專利名稱:微柱陣列的制備方法、陣列結構及生長晶體材料的方法
技術領域:
本發明涉及半導體器件與工藝技術領域,尤其涉及一種微柱陣列的制備方法、陣列結構及生長晶體材料的方法。
背景技術:
以GaN為代表的化合物半導體材料作為直接帶隙的寬禁帶半導體材料,在藍、綠、 紫、紫外及白光發光二極管(LED)、激光二極管(LD)、紫外光探測器和功率電子器件等光電子器件和電子器件以及特殊條件下的半導體器件等領域中有廣泛的應用前景,吸引著人們的濃厚興趣。由于目前對于絕大多數的化合物半導體而言,還不能得到商用高質量大塊的襯底材料,因此化合物半導體材料一般采用異質襯底外延生長。但是,由于半導體材料和通常用作襯底的藍寶石(或者Si)襯底之間有較大的晶格失配,導致外延層產生位錯,這種位錯會擴展并穿過整個外延層,限制了后續器件性能的提高。為改善半導體材料的質量,現已發展起來多種提高外延材料質量的改進方法,如低溫緩沖層技術、插入層技術、側向外延技術 (ELOG)等。側向外延技術(ELOG)就是為了減少外延半導體材料的位錯密度而發展出來的方法之一。以GaN生長為例,ELOG方法首先在襯底上沉積一層幾微米的GaN薄膜,然后刻出所需圖形,使GaN露出形成窗口區而進行二次生長。半導體薄膜只在刻出的窗口區生長,而不再掩模區生長。ELOG可以有效的減小材料的位錯密度,其原理是利用生長過程中掩模區發生位錯阻斷以及在窗口去橫向合并時發生橫向彎曲,從而達到減少縱向生長方向的位錯密度的目的。現有技術中的ELOG的缺點在于,雖然采用掩模區遮蔽了一部分的位錯,但是保留下來的窗口區仍然有位錯,這些位錯還會保留在后續的外延層中,使ELOG工藝不能充分發揮其降低位錯密度的優勢。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是,提供一種微柱陣列的制備方法、陣列結構及生長晶體材料的方法,降低保留下來的窗口區的位錯密度,從而使ELOG工藝充分發揮其降低位錯密度的優勢。為了解決上述問題,本發明提供了一種微柱陣列的制備方法,包括如下步驟提供第一晶體層;將第一晶體層置于選擇性腐蝕的環境中,所采用的選擇腐蝕工藝優先腐蝕與第一晶體層的表面呈一角度的晶面,所述角度大于0度且小于90度,從而在第一晶體層表面的缺陷處形成凹陷;保持對第一晶體層的表面實施選擇性腐蝕,使凹陷擴大,顯露出無位錯部分,形成由第一晶體層的無位錯部分構成的微柱陣列。作為可選的技術方案,所述第一晶體層的材料為III族氮化物,所述選擇性腐蝕工藝采用KOH溶液,NaOH溶液,NaOH與K2S2O8的混合溶液,KOH與K2S2O8的混合溶液,Κ0Η、NaOH與Kj2O8的混合溶液,以及HF、H2O2和甲醇的混合液中的一種,并輔以光照。本發明進一步提供了一種微柱陣列結構,包括棱錐陣列層以及棱錐陣列層表面的微柱陣列層,微柱陣列層中的每一個微柱均立于棱錐陣列層的棱錐的頂端。作為可選的技術方案,所述棱錐陣列層以及微柱陣列層的材料相同,均為III族氮化物。本發明進一步提供了一種生長晶體材料的方法,包括如下步驟提供第一晶體層; 將第一晶體層置于選擇性腐蝕的環境中,所采用的選擇腐蝕工藝優先腐蝕與第一晶體層的表面呈一角度的晶面,所述角度大于O度且小于90度,從而在第一晶體層表面的缺陷處形成凹陷;保持對第一晶體層的表面實施選擇性腐蝕,使凹陷擴大并合并,顯露出無位錯部分,形成由第一晶體層的無位錯部分構成的微柱陣列;在微柱陣列的表面采用側向外延工藝生長第二晶體層。作為可選的技術方案,所述第一晶體層的材料為III族氮化物,所述選擇性腐蝕工藝采用KOH溶液,NaOH溶液,NaOH與K2S2O8的混合溶液,KOH與K2S2O8的混合溶液,Κ0Η、 NaOH與Kj2O8的混合溶液,以及HF、H2&和甲醇的混合液中的一種。作為可選的技術方案,在實施選擇性腐蝕的同時對第一晶體的表面施加光照。作為可選的技術方案,所述第一晶體層與第二晶體層的材料是相同的。本發明的優點在于,通過選擇性腐蝕工藝形成了由無位錯區域構成的微柱陣列作為橫向外延的窗口區,從而降低保留下來的窗口區的位錯密度,從而使ELOG工藝充分發揮其降低位錯密度的優勢。
附圖1是本發明的具體實施方式
所述晶體生長方法的實施步驟示意圖。附圖2A至附圖2D是本發明的具體實施方式
所述晶體生長方法的工藝示意圖。附圖3是本發明具體實施方式
