[发明专利]一种选区异质外延衬底结构及其制备和外延层生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型异质外延生长衬底方法，可以直接应用于生长高质量III族氮化物半导体等材料。

背景技术

材料是科学技术发展的基石。通常，由于匹配衬底稀缺和难以获得，异质外延生长成为材料生长中广泛采用的基本方法。目前迅速发展的III族氮化物半导体材料就主要在蓝宝石等衬底上外延生长。所谓III族氮化物材料，包括GaN、AlN、InN以及由它们组成的三元和四元合金都是直接带隙材料，具有带隙范围宽(0.75eV～6.2eV)，击穿电场高，热导率高，电子饱和速率高，以及耐化学腐蚀等特点，这些优良的光、电学性质以及优良的材料化学性能使III族氮化物材料在蓝光、绿光、紫光、紫外光及白光发光二极管(LED)、短波长激光二极管(LD)、紫外光探测器和功率电子器件等光电子器件，以及射频晶体管等微电子器件中有广泛的应用前景。

商用的GaN基器件，多采用蓝宝石衬底进行异质外延。由于晶格的不匹配，外延层中的位错密度极高，随之带来的问题是器件性能、可靠性和寿命的降低，对大功率密度器件，如射频晶体管、蓝紫光激光器的影响尤为突出。

异质外延生长GaN材料依然面临巨大的挑战，发展衬底技术，减小材料位错密度，提高晶体质量始终是人们不懈努力的目标。

欧洲专利EP 0942459A1公布了一种获得高质量GaN外延层的方法，即侧向外延过生长技术(LEO)。步骤如下：先在蓝宝石衬底上按照两步法外延生长GaN籽晶层(4或5μm)，然后在GaN籽晶层上用CVD方法沉积厚度约100nm的无定形SiO₂或SiN_x掩膜。再用常规光刻的方法在掩膜条上开出条形窗口，暴露出GaN籽晶层。条形窗口以宽度为3～5μm为宜，掩膜条宽5～15μm。条形掩膜沿GaN籽晶层的<1-100>_GaN方向，此方向有利于GaN的侧向生长。然后将此图形化衬底进行清洗，去除窗口区表面氧化物，再利用MOCVD或HVPE方法高温1050℃进行第二次GaN选区外延生长。当窗口区生长出的GaN薄膜厚度超过掩膜层厚度时，外延层会在继续垂直生长的同时在掩膜层上进行侧向生长。随后相邻的生长侧面相互连接，最终又融合成新的表面。为了更进一步降低位错密度，该专利还提出了一种基于上述技术的二次处理的方法。主要思路就是利用在上述生长的GaN外延层上，利用相同的工艺方法，再次进行选区外延生长。这次条形掩膜正对第一次图形衬底的窗口，而窗口区则正对第一次图形衬底的条形掩膜。这样利用提供的界面以及促使位错再次转向的掩膜很明显的降低了贯穿位错的密度。同理，也可以将上述步骤重复多次，来最大限度的降低GaN外延层的位错密度。

美国专利US 6177688B1公布了一种称为“悬空外延技术”(PE)的方法来生长高质量的GaN外延层。主要过程如下：先在6H-SiC衬底上沉积一层AlN缓冲层，然后高温生长GaN籽晶层(0.5～2μm)，然后在GaN籽晶层上用CVD方法沉积厚度约100nm的SiN掩膜，再用常规光刻的方法在SiN掩膜条上开出条形窗口，然后选区刻蚀暴露在窗口部分的GaN籽晶层，一直深入到衬底。这样就形成了GaN/缓冲层/衬底的柱状结构和沟槽交替的形状。然后再进行GaN外延片层的生长，此时生长的GaN外延片层悬空于沟槽的上方，是在原GaN外延片层侧壁的横向外延生长。GaN外延层横向生长持续进行，垂直方向GaN的生长从不断扩大的侧向生长阵面新形成的GaN(0001)面开始进行。当垂直方向的GaN外延层厚度超过SiN的厚度时，外延层会在继续垂直生长的同时在SiN掩膜层上进行侧向生长。随后相邻的生长阵面相互连接，最终又融合成新的表面。

这两种方法得到的SiN掩膜上的GaN外延层的位错密度较传统的直接生长在蓝宝石衬底上来说，有非常显著的降低，大幅提高了器件使用寿命。但这两种方法均属两步法的LEO技术，每个窗口区仍然是高位错密度区。两步法的悬空外延技术，沟槽里GaN生长质量较LEO技术有所提高，但每个沟槽的中央区域都是相邻生长阵面相互连接而形成的缺陷区。而基于此的二次或多次选区外延生长，其工序多而且复杂，成本高，不利于规模化生产。

发明内容

本发明是对上述技术的革新和改进，提供了一种一步法选区异质外延生长衬底结构及制备方法，特别针对GaN异质外延生长提出了具体的实施方案，简化了生长步骤和工艺，同时提高了无位错GaN外延膜的有效宽度，更具有实用价值。

本发明的技术方案是：