无掩膜横向外延生长高质量氮化镓制造技术

无掩膜横向外延生长高质量氮化镓薄膜的方法，先在蓝宝石衬底上沉积ＳｉＯ↓［２］、Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］、Ｗ等薄膜制成掩膜区，利用离子束，光刻，电子束曝光方法在掩膜区蚀刻出图形窗口，蓝宝石图形表面蚀刻至粗糙或者被蚀刻深度８０ｎｍ－２μｍ，然后将掩膜用腐蚀的方法去除，即可得到图形蓝宝石衬底，用ＭＯＣＶＤ或ＨＶＰＥ方法外延生长ＧａＮ，直至蚀刻区被ＧａＮ铺满，继续生长可以得到低位错密度氮化镓薄膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用无掩膜横向外延技术和氢化物气相外延(HVPE)等薄膜技术在图形蓝宝石衬底生长高质量氮化镓(GaN)薄膜的方法和技术，用于生长低位错密度GaN薄膜。
技术介绍
III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料，其1.9-6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能使其成为短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备的最优选材料。由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。早期人们主要采用氢化物气相外延(HVPE)方法在蓝宝石衬底上直接生长GaN，再加以分离，获得GaN衬底材料。此法的突出缺点是GaN外延层中位错密度很高，一般达109-1010cm-2左右。目前降低位错密度的关键技术是采用横向外延(Epitaxial-Lateral-Overgrown，ELO)的方法。采用横向外延技术可大幅度降低外延层中的位错密度，并改善外延层质量。位错密度可以降低4～5个量级。通常的GaN横向外延技术是指在已经获得的GaN平面材料上淀积掩蔽材料(如SiO2、Si3N4、W等)并刻出特定的图形窗口，再在其上进行GaN的二次外延，能够显著降低位错密度。在本专利技术中，我们采用的是无掩膜横向外延方法结合HVPE薄膜生长技术在图形蓝宝石衬底上生长低位错密度GaN薄膜。
技术实现思路
本专利技术目的是采用无掩膜横向外延方法结合MOCVD或HVPE薄膜生长技术在图形蓝宝石衬底上生长低位错密度GaN薄膜。本专利技术的技术解决方案首先，在蓝宝石衬底上沉积SiO2、Si3N4、W等薄膜，利用离子束，光刻，电子束曝光等方法蚀刻出一定的图形(如长条状、六方形等)，蓝宝石衬底也被刻蚀一定的深度或者仅仅被蚀刻至图形表面粗糙；然后将掩膜去除掉，用MOCVD或HVPE方法外延生长，得到GaN薄膜。这样制备的GaN薄膜位错密度较低，质量很高。本专利技术的机理和技术特点是在通常的GaN横向外延技术中，由于选择外延，只在GaN窗口部分GaN才能外延生长，而SiO2等掩模层部分难以成核。当GaN窗口区中外延出的GaN超过掩模层厚度时，与竖直方向生长的同时，发生横向生长。当横向生长达到一定程度后便能得到全履盖的GaN外延层。这种生长因为符合“准自由”生长条件，且生长方向垂直于原GaN位错的攀移方向，因而有很高的质量，位错密度远比直接生长较低。HVPE生长速率很快，可达几十甚至几百μm/小时。由于在远离界面处位错密度会降低，所以在横向外延薄膜上HVPE厚膜外延，可得到位错密度更低的GaN薄膜。在无掩膜横向外延中，衬底上被刻蚀的部分不易成核。而在其余部分，GaN在纵向生长的同时，也进行横向生长。当横向生长达到一定程度后GaN外延层便覆盖了全部的蓝宝石衬底表面。与有掩膜的横向外延原理相似，这种无掩膜外延生长同样符合“准自由”生长条件，且生长方向垂直于原GaN位错的攀移方向，因而也具有很高的质量。在生长条件1050℃，[NH3]∶[HCl]＝60∶1时横向外延和HVPE技术生长的GaN薄膜表面SEM形貌图。附图说明图1无掩膜横向外延GaN示意图(图形有一定深度)。从下往上，首先蓝宝石衬底上刻蚀出图形，深度80nm-2μm；然后开始外延，横向外延，直至GaN覆盖住衬底表面。另一种情况是图形部分被蚀刻粗糙，无需有一定的深度。图2横向外延和HVPE技术生长的GaN薄膜AFM表面形貌图。生长条件1100℃，[NH3]∶[HCl]＝60∶1。具体实施例方式本专利技术采用的横向外延生长技术，包括下面几步1、在蓝宝石衬底上淀积SiO2、Si3N4、W等薄膜作掩模层，厚度为80-100nm。2、用光刻方法刻蚀掩模层获得一定的图形，掩摸区一般都大于窗口区。图形形状主要有平行长条状和正六方形。对于平行长条状，掩摸区宽度2-200μm，窗口区宽度0.2-20μm。3、将有掩膜的蓝宝石衬底刻蚀，即窗口区(无掩膜区)处蓝宝石衬底被刻蚀，深度80nm-2μm。4、用腐蚀等方法将掩膜去除，即可得到表面有刻蚀图形或者条纹的图形蓝宝石衬底。腐蚀方法采用化学腐蚀的方法，酸或采用离子束等常用方法。5、在不同的生长条件下，在上述图形蓝宝石衬底上MOCVD或者HVPE外延GaN薄膜。如控制V价N原子与III价Ga原子比(20～100∶1)，生长温度(1000～1100℃)，窗口和掩膜区的选择比等。用MOCVD进行横向外延及厚膜生长的时间远比HVPE长。可以先用常规MOCVD生长GaN，当薄膜长满整个掩模层后，再采用常规HVPE生长技术进行快速生长获得厚膜。MOCVD或者HVPE的方法为现有技术，MOCVD原料气采用金属有机物和氨气，HVPE原料采用金属镓、氨气和氯化氢等。利用上述方法得到的GaN薄膜，位错密度可以大大的降低。6、采用两次或者多次的横向外延技术，位错密度有望降低到102-104/cm2的量级。本文档来自技高网...

【技术保护点】
无掩膜横向外延生长高质量氮化镓薄膜的方法，其特征是先在蓝宝石衬底上沉积ＳｉＯ↓［２］、Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］、Ｗ等薄膜制成掩膜区，利用离子束，光刻，电子束曝光方法在掩膜区蚀刻出图形窗口，蓝宝石图形表面蚀刻至粗糙或者被蚀刻深度８０ｎｍ－２μｍ，然后将掩膜用腐蚀的方法去除，即可得到图形蓝宝石衬底，用ＭＯＣＶＤ或ＨＶＰＥ方法外延生长ＧａＮ，直至蚀刻区被ＧａＮ铺满，继续生长可以得到低位错密度氮化镓薄膜。

【技术特征摘要】
1.无掩膜横向外延生长高质量氮化镓薄膜的方法，其特征是先在蓝宝石衬底上沉积SiO2、Si3N4、W等薄膜制成掩膜区，利用离子束，光刻，电子束曝光方法在掩膜区蚀刻出图形窗口，蓝宝石图形表面蚀刻至粗糙或者被蚀刻深度80nm-2μm，然后将掩膜用腐蚀的方法去除，即可得到图形蓝宝石衬底，用MOCVD或HVPE方法外延生长GaN，直至蚀刻区被GaN铺满，继续生长可以得到低位错密度氮化镓薄膜。2.如权利要求1所述的无掩膜横向外延生...

【专利技术属性】
技术研发人员：修向前，张荣，陈琳，谢自力，顾书林，施毅，韩平，沈波，江若琏，朱顺明，胡立群，郑有炓，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]