[发明专利]在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法。

背景技术

GaN是继第一代以硅为代表的半导体材料和第二代以砷化镓为代表的半导体材料之后，迅速发展起来的第三代半导体材料。GaN具有直接能带结构，禁带宽度为3.4eV，还具有热导率高、电子饱和漂移速率大、击穿场强高、介电常数小等特性。因此在蓝、绿光和紫外光发光二极管(LED)、短波长激光二极管(LD)、紫外探测器和功率电子器件等多个领域都有广泛的应用前景。

由于GaN体单晶的制备比较困难，难以得到大尺寸和质量比较好的体单晶GaN衬底，所以GaN的外延生长通常是以异质外延的方式进行的。各种异质衬底和氮化物间存在很大的晶格常数失配和热膨胀系数差异，因此利用金属有机物化学气相沉积(MOVPE)、氢化物气相外延(HVPE)、或分子束外延(MBE)等外延技术生长的氮化物外延层中存在很大的应力和很多晶体缺陷，材料的晶体质量受到很大的影响，因此劣化了器件的性能。而采用图形化衬底技术可以缓解衬底和氮化物外延层异质外延生长中由于晶格失配引起的应力，避免裂纹的产生。目前常用的图形衬底通常采用干法刻蚀的工艺技术，工艺成本高，材料表面损伤大，容易引入杂质污染衬底。并且传统的图形衬底技术并不能完全释放应力，当生长100μm以上的厚膜时，其残余的应力依然使样品开裂。同时直接外延生长区和侧向外延生长区生长的GaN相互影响，不利于GaN厚膜的生长。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种新型的图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法。通过只在V形槽长边上生长GaN的方法，制备了厚度超过100μm的无应力、无裂纹GaN厚膜。克服了异质外延GaN厚膜容易开裂的问题，同时也避免了衬底污染和损伤的问题。

本发明提供一种在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，包括以下步骤：

步骤1：在C面蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅或氮化硅膜；

步骤2：利用常规光刻技术在淀积二氧化硅或氮化硅膜的C面蓝宝石衬底上光刻出沿着[11-20]方向的条形二氧化硅或氮化硅掩模图形；

步骤3：通过湿法刻蚀，将光刻的条形二氧化硅或氮化硅掩模图形转移到衬底上；

步骤4：腐蚀去掉二氧化硅或氮化硅膜，清洗衬底，得到清洁的蓝宝石图形衬底；

步骤5：直接采用氢化物气相外延系统在所得到的蓝宝石图形衬底上外延生长GaN厚膜，完成制备。

其中该蓝宝石图形衬底的表面为平台和V形槽状条纹，且周期性相邻，该V形槽的截面为不等腰三角形，该V形槽为窗口区域，V形槽的两个斜面均为{1-10k}晶面族的不同晶面，其中短边对应的是<1-102>晶面，而长边对应的是<1-104>晶面。

其中二氧化硅或氮化硅膜的厚度为10nm至5μm。

其中条形二氧化硅或氮化硅掩模图形的条纹宽度为1至50μm，窗口区域宽度为1至50μm。

其中湿法刻蚀是采用硫酸和磷酸混合液对光刻后的样品进行刻蚀，刻蚀温度为100-400℃。

其中衬底还可以从尖晶石、GaN、AlN、GaAs、Si、SiC、LiAlO₂、LiGaO₂、ZrB₂或HfB₂形成的族中选择。

其中V形槽的宽度为1至50μm，深度为0.5至20μm，两个V形槽之间为0.5至50μm的平台。

其中两个V形槽之间不存在平台。

其中生长GaN厚膜的温度为600至1400℃。

其中除了选用氢化物气相外延方法外延生长GaN厚膜外，还可以选用液相外延，金属有机气相外延，封闭空间气相传送的方法外延生长。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明第一实施例中在蓝宝石图形衬底上器件制备的示意图截面示意图；

图2是本发明第二实施例中在蓝宝石图形衬底上器件制备的示意图截面示意图。

具体实施方式

实施例1

请参阅图1所示，本发明一种在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，包含以下步骤：

步骤1、在C面蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅或氮化硅膜(图未示)；其中所述二氧化硅或氮化硅膜的厚度为10nm至5μm；本实例采用等离子增强的化学气相淀积技术在C面蓝宝石衬底上蒸镀厚度为300nm的二氧化硅膜。