在图形化蓝宝石衬底上生长氮化镓薄膜的方法

蓝宝石基氮化镓芯片制造工艺
蓝宝石基氮化镓芯片制造工艺是一种用于制造高性能电子器件的工艺流程。

以下是一般的蓝宝石基氮化镓芯片制造工艺的步骤：
1. 衬底制备：首先将蓝宝石晶体切成薄片作为衬底材料。

蓝宝石晶体具有良好的热导性和机械稳定性，适合用作高功率和高频率电子器件的衬底。

2. 衬底清洗：将蓝宝石衬底通过化学处理和物理处理等方法进行清洗，去除表面的污垢和杂质，保证材料的纯净度。

3. 氮化镓外延生长：采用化学气相沉积（CVD）技术，在蓝宝石衬底上生长氮化镓（GaN）薄膜。

CVD技术通过在反应室中使氮化镓的前体气体与衬底表面相互反应，使氮化镓沉积在衬底上。

生长过程需要严格控制温度、气氛和气体流量等参数。

4. 氮化镓薄膜整形：将生长的氮化镓薄膜进行打磨和抛光，使其表面平整，并去除不均匀的区域和缺陷。

5. 制作电极：在氮化镓薄膜上通过光刻和蒸发沉积等工艺制作电极，用于连接电子器件的输入输出。

6. 刻蚀工艺：采用化学蚀刻或离子束刻蚀等方法，去除不需要的氮化镓材料，形成芯片上的电子器件的结构。

7. 器件封装：将芯片表面进行封装，保护电子器件并提供外部电路的连接。

以上是简单介绍的蓝宝石基氮化镓芯片制造工艺的一般步骤，实际的制造工艺会有更多的细节和特殊要求，以满足不同电子器件的性能目标和应用需求。

・材料・基于图形衬底生长的G a N位错机制分析3江　洋33,罗　毅,薛小琳,汪　莱,李洪涛,席光义,赵　维,韩彦军(清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室,北京100084)摘要:采用缺陷选择性腐蚀法结合光学显微镜及原子力显微镜(AFM)对金属有机化合物气相外延(MOVPE)在蓝宝石图形衬底(PSS)上生长的非掺杂G aN体材料的位错产生机制进行了研究,分析结果表明,位错来源于三个方面:一是“二步法”生长机制引入的位错;二是是由于图形衬底上不同区域G aN晶体相互连接时由于晶面不连续所造成的位错群;三是由于图形衬底制作工艺过程中引入的表面污染与损伤。

关键词:G aN;金属有机气相外延;图形衬底;位错;缺陷选择性腐蚀中图分类号:TN303;TN304　文献标识码:A　文章编号:100520086(2008)0420478204Dislocation generation m ech anism analysis of G a N grow n on p atterned s apphire sub2strateJ IANG Y ang33,LUO Y i,XUE X iao2lin,W ANG Lai,LI Hong2tao,XI G uang2yi,ZHAO Wei,HAN Y an2jun(State K ey Lab on Integrated Optoelectronics,Department of E lectronic Engineering,T singhua University,Beijing100084,China)Abstract:The growth proccess of undoped G aN on patterned sapphire substrate(PSS)was achieved by metal organic vaporphase deposition(MOVPE).And the defect2selective etching method combined with optical microscope and atom ic force mi2croscope(AFM)was carried out to study the mechanism of dislocation generation of G aN on PSS.The results indicate thatthe dislocation is probably generated from three aspects:“two2step”growth process,the coalsence of G aN crystal from sepa2rate areas of PSS,and the substrate surface damage and contamination during PSS facturing.K ey w ords:G aN;MOCVD;patterned sapphire substrate;dislocation;defect2selective etching1　引　言 作为第三代半导体材料的代表,氮化镓材料具有禁带宽度大、耐高温等诸多优异性能。

高温预生长对图形化蓝宝石衬底GaN薄膜质量的提高黄华茂;杨光;王洪;章熙春;陈科;邵英华【摘要】在图形化蓝宝石衬底生长低温缓冲层之前,通入少量三甲基镓(TMGa)和大量氨气进行短时间的高温预生长,通过改变TMGa流量制备了4个蓝光LED样品.MOCVD外延生长时使用激光干涉仪实时监测薄膜反射率,外延片使用高分辨率X射线衍射(002)面和(102)面摇摆曲线估算位错密度,并使用光致发光谱表征发光性能,制备成芯片后测试了正向电压和输出光功率.结果表明,高温预生长可促进薄膜的横向外延,使得三维岛状GaN晶粒在较小的薄膜厚度内实现岛间合并,有利于降低位错密度,提高外延薄膜质量,LED芯片的输出光功率的增强幅度达29.1％,而电学性能无恶化迹象;但高温预生长工艺中TMGa的流量应适当控制,过量的TMGa导致GaN晶粒过大,将延长岛间合并时间,降低晶体质量.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2014(035)008【总页数】6页(P980-985)【关键词】LED;GaN;图形化蓝宝石衬底;高温预生长【作者】黄华茂;杨光;王洪;章熙春;陈科;邵英华【作者单位】华南理工大学理学院物理系广东省光电工程技术研究开发中心,广东广州510640;华南理工大学理学院物理系广东省光电工程技术研究开发中心,广东广州510640;华南理工大学理学院物理系广东省光电工程技术研究开发中心,广东广州510640;华南理工大学理学院物理系广东省光电工程技术研究开发中心,广东广州510640;鹤山丽得电子实业有限公司,广东鹤山529728;鹤山丽得电子实业有限公司,广东鹤山529728【正文语种】中文【中图分类】TN303;TN3041 引言第三代半导体材料氮化镓(GaN)具有直接带隙、禁带宽度宽、化学稳定性和热稳定性好等优点，在光电子和微电子领域有巨大的应用价值。

