本发明专利技术涉及一种利用均匀纳米粒子点阵提高厚膜ＧａＮ质量的方法，其特征在于采用了纳米量级的ＳｉＯ↓［２］、ＳｉＯ或Ｓｉ↓［ｘ］Ｎ↓［ｙ］等点阵作为ＧａＮ外延掩模。在氢化物气相外延之前，先在ＧａＮ模板上电子束蒸发一层金属Ａｌ，再采用电化学的方法生成多孔状阳极氧化铝（ＡＡＯ），接着往孔中注入点阵结构的介质，然后去除ＡＡＯ，则模板上得到了均匀分布的ＳｉＯ↓［２］纳米粒子的点阵结构，最后将模板置于反应腔内外延生长。由于气相外延的选择性，将开始选择生长在ＳｉＯ↓［２］等点阵外的区域上，最后经过横向外延生长过程连接成完整的ＧａＮ膜。降低了外延层的位错密度，且位错密度均匀分布，大大提高厚膜的可利用性。方法简单易行，省略了光刻的复杂工艺，且将掩模尺寸缩小到纳米量级，适于批量生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种。 属于GaN材料的制备领域。
技术介绍
GaN材料具备高发光效率、高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度 和高硬度等优良特性，近年来，作为世界上最先进的半导体材料而备受瞩目， 可制成高效蓝、绿、紫、白色发光二极管和激光器，得到了更多的应用和关注。 然而目前GaN仍依靠Al203、 GaAs， SiC， Si等异质衬底，由于它们与GaN材料的 晶格失配和热膨胀失配系数都非常大，在外延的GaN材料中，不可避免地存在 较大的应力和较高的位错密度，大大地降低了GaN器件的性能和寿命。由于氮 的离解压很高，很难利用高温生长得到大尺寸的GaN体单晶。而HVPE生长速率 高、设备简单、制备成本低，近年来被公认为最有前途的制备GaN自支撑衬底 技术，因而吸引了国内外研究人员的广泛兴趣。此前人们采用这种方法已经 成功地制备出了厚膜GaN衬底R. J. Molnaretal. J. Cryst. Growth, V178, 147， 1997，但位错密度较高、发光特性较差、极易裂解等问题仍困扰着自 支撑衬底技术的发展，为此，人们进行了很多探索研究。其中包括典型的横向 外延过生长(EL0G)技术T. S. Zheleva et al. Appl. Phys. Lett. ， V78, 772， 2001，使缺陷密度降低了3 4个数量级，达到〈l(Tcm-2。日立公司采 用Void-AssistedS印aration (VAS)技术即在GaN template上形成多孔网状 的TiN薄膜Yuichi 0SHIMA et al. Jpn. J. Appl. Phys. V 42， Ll， 2003， 从而使得缺陷密度降低到5X106crrr2。此外还有很多降低位错密度的方法，都 是类似于ELOG技术，但大都需要光刻等工艺，过程复杂且成本较高，并且传 统的光刻方法很难制备获得纳米尺度的掩模结构，位错密度分布也很不均匀， 大大限制了外延层的有效应用率。因此，对于均匀分布的纳米级掩模的研究变得十分重要和迫切，而且在HVPE生长GaN厚膜中，利用Si02纳米粒子点阵 掩模来降低材料生长缺陷密度，是一种新颖且效果显著的方法。至今，稀有 报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用均匀纳米粒子点阵掩模提高厚膜GaN质 量的方法。其特征在于(1) 掩模为Si02纳米级粒子点阵；(2) Si02纳米粒子点阵是沉积在以A1203、 SiC、 Si或GaAs中任意一种衬底 上生长的GaN外延层模板上；(3) Si02纳米粒子点阵是利用电化学的方法腐蚀金属Al生成多孔状阳极 氧化铝(AAO)层，然后在孔中沉积一层SiO^而形成的。