襯底折射率與發光層相同，GaN襯底LED芯片的光輸出效率是傳統藍寶石襯底LED的1.5倍多；GaN的熱導率較好，大約為藍寶石的5倍，在大面積大功率器件中有利于解決散熱問題。

而目前GaN襯底大多采用HVPE技術得到，由于該方法存在由異質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異質外延生長造成的，通常的做法是通過化學機械拋光(CMP)進行研磨、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成，而是由許多高指數晶面構成，如圖3所示。

這和第一代和第二代半導體器件所用的襯底，如Si、GaAs、InP等是很不相同的，第一代和第二代半導體器件都是在相應的大塊同質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期的巨大的器件性能的提升，而僅限于在文獻中報道某些性能或某些指標參數的改進。因此需要提出一種新的生長技術方案來克服這些問題，以獲得較完美的外延層，這對GaN材料和器件的發展具有很重要的意義和價值。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種在GaN襯底上同質外延生長的方法，該方法能夠獲得比較完美的GaN外延層。

本發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制影響，生長機制可能有很大變化，有可能獲得更完美的晶體。

常規的側向外延生長就是基于這個原理。但常規的側向外延通常運用在晶面由單一晶面構成的襯底上進行，其目的在于降低外延層晶體中的位錯密度，因此通常采用條形掩膜來實現。

本發明運用的GaN襯底，本質上與傳統的半導體材料的襯底都不同，其表面是由不同晶面指數的晶面構成，晶面指數從襯底中心向邊緣逐漸升高，又由于這種變化是環形對稱的，因此本發明提出了環狀圖形掩膜側向外延的方法。

本發明的目的通過下述技術方案來實現:

一種在GaN襯底上同質外延生長的方法，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；

(5)用步驟(4)所得襯底進行外延生長，獲得GaN外延層。

進一步地，步驟(1)中，所述GaN襯底通過化學氣相沉積(CVD)，金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)，氫化物氣相外延(HVPE)中的一種或幾種外延方法結合的方法獲得。

進一步地，步驟(1)中，所述GaN襯底的厚度為100-4000μm。

進一步地，步驟(1)中，還包括在測量前對所述GaN襯底進行清洗。

進一步地，步驟(1)中，通過接觸式或非接觸式曲率測量計算工具測量GaN襯底表面曲率半徑。

進一步地，步驟(2)中，通過機械化學研磨拋光等方法對GaN襯底進行研磨拋光，將所述襯底處理到曲率半徑大于8米。

進一步地，步驟(3)中，通過等離子增強化學氣相沉積(PECVD)等方法淀積。

進一步地，步驟(3)中，所述二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜的厚度為100-200nm。