由于大尺寸GaN体材料生长困难，目前GaN基发光二极管(LED)绝大部分都是在蓝宝石、碳化硅和硅衬底上进行异质外延。

摘要第三代半导体材料GaN由于具有优良性质使其在微电子和光电子领域有广阔的应用前景，目前制备GaN的方法主要有分子束（MBE）、氯化物气相外延（HVPE）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）。

本文介绍了MOCVD法在蓝宝石衬底上外延生长GaN材料并利用其无掩模横向外延生长GaN 薄膜与同样生长条件下，在未经腐蚀预处理的蓝宝石衬底上外延的GaN 薄膜进行对比测试[1]。

测试分析结果表明，经过腐蚀预处理的GaN 衍射峰的半峰宽及强度、表面平整度、腐蚀坑密度都明显优于未经腐蚀预处理的GaN 薄膜，使原有生长条件下GaN薄膜位错密度下降50%。

并且通过Hal l 测试、x 射线双晶衍射结果、室温PL 谱测试[2]成功地制备出GaN单晶薄膜材料, 取得了GaN 材料的初步测试结果。

测试研究发现增加缓冲层厚度、多缓冲层结构可以有效地降低位错密度、提高薄膜质量，其中通过中温插入层结构实验获得了质量最好的GaN 外延层[3]。

关键字：GaN MOCVD 蓝宝石衬底预处理缓冲层外延生长STUDY OF EPITAXIAL LATERAL OVERGROWTH OF GALLIUM NITRIDE ON SAPPHIRE BYMOCVDByHaiqing JiangSupervisor: Prof.Xianying DaiABSTRACTGallium-nitride-semiconductor offers good potential value for application in a wide range of optical display, optical recording and illumination due to its excellent quality. At present, molecular beam epitaxity (MBE), Chloride vapor phase epitaxy (HVPE) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) are used to prepare GaN.This text introduces overgrowth of Gallium-nitride on sapphire by MOCVD and compares the result with that on non-corrode sapphire. The results proved that thinner full-width at half- maximum(FWHM)，higher intensity value of X-ray diffraction，smoother surface and lower density value of the etching pit were received using patterned substrate, which made sure that under the same growth process the density of the dislocations decreased 50%.After that, it also uses Hall Test, X-ray macle diffraction Test, and PL Spectrum Test under room temperature to check the GaN thin-film material. The results showed that multi-buffer-layer structure could decrease the density of the dislocations and improve the quality of the crystal structure. The GaN epilayer with Intermediate-Temperature insert layer had the best results of all the samples.KEY WORDS: GaN MOCVD surface pretreatment on sapphire substrate cushion epitaxial growth第一章绪论1.1GaN 材料的基本特性1.2现有的GaN 基化合物的制备技术1.3GaN 现有制备技术对比第二章 MOCVD 中影响成膜因素第三章蓝宝石衬底表面预处理3.1蓝宝石衬底与处理的原因3.2实验探究与结果分析第四章研究缓冲层结构及其改进4.1传统缓冲层及其局限4.2实验探究及其结果分析第五章GaN 薄膜的生长研究5.1GaN材料的生长5.2生长的GaN 材料的测试结果第六章结论致谢参考文献第一章绪论1.1GaN 材料的基本特性GaN 首先由Johnson 等人合成，合成反应发生在加热的Ga 和NH3 之间，600~900℃的温度范围，可生成白色、灰色或棕色粉末(是含有O 或未反应的Ga 所致)[4]。

LED蓝宝石图形化衬底制备工艺研讨摘要：随着社会经济的不断发展，能源的需求量不断增加，为了能够将有效降低能源的损耗，实现能源的可持续发展目标，我国对于节能环保事业的发展尤为的关注。

基于科学技术的发展，我国在照明领域开展的环保事业发展取得了一定的成就。

例如LED的研发和应用，其在使用的过程中不仅节能环保，同时也体积比较小，且功能时效时间比较长，与普通的照明源对比来讲更具有发展前景。

经过技术研发人员的不懈努力，找到了一种能够有效提升LED出光率的新技术，即通过蓝宝石图形化衬底实现LED高出光率的目标，为LED广泛应用于多个领域地奠定了坚实的基础。

