[发明专利]一种在GaN衬底上同质外延生长的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子技术领域，涉及半导体材料薄膜的外延生长和金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术领域，尤其涉及一种利用环状图形掩膜侧向外延实现氮化镓(GaN)衬底上同质外延生长的方法。

背景技术

以GaN，InN，AlN以及其三元系和四元系为代表的氮化物半导体材料，其能带为直接带隙，带宽从0.7eV到6.2eV连续可变。其优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等特性，成为GaN基激光器、发光二极管等光电子器件的优选材料。

目前广泛使用的蓝宝石(Sapphire)或者碳化硅(SiC)衬底与氮化镓(GaN)材料之间的晶格失配和热应力失配较大，异质结构外延生长造成GaN材料及其器件的质量下降。采用同质衬底结构GaN基LED相较于异质结构有以下几个优点：衬底和外延层之间无晶格失配和热失配，可有效降低器件的缺陷密度，提高器件性能；由于GaN本身可以导电，此时电极可以置于芯片两侧，可以实现垂直结构LED；衬底与外延层材料相同，便于解理，对GaN基激光二极管的制备带来很大便利；衬底折射率与发光层相同，GaN衬底LED芯片的光输出效率是传统蓝宝石衬底LED的1.5倍多；GaN的热导率较好，大约为蓝宝石的5倍，在大面积大功率器件中有利于解决散热问题。

而目前GaN衬底大多采用HVPE技术得到，由于该方法存在由异质外延造成的外延膜翘曲，如图1所示，不能直接用于MOCVD外延生长。这种翘曲是由HVPE异质外延生长造成的，通常的做法是通过化学机械抛光(CMP)进行研磨、抛光，如图2所示，来得到符合外延生长条件的GaN衬底。这种方法获得的衬底其表面不是由单一晶面构成，而是由许多高指数晶面构成，如图3所示。

这和第一代和第二代半导体器件所用的衬底，如Si、GaAs、InP等是很不相同的，第一代和第二代半导体器件都是在相应的大块同质体材料衬底上加工得到的，这就造成目前在HVPE法GaN衬底上外延生长的器件并没有得到预期的巨大的器件性能的提升，而仅限于在文献中报道某些性能或某些指标参数的改进。因此需要提出一种新的生长技术方案来克服这些问题，以获得较完美的外延层，这对GaN材料和器件的发展具有很重要的意义和价值。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种在GaN衬底上同质外延生长的方法，该方法能够获得比较完美的GaN外延层。

本发明基于在晶体生长过程中，如果生长晶面受到各种非平面因素的调制影响，生长机制可能有很大变化，有可能获得更完美的晶体。

常规的侧向外延生长就是基于这个原理。但常规的侧向外延通常运用在晶面由单一晶面构成的衬底上进行，其目的在于降低外延层晶体中的位错密度，因此通常采用条形掩膜来实现。

本发明运用的GaN衬底，本质上与传统的半导体材料的衬底都不同，其表面是由不同晶面指数的晶面构成，晶面指数从衬底中心向边缘逐渐升高，又由于这种变化是环形对称的，因此本发明提出了环状图形掩膜侧向外延的方法。

本发明的目的通过下述技术方案来实现:

一种在GaN衬底上同质外延生长的方法，包括以下步骤：

(1)测量GaN衬底表面曲率半径；

(2)对GaN衬底进行研磨抛光；

(3)在上述衬底上淀积一层二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜；

(4)在步骤(3)得到的衬底表面形成同心掩膜环；

(5)用步骤(4)所得衬底进行外延生长，获得GaN外延层。

进一步地，步骤(1)中，所述GaN衬底通过化学气相沉积(CVD)，金属有机化合物气相沉积(MOCVD)，氢化物气相外延(HVPE)中的一种或几种外延方法结合的方法获得。

进一步地，步骤(1)中，所述GaN衬底的厚度为100-4000μm。

进一步地，步骤(1)中，还包括在测量前对所述GaN衬底进行清洗。

进一步地，步骤(1)中，通过接触式或非接触式曲率测量计算工具测量GaN衬底表面曲率半径。

进一步地，步骤(2)中，通过机械化学研磨抛光等方法对GaN衬底进行研磨抛光，将所述衬底处理到曲率半径大于8米。

进一步地，步骤(3)中，通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)等方法淀积。

进一步地，步骤(3)中，所述二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜的厚度为100-200nm。