具体地说，在HVPE (氢化物气相外延)制备GaN厚膜之前，采用A1203、 SiC、 Si或GaAs中任一种衬底，利用HVPE、金属有机化学气相沉积(MOCVD) 或者分子束外延(MBE)方法生长一个0. 1 300微米的GaN外延层作为模板， 再电子束蒸发或溅射方法沉积一层金属铝(Al)薄层，厚度在50 nm l Mm 左右，之后将其室温下(18 — 25。C)置于草酸(0.3 mol/L)或硫酸(15 wt%) 溶液中进行电化学腐蚀，再放入25—40。C的磷酸(5 wt%)溶液中浸泡30 一40min就形成了规则的网状多孔阳极氧化铝薄膜，再利用电子束蒸发往孔 中注入一层介质Si02层，然后用酸溶液去除AA0，即可在GaN模板表面形成 均匀分布的Si02纳米量级粒子的点阵结构，所形成点阵结构的介质Si02的尺 度为5 — 100nm量级。用作外延生长中真正纳米级掩模。形成点阵结构的介质 还可Si0或SixNy，也为5 — 100nm的量级。然后将模板置于HVPE设备中生长 GaN厚膜，退火气体为N2、 H2或者两者混合气体。由于气相外延生长的选择 性，生长过程中，GaN将开始选择生长在Si02纳米粒子之间的GaN模板区域 内，而不会在Si02掩模上生长，然后经过横向外延生长过程连接成完整的 GaN膜，由此实现了 GaN材料的纳米尺度横向外延过生长。部分产生于GaN 模板的位错将直接受到Si02掩模的抑制，从而大大降低了外延厚膜GaN材料 的位错密度，从而提高了GaN膜的质量。而且由于Si02纳米粒子点阵在整个衬底上分布非常均匀，因此位错在HVPE生长的GaN外延层中分布也相当均匀，而不像传统的横向外延过生长那样，位错密度在部分区域非常大、部分区域非常小。所以本专利技术提供的制备方法也提高了厚膜GaN材料的可利用性，在 纳米粒子点阵掩膜上横向外延生长的方法是采用HVPE、 M0CVD或MBE中的任 意一种。本专利技术提供的方法简单易行，对于Si02蒸发设备要求也不高，适合 于科学实验和批量生产时采用。如上所述，本方法采用Si02纳米粒子点阵作为掩模横向外延过生长GaN 材料，其优点归纳如下1. 在AA0孔中蒸发Si02形成均匀分布的纳米粒子点阵结构，从而制成了GaN 外延生长的掩模，实现了横向外延过生长，因此减少了位错密度，提高 了晶体质量；2. 退火气氛所用的气体，不会引入杂质污染；3. AAO的制备要求不高，而且电化学腐蚀过程简单，容易实现量产；4. 形成的Si02纳米粒子点阵分布相当均匀，而且粒子的大小及间隔分布也 可随需要进行自由调节；5. Si(V性质非常稳定，不会引入杂质污染；6. 由于作为掩模的Si02纳米粒子点阵大小和间隔均匀，因此延伸到GaN外 延层中位错密度分布也较为均匀，这也大大提高了厚膜GaN的可利用性；7. 本专利技术所述的金属插入层沉积在Al203、 SiC、 Si或GaAs中任意一种的衬 底上生长的GaN外延层上，作为模板的GaN外延层生长方法可采用HVPE、 金属有机物气相外延(M0CVD)或分子束外延(MBE)等常用方法。附图说明图1本专利技术提供的方法制备的厚膜GaN的结构示意图。 图中，1. A1A衬底;2. GaN外延层;3. Si02纳米粒子点阵掩模;4. HVPE 生长的GaN厚膜。图2制备的样品A和常规方法制备样品B的(102)面x衍射图。具体实施例方式实施例1.用于HVPE制备厚膜GaN材料。