本文通过对蓝宝石图形化衬底提升LED出光率的机理、表面微结构对LED发光率的影响进行了分析，并探讨了LED蓝宝石图形化衬底的制作过程。

关键词：LED；蓝宝石图形衬底；制备工艺引言：随着物质生活水平的提升，社会群众对于环保节能产业的发展也越发地关注，只有合理控制能源的消耗，才能够有效地提升能源和生态环境可持续发展的潜力。

环保节能在各行各业的发展中都是非常重要战略目标。

在照明领域最显著的发展便是LED的发展与应用，因为其具备良好的性能，尤其在环保节能方面表现出来的优势得到了社会群众的认可，所以被推广到很多的领域的实际应用当中，例如用于一般的照明、LCD背光源等。

随着蓝宝石图形化衬底制备工艺的不断发展，让LED制备白光逐渐成了现实，对于LED的进一步推广和应用有着非常显著的作用。

值得一提的是，LED虽然作为一种特别的固态光源与当前的社会环境倡导节能减排的理念具有极高的契合度，但是在LED实际的发展与应用中还是存在着一些问题，只有技术研发人员加强对LED的创新和优化，才能够为LED的广泛应用，在照明领域代替当前的所使用的传统光源。

为环保节能社会的建设提供良好的支持。

1.LED蓝宝石图形化衬底提高GaN基LED出光率的作用机理1.1降低GaN外延层位错密度在LED衬底材料中蓝宝石所具备的机械性能、可靠性以及易控制特性远超过其他的衬底材料，如单晶硅、单晶碳化硅等。

华中科技大学硕士学位论文蓝宝石衬底上高质量AlN材料生长研究姓名：冯超申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：陈长清2011-01-04华中科技大学硕士学位论文摘 要Ⅲ族氮化物以其优异的特性得到广泛关注，AlGaN体系材料对应发光波长在210-340nm，适合可应用于白光照明、生化检测、消毒净化等领域的紫外发光器件，成为目前研究的热点。

而AlGaN材料，由于体单晶的缺失，一般采用AlN作为生长模板。

因此，要得到适用制作器件的高质量AlGaN材料，制备高质量AlN材料成为必须要首先解决的难题。

AlN薄膜异质外延，常采用SiC、Si或蓝宝石作为衬底材料。

而AlN与这些材料不匹配，晶体质量很差。

本文围绕高质量AlN材料的生长展开，采用两步法生长，主要研究缓冲层生长参数对外延层的影响。

首先详细阐述MOCVD生长原理，本实验所用的表征设备HR-XRD、AFM等及数据处理方法。

根据AlN材料的特性，分析衬底选择、表面预处理、反应腔压力、V/III比等对AlN生长影响，确定相关生长参数。

然后探讨缓冲层生长温度对外延层结晶质量和表面形貌的影响。

在600℃~870℃区间内选取不同温度生长6个样品，而保持其他生长参数不变。

用透射谱、AFM、HR-XRD等检测，发现在690℃~780℃时表面出现原子级台阶，尤其在780℃，晶体质量比较好。

温度较低，位错密度大；温度较高，表面粗糙，出现许多小坑。

进一步改变缓冲层生长时间，来研究缓冲层厚度的作用。

生长3个样品，生长时间为4.4分钟时，样品(0002)面FWHM为116arcsec，(1012)面FWHM为1471arcsec，并且表面出现原子级台阶。

而外延层较薄较厚，表面均未出现台阶，晶体质量和表面形貌均很差。

根据这两组实验结果，分析缓冲层对外延层的作用机理。

最后在前面实验较好的生长模板上，采用连续方式生长一层高温AlN。

通过两组实验，在不同生长温度下，改变TMAl和NH3流量、V/III比等来初步探讨连续生长方式对AlN质量的影响。

说明书摘要本发明公开一种大尺寸晶圆尺度纳米级图形化蓝宝石衬底的装置和方法。

该装置包括：承载晶圆的工作台，涂铺有抗蚀剂的整片晶圆或者衬底，滚轮型压印模具，紫外光光源，压印机构。

基于该装置采用滚对平面纳米压印工艺实现晶圆级纳米图形化蓝宝石衬底的方法：（1）沉积硬掩模层和旋涂纳米压印用抗蚀剂；（2）采用滚对平面纳米压印工艺和装置图形化抗蚀剂；（3）抗蚀剂图形转移到硬掩模层和蓝宝石衬底；（4）去除抗蚀剂和硬掩模层，并清洗图形化后的蓝宝石衬底。