中步驟S13實施效果的掃描電鏡示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明提供的微柱陣列的制備方法、陣列結構及生長晶體材料的方法具體實施方式
做詳細說明。附圖1所示是本具體實施方式
所述晶體生長方法的實施步驟示意圖,包括步驟 S10,提供第一晶體層;步驟S11,將第一晶體層置于選擇性腐蝕的環境中;步驟S12,保持對第一晶體層的表面實施選擇性腐蝕,形成由第一晶體層的無位錯部分構成的微柱陣列;步驟S13,在微柱陣列的表面采用側向外延工藝生長第二晶體層。附圖2A所示,參考步驟S10,提供第一晶體層100。第一晶體層100中具有數個缺陷,此處以111、112和113示意第一晶體層中的缺陷。第一晶體層100可以是自支撐的,也可以是設置在某一支撐襯底上的,本實施方式的附圖2A中,第一晶體層100設置在支撐襯底101上。支撐襯底的材料可以是藍寶石、單晶硅等任意一種常見的襯底材料。所述第一晶體層的材料為III族氮化物,例如GaN、AlN以及InN等,也可以上述材料的二元或者三元化合物,III族氮化物是目前研究的熱點材料,尤其如何降低缺陷密度方面,且易于選取合適的選擇性腐蝕溶液實施后續的步驟。當然也可以是III族砷化物,例如GaAs或者InAs等,以及其他諸如單晶硅和SiC等任何常見的晶體材料。附圖2B所示,參考步驟S11,將第一晶體層100置于選擇性腐蝕的環境中。所采用的選擇腐蝕工藝優先腐蝕與第一晶體層100的表面呈一角度的晶面,所述角度大于0度且小于90度,從而在第一晶體層100表面的缺陷處形成凹陷。附圖2B所示即是第一晶體層100置于選擇性腐蝕環境中形成凹陷的最初狀態的示意圖,其中111、112和113示意第一晶體層100中的三處缺陷,121、122以及123為在缺陷處的表面形成的凹陷。在第一晶體層100的材料為III族氮化物的情況下,所述選擇性腐蝕工藝采用KOH 溶液,NaOH溶液,NaOH與Kj2O8的混合溶液,KOH與Kj2O8的混合溶液,KOH、NaOH與Kj2O8 的混合溶液,以及HF、H202和甲醇的混合液中的一種。在采用其他材料作為第一晶體層100 的情況下,應當根據材料的特點選擇合適的腐蝕溶液。附圖2C所示,參考步驟S12,保持對第一晶體層100的表面實施選擇性腐蝕,形成由第一晶體層100的無位錯部分構成的微柱131、132和133的陣列。在繼續實施選擇性腐蝕的情況下,附圖2B中的凹陷121、122和123將擴大,從而第一晶體層100的表面顯露出無位錯的部分。在保持足夠的腐蝕時間的情況下,有些臨近的凹陷還會產生橫向的合并,位錯凹陷逐漸將無位錯部分包圍起來,以至于這些無位錯的部分彼此孤立形成微柱131、132、 133和134。微柱131、132、133與134的下方則是由第一晶體層100的傾斜晶面構成的棱錐陣列層140,微柱均分布在棱錐的頂部。微柱的徑向尺寸在亞微米范圍,例如100 5000nm。 步驟S12的持續時間由腐蝕液的濃度和材料的特點決定。以GaN為例,將GaN膜放于KOH和Kj2O4的混合溶液后并在氙燈照射下,由于位錯部分化學不穩定,易于形成V型坑;形成的V型坑具有傾斜的晶面和垂直的晶面;由于GaN 的(0001)表面的表面能小于垂直晶面(10-10)、(11-20)的表面能,而垂直晶面的表面能小于傾斜晶面表面能,并且在垂直光的照射下,傾斜晶面得到的光通量大于傾斜得晶面,而造成腐蝕沿著斜面向下的速率快于沿著垂直晶面側向腐蝕的速率,而表面腐蝕速率最慢。隨著時間的推進,這種深坑相互穿透,而留下的沒有被腐蝕的部分就是微柱。由于腐蝕的是位錯的部分,因此剩下的為無位錯的微柱。由于膜材料本身取向一致,而腐蝕也是按一定晶面進行,因此剩下的微柱取向一致。同時在實施選擇性腐蝕的同時對第一晶體100的表面施加光照,由于傾斜晶面得到的光多于垂直表面,故能夠提高選擇性腐蝕的選擇比,有利于步驟S12的實施。附圖3所示是采用IM KOH與0. 5M K2S2O8的混合溶液溶液,在150W氙燈照射條件下腐蝕GaN材料的掃描電子顯微鏡示意圖,其中(a) (c)圖分別對應腐蝕0. 5、1. 0和4. 0 小時的表面示意圖,(g)圖為(c)圖的側向形貌。(a)圖的右上角是凹坑的微觀形貌。從圖 3可以明顯的看出,在腐蝕0. 5小時的情況下,凹陷已經開始合并,在腐蝕1. 0小時的情況下,合并的凹陷已經占據主導地位,在腐蝕4.0小時的情況下,結合(c)圖和(g)圖可以明顯看出,無位錯部分已經形成了孤立的微柱。