一种III-V族半导体单晶衬底孔洞消除之后的表面结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及了一种III-V族半导体单晶衬底孔洞消除之后的表面结构及其制备方法，利用半导体材料在不同材料上的形核功不同，借助于简单的镀膜工艺和湿法刻蚀工艺，消除了半导体材料表面的孔洞，形成了表面平整、但保留晕状结构的III-V族半导体单晶衬底。得到的表面结构平整，不会在后续材料外延过程中会引起孔洞周围的气体运动产生扰动，有利于后续器件制备良率的提升，且该方法简单易行，适合于规模化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及半导体材料领域，尤其设及半导体材料消除表面孔洞之后的表面结构 及其制备方法。
技术介绍
WGaN为代表的III-V族化合物半导体材料是重要的直接带隙的宽禁带半导体材 料，被誉为第=代半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比，第=代半导体材料具有 禁带宽度大，电子饱和漂移速度高，击穿电压高，热导率高，抗福射能力强等特点，因而在发 光器件、高速器件、高温器件、高频器件、大功率器件等方面得到越来越广泛的应用。 但是III-V半导体材料在生长过程中，由于各个晶面的生长速度存在较大的差 异，垂直于晶面的生长速度（纵向生长速度）一般大于其他方向的生长速度，特别是水平方 向的生长速度，在该种生长模式的诱导下，在半导体材料生长过程中，容易形成孔洞结构。 WGaN单晶衬底的制备为例，通常采用HV阳方法沿着GaN材料的C面进行生长。在生长过 程中，由于C面（即（0001)面）的生长速度远大于其他面的生长速度，由于各个晶面生长 之间的竞争，生长速率快的晶面表面积逐渐减小，生长速率慢的晶面逐渐显现，该样就会在 表面逐渐形成孔洞结构。对于GaN材料而言，该孔洞结构的侧面一般为特定的{1101}晶面， 其表面和界面的照片如图3所示。 一旦III-V半导体单晶衬底的表面存在了上述的孔洞结构，它将会对后续的外延 材料生长和器件制备带来极大的影响。首先，孔洞结构的裸露晶面与单晶衬底的表面存在 显著区别，在孔洞的裸露晶面上生长的外延材料和器件，与单晶衬底上生长的外延材料和 器件结构存在较大的区别，不能制备出满足设计需要的器件，属于无效区域；其次，孔洞结 构存在一定的深度，且其边界是不同晶面的连接处，该不仅会导致输入源在孔洞周围形成 较大的扰动，也会严重影响原子在孔洞周围的迁移能力，会严重影响孔洞周围外延材料的 组分、应力甚至是缺陷密度等性能指标，进一步扩大了孔洞的影响范围（能够影响到孔洞 周围0.5mm到1mm的范围），造成了器件制备良率的下降。最后，由于孔洞存在一定的深度， 在后续的器件加工工程中，由于设及到光刻、刻蚀等工艺，孔洞也会对该些工艺造成很大的 影响。例如，光刻胶一般采用旋转的方式，利用离屯、力形成均匀的分布。孔洞将会影响其周 围的光刻胶厚度，对后续光刻造成影响。孔洞的存在，将进一步降低器件工艺制备的良率。 因此，本专利技术针对III-V半导体单晶衬底表面孔洞该一难题，提出了一种III-V族 半导体单晶衬底孔洞消除之后的表面结构及其制备方法。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种III-V族半导体单晶衬底孔洞消除之后 的表面结构，上述表面结构的特征为；在原有孔洞的上方，形成了光滑的表面，但在之前的 孔洞位置仍会保留封闭图形结构，所述封闭图形结构存在封闭的边界，所述边界W内和W 外的材料相同，但是发光性质存在显著区别，且所述边界附近的光学反射率与边界w外的 区域的光学反射率也存在显著区别。 在本专利技术的一个优选实施方式中，所述封闭图形结构的边界为圆形或者由各种倾 斜晶面与表面的相交线组成的形状。[000引本专利技术还提供消除III-V族半导体表面孔洞的方法，即上述表面结构的制备方 法，通过对带有孔洞的衬底进行一系列工艺处理，使孔洞内部没有异质材料，而孔洞外面的 半导体表面上覆盖一层异质材料，利用半导体在异质材料上生长时形核功比较大的特点， 实现在外延生长工艺中暂停C面的生长，加快{liol}晶面的生长，最终得到无孔洞的III-V 族半导体衬底，消除了半导体材料表面的孔洞，形成了表面平整、但保留晕状结构的III-V族半导体衬底。 