本发明还可用于碳化硅、硅、砷化镓、氮化镓等其它材料衬底的图形化制造，以及太阳能电池、燃料电池双极板、微光学透镜、微流控器件等微纳结构的制造。

具有结构简单、成本低、生产率高、压印面积大、适合规模化制造的特点。

摘要附图3 101 102 2024 203 1201 2 5 703 702 701 704权利要求书1. 一种大尺寸晶圆级滚对平面纳米压印的装置，其特征是，它包括：承载晶圆的工作台，涂铺有抗蚀剂的整片晶圆或者衬底，滚轮型压印模具，紫外光光源，压印机构。

滚轮型压印模具固定于压印机构的底部；涂铺有抗蚀剂的整片晶圆或者衬底置于晶圆工作台真空吸盘之上；紫外光光源置于滚轮型压印模具已经完成压印结构的一侧，垂直于晶圆或者衬底的正上方。

2. 如权利要求1所述的大尺寸晶圆级滚对平面纳米压印的装置，其特征是，所述模具为圆柱滚轮型结构，特征图形位于圆柱结构的外表面。

材料为金属镍、铜、Cr、PDMS、PET、钢中的一种。

滚压印模具的制造方法为激光刻蚀、电化学、化学刻蚀、飞秒激光加工的一种或者几种的组合。

3. 如权利要求1所述的大尺寸晶圆级滚对平面纳米压印的装置，其特征是，在压印过程中，所述滚轮型压印模具与承载晶圆的工作台运动方向保持一致，并且承载晶圆工作台的运动速度v与滚轮型压印模具的转速n保持如下关系：n=1000v/πd；其中d为滚轮型压印模具的直径；n、v和d的单位分别为：r/min；m/min；mm。

2013年4月（上）[参考文献][1]X.A.Cao,J.A.Teetsov,F.Shahedipour-Sandvik et al.Microstructural origin of leakage currentinGaN/InGaNlightemittingdiodes[J].J.Cryst.Growth,2004.[2]LiuHai-Ping,ChenIn-Gann,TsayJenq-Dar,etal.Influenceofgrowthtemperature on surfacemorphologiesofGaN crystalsgrown on dot-patterned substrate byhydride vaporphaseepitaxy.JournalofElectroceramics,2004.[3]Wang Woei-Kai,Wuu Dong-Sing,Lin Shu-Hei,et al.Efficiency improvement of near-ultraviolet InGaN LEDs using patterned sapphire substrates.IEEE Journal of QuantumElectronics,2005.[4]汪明刚,杨威风,胡冬冬等.图形化蓝宝石衬底技术综述[J].激光与光电子学进展,2012.[5]T.Kim,A.J.DannerandK.D.Choquette.Enhancement in externalquantum efficiency ofbluefight-emittingdiodebyphotoniccrystalsurfacegrating.ElectronicsLetters,2005.[6]殷子豪.纳米结构光子晶体提高LED出光效率的研究[硕士学位论文].上海:上海交通大学,2007.[7]Su Y K,Chen J J,Lin C L,et al.Pattern-size dependence of characteristics of nitride-basedLEDsgrown on patternedsapphiresubstrates.JournalofCrystalGrowth, 2009.当今节能减排已成为世界经济发展的主题。

蓝宝石衬底氮化镓的激光剥离技术与湿法剥离技术
蓝宝石衬底氮化镓的激光剥离技术（laser lift-off technique）是一种在蓝宝石衬底和氮化镓薄膜之间使用激光进行剥离的技术。

该技术通过控制激光的能量和照射时间，将激光能量传输给蓝宝石衬底和氮化镓薄膜之间的界面，使其发生热应力，从而导致蓝宝石衬底和氮化镓薄膜之间的剥离。

激光剥离技术具有高效、无损、高精度等特点，可以实现对氮化镓薄膜的快速剥离，且剥离过程中对氮化镓薄膜的损伤很小。

同时，这种技术也可以避免使用化学剥离剂和机械力剥离对材料造成的损伤，保证了氮化镓薄膜的完整性和质量。

湿法剥离技术（wet etching technique）是另一种常用的剥离技术。

湿法剥离技术通过使用化学剥离剂，将蓝宝石衬底和氮化镓薄膜之间的界面加以处理，使其发生化学反应，从而实现对蓝宝石衬底和氮化镓薄膜的剥离。

湿法剥离技术具有简单、成本低、适用范围广等优点，但它也存在一些缺点，如会对氮化镓薄膜产生一定的损伤，剥离过程需要较长的时间，且需要严格控制剥离剂的浓度和处理时间等因素，以避免对材料的过度损伤。

总的来说，蓝宝石衬底氮化镓的激光剥离技术具有更好的剥离效果和更小的材料损伤，适用于高要求的应用场景，而湿法剥离技术更适用于简单、成本低的应用场景。

蓝宝石衬底氮化镓的激光剥离技术与湿法剥离技术一、引言随着科技的不断发展，半导体材料的研究与应用越来越受到关注。

蓝宝石衬底氮化镓（GaN-on-sapphire）作为一种具有高硬度、高热导率、高电子迁移率等优异特性的半导体材料，在LED、激光、射频等领域具有广泛的应用前景。