如图1所示，采用M0CVD方法在A1A衬底(0001)面上生长大约3微米 GaN薄膜，将此薄膜作为HVPE模板，然后在200UC的温度下，采用电子束蒸 发的方法在模板表面沉积300 nm厚的金属Al薄层，再把带有Al层的模板放 入草酸溶液(O. 3 mol/L)，在室温下采用40伏的电压进行阳极氧化约15 min， 则金属Al被电化学腐蚀成规则分布的多孔AA0，然后再把模板置于30°C磷酸 溶液(5 wt%)中浸泡40 min，目的是扩大孔径并去除小孔底部与下层GaN 接触的那部分氧化铝，经清洗干净后往纳米孔中沉积5 nm厚的Si02，最后 在2096的盐酸溶液中浸泡60min，去除AA0层，即可在模板表面形成均匀分布 的Si02纳米粒子点阵结构，这些点阵将被当作厚膜GaN生长的掩模。然后将 模板放入HVPE反应室，在N2气氛升温至800。C，开始通朋3保护模板的GaN 层，105(TC时开始通HC1进行生长(图2A)。为了证明此方法的有效性，在HVPE 生长系统中本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用均匀纳米粒子点阵掩模提高厚膜ＧａＮ质量的方法，其特征在于： （１）以Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］、ＳｉＣ、Ｓｉ或者ＧａＡｓ为衬底，先在其上生长一层的ＧａＮ外延层作为模板； （２）在步骤１制备的ＧａＮ外延层的模板上，沉积一层金属Ａｌ薄层； （３）将模板采用电化学的方法把Ａｌ氧化为分布均匀的网状多孔阳极氧化铝； （４）将模板放入磷酸溶液中去除小孔底部与下层ＧａＮ接触的那部分氧化铝并改变孔的尺寸； （５）在阳极氧化铝孔中再注入一层介质层，所述的介质层为ＳｉＯ、ＳｉＯ↓［２］或Ｓｉ↓［ｘ］Ｎ↓［ｙ］； （６）接着用酸溶液去除多孔阳极氧化铝层，在ＧａＮ模板表面上形成均匀分布的纳米量级粒子的点阵结构； （７）利用ＳｉＯ↓［２］纳米级粒子点阵作为掩模，进行氢化物气相横向外延生长厚膜ＧａＮ。
【技术特征摘要】
1、一种利用均匀纳米粒子点阵掩模提高厚膜GaN质量的方法，其特征在于(1)以Al2O3、SiC、Si或者GaAs为衬底，先在其上生长一层的GaN外延层作为模板；(2)在步骤1制备的GaN外延层的模板上，沉积一层金属Al薄层；(3)将模板采用电化学的方法把Al氧化为分布均匀的网状多孔阳极氧化铝；(4)将模板放入磷酸溶液中去除小孔底部与下层GaN接触的那部分氧化铝并改变孔的尺寸；(5)在阳极氧化铝孔中再注入一层介质层，所述的介质层为SiO、SiO2或SixNy；(6)接着用酸溶液去除多孔阳极氧化铝层，在GaN模板表面上形成均匀分布的纳米量级粒子的点阵结构；(7)利用SiO2纳米级粒子点阵作为掩模，进行氢化物气相横向外延生长厚膜GaN。2、 按权利要求1所述的利用均匀纳米粒子点阵掩模提高厚膜GaN质量的 方法，其特征在于在A:U03、 SiC、 Si或者GaAs衬底上，生长作为模板的GaN 外延层是采用氢化物气相外延、金属有机化学气相沉积或分子束外延方法中 的任意一种。3、 按权利要求1或2所述的利用均匀纳米粒子点阵掩膜提高厚膜GaN 质量的方法，其特征在于作为模板的GaN外延层的厚度为l一300微米。4、 按权利要求1所述的利用均匀...
【专利技术属性】
技术研发人员：王新中，于广辉，林朝通，曹明霞，巩航，齐鸣，李爱珍，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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