專利名稱：一種用于氮化鎵外延生長的圖形化襯底材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于氮化鎵外延生長的圖形化襯底材料，屬于電子學和固體電子學領域。
背景技術：
氮化鎵材料是目前為止所有III-V族氮化物中研究最多的材料之一，由于該材料屬寬禁帶半導體，直接帶隙3.4eV，在高溫微電子器件，微波器件，以及長壽命、低能耗、短波長半導體發光二極管等方面顯示出廣闊前景。
目前，氮化鎵外延材料的重要研究方向之一是硅襯底的應用。外延層的質量很大程度上取決于襯底材料。現階段主要采用的襯底材料有藍寶石，碳化硅，以及單晶硅等。藍寶石是目前廣泛采用的襯底材料，藍寶石襯底的氮化鎵基器件已經部分實現產業化。但是藍寶石襯底制備由于受到各方面的限制，產業化供片的規格仍然僅停留在2英寸階段，這就阻礙了氮化鎵的大規模應用。而且藍寶石和氮化鎵的晶格失配和熱膨脹系數都存在一定差異，所以從技術層面講，選用蘭寶石襯底材料，并不是襯底材料的最理想選擇。碳化硅材料是另一種常見的襯底材料，雖然晶格性質和氮化鎵比較相近，但碳化硅較之藍寶石等其他材料來說，制備難度更大，成本昂貴。單晶硅是半導體行業最常見的材料，在單晶硅上生長氮化鎵的技術發展的也比較早。但是硅和氮化鎵晶格失配達20.4％，較大的晶格失配會往往導致外延氮化鎵的晶體質量很難提高。但由于硅在當前工業界的特殊地位，人們依然孜孜不倦地追求著硅襯底的成功應用可能性。(H.Marchand，L.Zhao，etc.，Metalorganic chemical vapor deposition of GaN on Si(111)Stress control and application to field-effect transistors，J.Appl.Phys，Vol.89，No.12，pp.7846-7851，15 June 2001.)因此，選擇適當的途徑實現硅材料作為襯底的研究是目前氮化鎵制備領域面臨的最有挑戰性工作。
近些年來，一種新興工程化襯底材料——絕緣體上的硅(SOISilicon-on-insulator)，越來越受到廣泛的重視。SOI襯底，尤其是超薄頂層硅的SOI襯底，其頂層硅可以看作是一種相對柔性的工程化襯底，已經被廣泛應用在GeSi，Strained-Si(應力硅)(Bruno Ghyselen，Strain engineering inSOI-type materials for future technologies，Materials Science andEngineering B 124-125(2005)16-23)等材料的制備領域中。一般認為，應力分配和材料厚度呈反比例，采用注氧隔離(SIMOX)技術制備的超薄SOI材料，超薄的頂層硅作為襯底，對外延層原子的束縛能力遠遠低于體硅材料襯底。這樣一來，可以預計更多的應力將在頂層硅和外延層的界面上通過滑移釋放，這就在一定程度上抑制了由于晶格失配等原因導致的缺陷，提高外延晶體的質量。這一特性對于GaN等化合物半導體的異質外延生長的襯底材料具有獨特的優勢。國外一些學者對SOI材料作為襯底關注已久，早在1994年，美國IBM公司在一篇報道的結尾中就提及“這一結構(SOI)不僅可以用作生產高電子遷移率器件，還提供了一種襯底以用作生長高晶格失配常數的III-V化合物半導體。”(A.r.Powell，S.S.Iyer，etc.，New approach to the growth of low dislocationrelaxed SiGe material，APL，64()14，4 April 1994)然而，這方面的工作開展尚少。
發明內容
本發明的目的在于提供一種用于GaN外延生長的圖形化襯底材料，所涉及的圖形化襯底材料是在SOI(Silicon-On-Insulator絕緣體上的硅)材料，或者在具有類SOI的多層復合結構的襯底的基礎上，采用微電子相關工藝加工得到的圖形化襯底材料，通過設計特定的圖形，達到釋放外延生長應力的目的。