附圖2D所示,參考步驟S13,在微柱131、132、133和134的陣列的表面采用側向外延工藝生長第二晶體層150。所述側向外延工藝(ELOG)是本領域內技術人員的公知技術, 此處不再贅述。由于側向外延工藝是采用無位錯的微柱131、132、133和134作為籽晶,因此能夠有效降低第二晶體層150的位錯密度,理論上來說,第二晶體層150僅在側向外延合并的位置才有可能產生位錯,而由于微柱具有一定的彈性,即使在這一區域產生位錯的概率也遠低于現有的其他側向外延技術。并且對于生長厚膜的自支撐晶體材料而言,第二晶體層150的厚度通常在數百微米,微柱陣列層的脆性保證了第二晶體層150很容易從第一晶體層100表面剝離下來。 以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出,對于本技術領域的普通技術人員,在不脫離本發明原理的前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種微柱陣列的制備方法,其特征在于,包括如下步驟提供第一晶體層;將第一晶體層置于選擇性腐蝕的環境中,所采用的選擇腐蝕工藝優先腐蝕與第一晶體層的表面呈一角度的晶面,所述角度大于0度且小于90度,從而在第一晶體層表面的缺陷處形成凹陷;保持對第一晶體層的表面實施選擇性腐蝕,使凹陷擴大,顯露出無位錯部分,形成由第一晶體層的無位錯部分構成的微柱陣列。
2.根據權利要求1所述的微柱陣列的制備方法,其特征在于,所述第一晶體層的材料為III族氮化物,所述選擇性腐蝕工藝采用KOH溶液,NaOH溶液,NaOH與K2S2O8的混合溶液, KOH與Kj2O8的混合溶液,KOH、NaOH與Kj2O8的混合溶液,以及HF、H2O2和甲醇的混合液中的一種。
3.根據權利要求1所述的微柱陣列的制備方法,其特征在于,在實施選擇性腐蝕的同時對第一晶體的表面施加光照。
4.一種采用權利要求1所述方法獲得的微柱陣列結構,其特征在于,包括棱錐陣列層以及棱錐陣列層表面的微柱陣列層,微柱陣列層中的每一個微柱均立于棱錐陣列層的棱錐的頂端。
5.根據權利要求4所述的微柱陣列結構,其特征在于,所述棱錐陣列層以及微柱陣列層的材料相同,均為III族氮化物。
6.一種生長晶體材料的方法,其特征在于,包括如下步驟提供第一晶體層;將第一晶體層置于選擇性腐蝕的環境中,所采用的選擇腐蝕工藝優先腐蝕與第一晶體層的表面呈一角度的晶面,所述角度大于0度且小于90度,從而在第一晶體層表面的缺陷處形成凹陷;保持對第一晶體層的表面實施選擇性腐蝕,使凹陷擴大并合并,顯露出無位錯部分,形成由第一晶體層的無位錯部分構成的微柱陣列;在微柱陣列的表面采用側向外延工藝生長第二晶體層。
7.根據權利要求6所述的生長晶體材料的方法,其特征在于,所述第一晶體層的材料為III族氮化物,所述選擇性腐蝕工藝采用KOH溶液,NaOH溶液,NaOH與K2S2O8的混合溶液, KOH與Kj2O8的混合溶液,KOH、NaOH與Kj2O8的混合溶液,以及HF、H2O2和甲醇的混合液中的一種。
8.根據權利要求6所述的生長晶體材料的方法,其特征在于,在實施選擇性腐蝕的同時對第一晶體的表面施加光照。
9.根據權利要求6所述的生長晶體材料的方法,其特征在于,所述第一晶體層與第二晶體層的材料是相同的。
全文摘要
本發明是有關于一種微柱陣列的制備方法、陣列結構及生長晶體材料的方法。所述微柱陣列的制備方法包括如下步驟提供第一晶體層;將第一晶體層置于選擇性腐蝕的環境中,所采用的選擇腐蝕工藝優先腐蝕與第一晶體層的表面呈一角度的晶面,所述角度大于0度且小于90度,從而在第一晶體層表面的缺陷處形成凹陷;保持對第一晶體層的表面實施選擇性腐蝕,使凹陷擴大,顯露出無位錯部分,形成由第一晶體層的無位錯部分構成的微柱陣列。本發明的優點在于,通過選擇性腐蝕工藝形成了由無位錯區域構成的微柱陣列作為橫向外延的窗口區,從而降低保留下來的窗口區的位錯密度,從而使ELOG工藝充分發揮其降低位錯密度的優勢。
文檔編號C30B33/10GK102163545SQ201110066668
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月18日 優先權日2011年3月18日
發明者任國強, 劉建奇, 弓曉晶, 徐科, 王建峰 申請人:蘇州納維科技有限公司