然而，如何实现高效、低成本的氮化镓薄膜剥离成为产业界的一大挑战。

本文将对蓝宝石衬底氮化镓的激光剥离技术与湿法剥离技术进行详细介绍，以期为相关领域的研究与发展提供参考。

二、蓝宝石衬底氮化镓概述1.材料特性氮化镓具有良好的半导体性能，其带隙宽度可调，具有较高的击穿电压、热稳定性和化学稳定性。

蓝宝石衬底氮化镓具有以下优点：（1）良好的晶体结构；（2）较高的热导率，有利于热管理；（3）较低的杂质扩散速率，有利于器件性能的提高；（4）与硅衬底相比，蓝宝石衬底具有较高的硬度，有利于薄膜的耐磨性。

2.应用领域蓝宝石衬底氮化镓广泛应用于高亮度LED、激光器、射频器件、功率电子器件等领域。

随着市场需求的增长，研究蓝宝石衬底氮化镓的剥离技术具有重要意义。

三、激光剥离技术原理1.激光剥离技术简介激光剥离技术是一种利用高能激光束对薄膜进行局部照射，使其产生热应力而实现薄膜与衬底分离的方法。

该方法具有剥离速度快、剥离效果好、无污染等优点。

2.激光剥离过程激光剥离过程主要包括以下几个步骤：（1）预处理：对薄膜表面进行清洗、抛光等处理，以提高激光剥离效果；（2）激光剥离：采用高能激光束对薄膜进行局部照射，使其产生热应力，从而实现薄膜与衬底分离；（3）冷却：激光剥离后，及时对薄膜进行冷却，以减小薄膜残余应力，提高剥离质量。

四、湿法剥离技术原理1.湿法剥离技术简介湿法剥离技术是一种利用化学溶液对薄膜进行腐蚀，使其与衬底分离的方法。

该方法具有操作简便、成本低廉、环保等优点。

2.湿法剥离过程湿法剥离过程主要包括以下几个步骤：（1）预处理：对薄膜表面进行清洗、抛光等处理，以提高湿法剥离效果；（2）化学腐蚀：采用特定的化学溶液对薄膜进行腐蚀，使其与衬底分离；（3）冲洗：将腐蚀后的薄膜进行冲洗，去除残留的化学溶液；（4）干燥：冲洗后的薄膜进行干燥处理，以备后续应用。

氮化镓功率器件工艺技术氮化镓功率器件是一种新型的高性能功率器件，因其具有高工作频率、高功率密度、高工作温度和高阻断电压等优点，被广泛应用于射频功率放大器、通信、雷达、太阳能电池等领域。

氮化镓功率器件的工艺技术对其性能的提升起着至关重要的作用。

首先，氮化镓功率器件的制备过程包括外延生长、晶圆切割、制备电极、沉积介质和后处理等步骤。

外延生长是制备氮化镓薄膜的关键步骤，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，通过在蓝宝石衬底上沉积氮化镓材料，使其在高温条件下生长出均匀、晶型良好的氮化镓薄膜。