本發明所涉及的圖形化襯底材料，是以單晶硅圓片為基礎的一種襯底，目前的單晶硅圓片直徑已經達到12英寸，相對于藍寶石和碳化硅，這種單晶硅襯底的尺寸更大，價格也更低廉。本發明所述的圖形化襯底，最頂層的硅處于半懸空狀態，下面一層被部分腐蝕除去，在GaN單晶的外延生長過程中，頂層硅的上表面、側面甚至下表面都有可能成為氮化鎵的生長面，從而可以有效地隔離無限厚的襯底硅晶格對頂層硅的應力束縛，使頂層硅能夠更好的吸收異質外延生長中產生的應力。由于在硅島與硅島之間的縫隙處，襯底硅裸露出來，在外延生長時也會淀積氮化鎵晶體，既填充了硅島間的縫隙，又填充了頂層硅和襯底間的縫隙，起到支撐外延層的作用。當外延氮化鎵達到一定厚度的時候，側向外延就會使各個獨立硅島上生長的氮化鎵晶體連接成一個整體，可以看作連續的氮化鎵襯底。由此可見，本發明提供的一種用于氮化鎵外延生長的圖形化襯底材料，包括絕緣體上的硅材料，或具有單晶硅——絕緣埋層——單晶硅的三層復合結構襯底材料(如圖1所示)，其特征在于頂層的硅被刻蝕成獨立的硅島1，硅島下面保留一部分的絕緣埋層2。所述的絕緣埋層為二氧化硅，氮化硅或氮化鋁；所述的獨立硅島為正三角形、長方形(包括正方形)、菱形或六邊形，且獨立硅島的厚度在10nm～1μm之間；絕緣埋層的厚度在50nm～5μm之間。考慮到橫向外延時橫向生長與垂直生長的速率比例一般是小于1的，也就是說，橫向生長速率通常小于垂直生長速率。如果硅島的間距達于外延GaN厚度的兩倍，在GaN生長到所需要的厚度時，GaN仍然為獨立的島狀結構，無法得到連續的GaN外延薄膜。所以硅島各平行邊之間的垂直距離小于外延氮化鎵厚度的兩倍，例如，如果設計的GaN外延薄膜厚度為1μm，則在制備襯底時，硅島的間距就要小于2μm。硅島下面絕緣埋層剩余部分的截面積S2的范圍應小于硅島面積S1的_即S1/4，并大于S1的 即S1/25。S2的范圍應小于硅島面積S1/4是為了釋放外延生長中產生的應力，硅島必須部分懸空，否則硅島對襯底硅晶格應力的隔離作用不明顯；而面積S2大于S1/25這一條件是基于對材料特性的考慮，剩余埋氧的面積越小越有利于應力釋放，但是剩余埋氧面積太小容易導致頂層硅的剝落。
因此，本發明的圖形化襯底材料具有大尺寸，低成本的優點，可以吸收異質外延的應力，提高外延氮化鎵晶體的質量。
圖1本發明提供的圖形化襯底材料。(a)剖面圖(b)俯視圖。
圖中1硅島，2保留的絕緣埋層，3襯底，S1硅島面積，S2硅島下面埋層剩余部分的截面積。
具體實施例方式
下列實例將有助于理解本發明，但并不限制本發明的內容。
實施例1采用4英寸SOI圓片，頂層硅的厚度為230nm，埋層二氧化硅的厚度為380nm。采用光刻手段將頂層硅刻蝕成100μm×10μm的長方形硅島，再用各向同性腐蝕液把絕緣埋層部分地腐蝕除去，保留的絕緣埋層的面積S2約為硅島，面積S1的1/9左右。最后用去離子水清洗后得到可以用于外延生長氮化鎵的圖形化的襯底材料。
實施例2如圖1俯視圖所示，保留的絕緣埋層2的面積S2為硅島1面積S1的1/4，所述的硅島為正三角形，絕緣埋層為氮化硅或氮化鋁，其余均同實施例1。
實施例3如圖1俯視圖所示，保留的絕緣埋層2的面積S2為硅島1面積S1的 所述的硅島為六邊形，其余均同實施例1。
權利要求
1.一種用于氮化鎵外延生長的圖形化襯底材料，其特征在于(1)所述的材料為絕緣體上的硅材料或具有單晶硅——絕緣埋層——單晶硅的三層復合結構的襯底材料；(2)頂層的硅被刻蝕成獨立的硅島，且硅島下面保留一部分的絕緣埋層，使硅島呈半懸空的狀態。
2.按權利要求1所述的用于氮化鎵外延生長的圖形化襯底材料，其特征在于所述的硅島下面保留一部分的絕緣埋層，即剩余部分的截面積S2小于硅島面積S1/4，而大于S1/25。
3.按權利要求1所述用于氮化鎵外延生長的圖形化襯底的材料，其特征在于所述的獨立硅島的厚度在10nm～1μm之間；埋層的厚度在50nm～5μm之間。
4.按權利要求1或3所述的用于氮化鎵外延生長的圖形化襯底材料，其特征在于所述的硅島各平行邊之間的垂直距離小于外延氮化鎵厚度的兩倍。
5.按權利要求1所述的用于氮化鎵外延生長的圖形化襯底材料，其特征在于所述的獨立硅島為正三角形、長方形、菱形或六邊形。
6.按權利要求1所述的用于氮化鎵外延生長的圖形化襯底材料，其特征在于所述的絕緣埋層為二氧化硅，氮化硅或氮化鋁。
全文摘要
本發明涉及一種用于氮化鎵外延生長的襯底材料，其特征在于(1)所述的材料為絕緣體上的硅材料或具有單晶硅—絕緣埋層—單晶硅的三層復合結構的襯底材料；(2)頂層的硅被刻蝕成獨立的硅島且硅島下面保留一部分的絕緣埋層；硅島各平行邊之間的垂直距離小于外延氮化鎵厚度的兩倍；硅島下面絕緣埋層剩余部分的截面積S
文檔編號H01L27/12GK1828913SQ20061002369
公開日2006年9月6日 申請日期2006年1月26日 優先權日2006年1月26日
發明者孫佳胤, 陳靜, 王曦 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所