上述方法的主要步骤包括： 将清洗后的半导体衬底放入锻膜设备中蒸锻一层异质材料； 将锻膜后的材料进行湿法刻蚀，W去除孔洞内部的异质材料并保留表面的异质材 料； 将去除孔洞内部异质材料的半导体放入生长设备进行再生长； 将生长后的半导体衬底进行研磨抛光。 在本专利技术的一个优选实施方式中，所述III-V族半导体材料是由HI族元素B、A1、 Ga、In、T1和V族元素N、P、As、Sb、Bi形成的二元、S元及多元的化合物。 在本专利技术的一个优选实施方式中，蒸锻的异质材料与衬底材料不同，并且III-V 族半导体在该材料上生长时具有较大的形核功，该材料包括但不限于Si化、SiN等材料。 在本专利技术的一个优选实施方式中，蒸锻所用的锻膜设备包括PECVD(等离子体增 强化学气相沉积法）、ICPCVD(感应禪合等离子体化学气相沉积）、光学锻膜机、ALD(原子层 沉积）、磁控瓣射、电子束蒸发等各种锻膜设备。 在本专利技术的一个优选实施方式中，所述湿法刻蚀对异质材料的刻蚀速率在1A/ min~lum/min之间。[001引在本专利技术的一个优选实施方式中，所述湿法刻蚀的刻蚀液与异质材料及孔洞具有 较好的浸润性，能够快速覆盖整个孔洞内部。 在本专利技术的一个优选实施方式中，为了提高刻蚀液与孔洞之间的浸润性，在湿法 刻蚀之前增加一个步骤，将半导体衬底放入与刻蚀液能够混溶并且不会刻蚀异质材料的 溶剂中浸泡，并提高溶剂温度，使孔洞中的气泡能够排出，从而使溶剂能够覆盖整个孔洞内 部。 在本专利技术的一个优选实施方式中，所述生长设备包括MOCVD(金属有机物气象外 延）、HVPE(氨化物气相外延）或者MBE(分子束外延）等III-V族半导体材料生长使用的 设备。 在本专利技术的一个优选实施方式中，将去除孔洞内部异质材料的半导体放入生长设 备进行再生长，其再生长速率为Inm/min~lOum/min之间。 在本专利技术的一个优选实施方式中，将去除孔洞内部异质材料的半导体放入生长设 备进行再生长，其生长温度在600°C~1200°C之间。 在本专利技术的一个优选实施方式中，上述消除III-V族半导体表面孔洞的方法，包 括如下步骤；将清洗后的半导体衬底放入锻膜设备中蒸锻一层异质材料；将锻膜后的材 料进行湿法刻蚀，W去除孔洞内部的异质材料并保留表面的异质材料；将去除孔洞内部异 质材料的半导体放入生长设备进行再生长；生长结束并且孔洞内部被填充满后，将生长后 的衬底进行CMP(化学机械抛光）；将抛光后的衬底进行再生长；将再生长后的衬底进行 CMP(化学机械抛光），去掉底部含有孔洞填充层的部分。 与现有技术相比，本专利技术的优点在于，借助于半导体工业常用的锻膜工艺和湿法 刻蚀工艺，利用半导体材料在不同材料上的形核功的不同，消除了半导体材料表面的孔洞， 在孔洞之内生长的III-V族半导体材料，尽管其材料与其他区域的相同，但是由于是在孔 洞内部的倾斜晶面上开始生长并合并，其生长模式存在显著的差别。一般来说，沿着倾斜晶 面生长的III-V族半导体材料，相关的背底杂质更容易渗杂进入晶格，从而导致其背底载 流子浓度偏高，进而影响了孔洞内部III-V族半导体材料的发光特性，与平面生长的III-V 族半导体材料存在显著差别，因此，采用该种方法得到的表面结构可W保留晕状结构的 III-V族半导体单晶衬底。具有该种表面结构的III-V族半导体单晶衬底表面平整，不会在 后续材料外延过程中会引起孔洞周围的气体运动产生扰动，有利于后续器件制备良率的提 升，且该方法简单易行，适合于规模化生产。【附图说明】 图1是第一【具体实施方式】的实施步骤示意图； 图2是第二【具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种III‑V族半导体单晶衬底孔洞消除之后的表面结构，上述表面结构的特征为：在原有孔洞的上方，形成了光滑的表面，但在之前的孔洞位置仍会保留封闭图形结构，所述封闭图形结构存在封闭的边界，所述边界以内和以外的材料相同，但是发光性质存在显著区别，且所述边界附近的光学反射率与边界以外的区域的光学反射率也存在显著区别。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张育民，王建峰，徐科，
申请(专利权)人：苏州纳维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32