晶圆切割是为了得到器件所需的尺寸，通常采用离子束切割或钻石切割工艺。

制备电极是为了提供电流和电压的输入和输出，通常利用金属化工艺在器件表面沉积金属电极，如铝、铜等。

沉积介质是为了改善器件的电特性，通常选择合适的介质材料，如氧化铝、氮化硅等，通过溅射、化学气相沉积等技术将其沉积在氮化镓薄膜上。

后处理包括退火、化学处理等步骤，通过调整工艺条件，优化器件性能。

其次，氮化镓功率器件的工艺技术在不断进步和创新。

一方面，工艺技术的改进可以提高器件的性能。

例如，通过引入杂质掺杂、优化薄膜厚度和晶格匹配等手段，可以提升器件的电阻特性、电流承载能力和开关速度等。

另一方面，工艺技术的创新可以拓展器件的应用领域。

例如，采用三维结构设计和制备技术，可以实现更高的功率密度和更低的电阻，广泛应用于新能源领域。

最后，氮化镓功率器件的制备工艺还存在一些挑战和问题。

一方面，外延生长技术需要克服晶体缺陷和杂质掺入等问题，以提高氮化镓薄膜的质量。

另一方面，制备电极和沉积介质的工艺技术需要进一步改进，以提高器件的稳定性和可靠性。

综上所述，氮化镓功率器件的工艺技术对其性能的提升至关重要。

随着工艺技术的不断改进和创新，氮化镓功率器件的性能将得到进一步提升，广泛应用于各个领域。

同时，我们也期待能够克服当前的制备工艺挑战和问题，推动氮化镓功率器件的发展进程。

一种外延生长高质量G a N 薄膜的新方法3彭冬生1)2)3)　冯玉春3)　王文欣3)　刘晓峰3)　施　炜3)　牛憨笨31)(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安　710068)2)(中国科学院研究生院,北京　100049)3)(深圳大学光电子学研究所,深圳　518060)(2006年1月19日收到;2006年2月21日收到修改稿) 采用化学方法腐蚀c 2面蓝宝石衬底,以形成一定的图案;利用LP 2M OC VD 在经过表面处理的蓝宝石衬底上以及常规c 2面蓝宝石衬底上外延生长G aN 薄膜.采用高分辨率双晶X 射线衍射(DCXRD )、三维视频光学显微镜(OM )、扫描电子显微镜(SE M )和原子力显微镜(AF M )进行分析,结果表明,在经过表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜明显优于在常规蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜,其(0002)面上的XRD FWH M 为208180弧秒,(1012)面上的为320176弧秒.同时,此方法也克服了传统横向外延生长技术(LE O )工艺复杂和晶向倾斜高的缺点.关键词:表面处理,M OC VD ,横向外延生长,G aN 薄膜PACC :7280E ,68553广东省自然科学基金(批准号:04300863),广东省关键领域重点突破项目(批准号:2B2003A107),深圳市科技计划项目(批准号:200515)资助的课题.E -mail :H BNiu @11引　言以G aN 为代表的宽禁带直接带隙半导体材料是近年来国际上备受重视的新型半导体材料,其优异的物理、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[1—3].但由于G aN 本身物理性质的限制,G aN 体单晶的生长具有很大的困难,尚未实用化,所以,外延G aN 都是在异质衬底上进行.蓝宝石是外延G aN 薄膜最为普遍的一种衬底材料,但由于它和六方G aN 外延层有很大的晶格失配(16%),热膨胀系数也有较大差异,在外延生长时会产生大量的晶体缺陷[4].为了降低G aN 的晶体缺陷,采取了很多方法,其中最有效的方法就是采用横向外延(lateral 2epitaxial 2overgrown ,LE O )技术,位错密度可以降低几个数量级[5,6].但由于传统的横向外延生长技术都采用了掩膜版,不仅使得横向外延工艺复杂,而且掩膜区外延薄膜和底下的掩膜版之间的相互作用,使得横向外延生长的掩膜区薄膜会发生向下的晶向倾斜以及在掩膜区边界处会产生一些小角度晶界[7,8].为了克服传统横向外延生长存在的问题,现采用一种新型的、简便的无掩膜横向外延技术,并结合M OC VD 薄膜生长技术,在蓝宝石衬底上生长高质量、低位错密度G aN 薄膜.21实验本文外延生长所用的设备是Thomas S wan 3×2″的LP 2M OC VD ,该设备为垂直式,即气流与衬底片平面垂直.实验所用的衬底为c 2面的蓝宝石.针对蓝宝石衬底上传统横向外延生长G aN 薄膜存在的问题,采用化学方法处理蓝宝石衬底表面,以形成一定的图案,然后再在此一定图案的蓝宝石基底上外延生长G aN 薄膜.即采用熔融的K OH 溶液,在250—350℃的温度下,用钢丝绳将2″蓝宝石衬底的一半左右浸入腐蚀液中,腐蚀30—60min ,以形成一定的图案,这样一片蓝宝石衬底形成两个区域,即腐蚀区域和未腐蚀区域;然后,将腐蚀好的蓝宝石衬底用去离子水冲洗干净,然后用丙酮超声3—5min ,以去除衬底上的有机物,再用去离子水冲洗干净;甩干.以三甲基镓(T MG a )为G a 源,高纯NH 3为氮第55卷第7期2006年7月100023290Π2006Π55(07)Π3606205物　理　学　报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.55,N o.7,July ,2006ν2006Chin.Phys.S oc.图3　蓝宝石衬底腐蚀前、后的DCXRD 摇摆曲线　(a )为腐蚀前;(b )为腐蚀后源,H 2为载气.将处理好的蓝宝石衬底放入M OC VD 反应腔内,然后,在NH 3气氛下,将反应室温度升到1000℃,对衬底进行氮化处理,以清洁蓝宝石表面;在氮化处理之后,将温度降低到525℃生长约25nm 的G aN 缓冲层,再升温至1060℃,沉积10min 左右高温G aN 薄膜,然后将ⅤΠⅢ比由2500增加到5000,以提高横Π纵向生长速率比,使其横向生长出平整的、高质量的G aN 薄膜;总外延层厚度约为3μm ,整个生长过程,反映室压力始终保持在133×100Pa ,降温过程为台阶梯度式慢降温.采用高分辨率双晶X 射线衍射仪(DCXRD )分析G aN 的结晶质量,三维视频光学显微镜(OM )、扫描电子显微镜(SE M )和原子力显微镜(AFM )分析表面形貌.DCXRD 设备为PHI LIPS 公司PW3040Π00,该设备采用Cu 2K α1旋转辐射靶源(λ=0115405nm ),G e (004)为单色仪,Si (220)作为分析晶体;OM 是日本HIROX C O 1LT D 公司MX 22005C ;SE M 是日本J E O L 公司JS M 25910LV ;AFM 是日本Seiko Instruments Inc.公司SPA300H V 2AFM.3.测试结果及讨论 用熔融的K OH 腐蚀蓝宝石时,由于蓝宝石衬底本身具有一定的缺陷,在缺陷集中的位置,腐蚀速度较快,这样蓝宝石衬底就在缺陷集中的位置形成一定的腐蚀坑,也就形成了一定图案的蓝宝石衬底,如图1所示.由于观察效果的关系,图1中这些腐蚀坑像是凸起,而实际上为凹坑,为了进一步验证,用AFM 观察这些腐蚀坑的形貌,如图2所示,从图2中可明显地看出是凹坑.图1　表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底形貌图图2　蓝宝石表面的腐蚀坑形貌图采用X 射线双晶衍射仪的三轴晶系统测试化学腐蚀前、后蓝宝石衬底,从三轴晶系统的扫描曲线中均可得到清晰的Al 2O 3(0006)衍射峰,图3为化学腐蚀前、后蓝宝石衬底的(0006)DCXRD 摇摆曲线.70637期彭冬生等:一种外延生长高质量G aN 薄膜的新方法3X 射线双晶衍射的半峰宽值(FWH M )和晶体的完整性直接相关,数值越小,表明衬底表面的晶格的完整性越高.因而双晶衍射摇摆曲线可以充分反映出衬底表面的质量.图3中显示,蓝宝石衬底在腐蚀前、后的FWH M 分别为10144弧秒和11152弧秒,其FWH M 相差不大,这表明化学腐蚀对蓝宝石衬底的表面质量影响不大.X 射线衍射公式即简化布拉格方程为2d sin θ=λ,(1)对于Al 2O 3(0006)面,其d =c Π6,代入(1)式得c =3λΠsin θ,(2)其中λ为X 射线波长,d 为衍射面间距,c 为蓝宝石衬底c 方向晶格常数.图3中显示,蓝宝石衬底在腐蚀前、后的衍射峰位置为20179°和20197°,将其代入(2)式得c 方向的晶格常数为113016nm 和112909nm ,而无应力体材料蓝宝石c 方向的晶格常数为113000nm ,这表明,蓝宝石衬底在腐蚀前几乎无残余应力,而经过化学腐蚀之后,衬底表面在垂直方向上表现出一定的压应力.在蓝宝石衬底的腐蚀区域和未腐蚀区域生长的G aN 薄膜,样品表面均为镜面,在腐蚀区域外延生长的G aN 薄膜,记为样品A ,在未腐蚀区域外延生长的G aN 薄膜,记为样品B .采用X 射线双晶衍射仪的三轴晶系统测试样品A 和样品B ,从三轴晶系统的扫描曲线中均可得到清晰的G aN (0002)和(1012)衍射峰,图4为样品A 和B 的(0002)和(1012)DCXRD 摇摆曲线.G aN (0002)和G aN (1012)的FWH M 大小分别表征了G aN 薄膜的螺位错和刃位错密度的大小.图4中显示,样品A 在(0002)和(1012)的FWH M 分别为208180弧秒和320176弧秒;样品B 在(0002)和(1012)的FWH M 分别为281116弧秒和467164弧秒.可以看出,在(0002)面和(1012)面,样品A 的FWH M 均比样品B 的低,即对蓝宝石衬底进行表面处理可以大大降低G aN 薄膜外延位错密度.图4　样品A ,B 的DCXRD 摇摆曲线　(a )为(0002);(b )为(1012) 图5为样品A ,B 的SE M 图像,从图中可以看出:样品A ,B 表面均匀致密、无凹坑、无裂纹,表明样品A ,B 结晶质量良好,同时,也说明样品A 在横向外延生长过程中,两翼在腐蚀坑处实现了翼合,形成了平整的G aN 薄膜.图6为样品A ,B 的AFM 图像,图形尺寸为5μm ×5μm.样品A 的均方根粗糙度(RMS )为012863nm ;样品B 的RMS 为013251nm.表明在经过表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底上生长的G aN薄膜的表面平整度也优于在常规蓝宝石衬底上生长的G aN 薄膜.由于样品A ,B 的外延生长条件完全相同,只是样品A 是在对蓝宝石衬底进行化学腐蚀,以形成一定图案的基础上,外延生长的G aN 薄膜;而样品B 是在常规蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜.从上述测试结果表明:样品A 的位错密度以及表面平整度均优于样品B .分析认为,这是因为对蓝宝石进行化学腐蚀,形成了一定腐蚀坑,而这些腐蚀坑的位置8063物 理 学 报55卷图5　样品A ,B 的SE M 图像　(a )样品A ;(b )样品B图6　样品A ,B 的AFM 图像　(a )样品A ;(b )样品B是缺陷集中的位置,这样在随后的外延生长过程中,在这些位置处不容易形核,即在沉积缓冲层低温G aN 薄膜时,首先在没有腐蚀坑的位置形核,形成一定的籽晶,然后再沉积高温G aN 薄膜,通过增大ⅤΠⅢ比,使其横向生长速度大于纵向生长速度,发生横向生长.当横向生长达到一定程度后,便会使两翼在腐蚀坑处聚合,得到全覆盖的G aN 外延层.由于在没有腐蚀坑处,本身不是缺陷集中的位置,同时在随后的横向外延生长过程中,其部分线位错弯曲90°,使其不能到达薄膜表面,这样可以大大降低位错密度;而且腐蚀坑的中空结构可以释放应力,提高外延层的质量.41结论本文是在通过化学方法腐蚀蓝宝石衬底,以形成一定的图案,然后在此一定图案的蓝宝石衬底上外延生长高质量的G aN 薄膜.采用DCXRD ,OM ,SE M 和AFM 分析经过表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜和在常规蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜的结晶质量和表面形貌.分析结果表明,在经过表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜明显优于在常规蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜.得到在经过表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜(0002)面上XRD 的FWH M 为208180弧秒,(1012)面上XRD 的FWH M 为320176弧秒;在5μm ×5μm 尺寸内,其均方根粗糙度(RMS )为012863nm.采用化学方法腐蚀蓝宝石衬底,以形成一定图案,提供横向外延基底,通过横向外延生长,使两翼在腐蚀坑处聚合生长,这样可以大大降低位错密度,同时腐蚀坑的中空结构可以释放应力,提高外延层质量.此方法工艺简单、而且没有采用掩膜版,这样可以克服传统横向外延技术工艺复杂和晶向倾斜高的缺点.90637期彭冬生等:一种外延生长高质量G aN 薄膜的新方法3[1]Nakamura S,Senoh M,I wasa N,Nagahama S1995Jap.J.Appli.Phys.34L797[2]Fu Y,Sun Y P,Shen X M2002Chin.J.Semi.23120[3]Figge S,Bottcher T,E in feldt S2000J.Crystal Growth221262—266[4]K apolnek D,Wu X H,Heying B,K eller S,K eller B P,M ishra,UK,DenBaars S P,S peck J S1995Appl.Phys.Lett.671541 [5]K ato Y,K itamura S,H iramatsu K,Sawaki N1994J.CrystalGrowth144133[6]M archand H,Ibbets on J P,K oz odoy P,K eller S,S peck J S,M ishra U K1998MRS Internet Journal Nitride SemiconductorResearch31[7]Feng G,Zheng X H,Fu Y,Zhu J J,Shen X M,Zhang B S,ZhaoD G,W ang Y T,Y ang H,Liang J W2002J.Crystal Growth240368[8]Chen W M,M cNally P J,Jacobs K,Tuomi T,Danilewsky A N,Z ytkiewicz Z R,Lowney D,K anatharanaa J,K nuuttila L,RiikonenJ2002J.Crystal Growth24394A new method to grow high quality GaN film by MOCVD3Peng D ong2Sheng1)2)3)　Feng Y u2Chun3)　W ang W en2X in3)　Liu X iao2Feng3)　Shi W ei3)　Niu Han2Ben3)1)(Xi’an Institute o f Optics and precision Mechanics,Chinese Academy o f Sciences,Xi’an　710068,China)2)(G raduate School o f Chinese Academy o f Sciences,Beijing　100049,China)3)(Institute o f Optoelectronics,Shenzhen Univer sity,Shenzhen　518060,China)(Received19January2006;revised manuscript received21February2006)AbstractPatterned c2plane sapphire substrate is prepared by chem ical etching.G aN films are grown by LP-M OC VD on surface treated sapphire substrate and comm on c2plane sapphire substrate.The structure and properties of the G aN films are analyzed by high2resolution double crystal X2ray diffraction(DCXRD),scanning electron m icroscope(SE M)and atom ic force m icroscope (AFM).The results indicate that the quality of G aN film grown on sapphire substrate prepared by surface treatment is superior to that grown on comm on c2plane sapphire substrate.H igh2resolution double crystal X2ray diffraction shows that for the G aN grown on surface treated sapphire substrate,the(0002)and(1012)reflections have full2width at half2maximum as low as208180arcsec and320176acrsec,respectively.The shortcom ings of procedure com plexity and high crystallographic tilt in conventional lateral epitaxial overgrowth are overcome by using the new method.K eyw ords:surface treated,M OC VD,lateral epitaxial overgrown(LE O),G aN filmPACC:7280E,68553Projected supported by Natural Science F oundation of G uangdong Province,China(G rant N o.04300863),the K ey Field K ey Breakthrough Program ofG uangdong Province,China(G rant N o.2B2003A107)and the Science and T echnology Plan Program of Shenzhen City,China(G rant N o.200515).C orresponding author.E2mail:H BNiu@0163物 理 学 报55卷。