專利名稱：氮化鎵襯底材料制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光領(lǐng)域，特別是涉及一種氮化鎵襯底材料制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管由于具有壽命長(zhǎng)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于各種領(lǐng)域，尤其隨著其照明性能指標(biāo)日益大幅提高，發(fā)光二極管在照明領(lǐng)域常用作發(fā)光裝置。其中，以氮化鎵(GaN)為代表的III-V族化合物半導(dǎo)體由于具有帶隙寬、發(fā)光效率高、電子飽和漂移速度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，在高亮度光電子器件領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，引起了人們的廣泛關(guān)注。請(qǐng)參閱圖1，圖1是一種現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)光二極管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。所述發(fā)光二極管包括襯底11、緩沖層(buffer layer) 12、N型接觸層(N contact layer) 13、N型覆蓋層(N active layer) 14、有源層(light emitting layers) 15>P MSimM (P active layer) 16、 P型接觸層(P contact layer) 17、與所述P型接觸層17連接的正電極18以及與所述N型接觸層13連接的負(fù)電極19。所述發(fā)光二極管是雙異質(zhì)(Double Heterogeneous,DH)結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其中雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括N型覆蓋層14、有源層15和P型覆蓋層16。所述有源層15為所述發(fā)光二極管的發(fā)光層。所述N型覆蓋層14為N型摻雜氮化鎵層，所述P型覆蓋層16為P型摻雜氮化鎵層。類似的，美國(guó)專利US 5777350也公布了一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。然而，由于氮化鎵體單晶很難獲得，所以，目前氮化鎵材料的生長(zhǎng)主要通過(guò)在藍(lán)寶石(Sapphire，Al2O3)襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延的手段獲得，最主要的外延生長(zhǎng)技術(shù)有金屬氧化物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)以及鹵化物氣相外延(HVPE)等。但是，由于藍(lán)寶石襯底與氮化鎵外延層存在很大的晶格失配(lattice mismatch)和熱脹失配，所以不可避免地會(huì)在氮化鎵外延層中引入大量的位錯(cuò)(dislocation)，降低了器件的內(nèi)量子效率。因此，有必要提供一種氮化鎵襯底材料制造方法，以形成高質(zhì)量的氮化鎵襯底材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種氮化鎵襯底材料制造方法，以形成缺陷少、高質(zhì)量的氮化鎵襯底材料。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種氮化鎵襯底材料制造方法，包括提供一襯底；在所述襯底上形成圖形化的掩膜層，并以所述圖形化的掩膜層為掩模，刻蝕所述襯底， 使所述襯底表面形成多個(gè)凹槽；形成緩沖層，所述緩沖層覆蓋所述襯底具有凹槽一側(cè)的表面，使得所述溝槽內(nèi)的緩沖層中形成有空洞；在所述緩沖層上形成氮化鎵層；去除所述襯底和緩沖層。可選的，在所述的氮化鎵襯底材料制造方法，所述凹槽的高寬比大于或等于 1.2 I0所述凹槽的高度為1 3μπι，所述凹槽的寬度為1 2μπι，所述凹槽的長(zhǎng)度為 1 ΙΟμπι。所述凹槽的密度大于或等于108/Cm2。
可選的，在所述的氮化鎵襯底材料制造方法，所述襯底的材質(zhì)為藍(lán)寶石、碳化硅、 硅、氧化鋅、砷化鎵或尖晶石?？蛇x的，在所述的氮化鎵襯底材料制造方法，刻蝕所述襯底形成凹槽的步驟中，刻蝕氣體為三氯化硼和氯的混合物，腔室氣壓為10 30毫托，底板功率為200 400瓦，線圈功率為100 200瓦。可選的，在所述的氮化鎵襯底材料制造方法，利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積的方式在所述緩沖層上形成氮化鎵層?？蛇x的，在所述的氮化鎵襯底材料制造方法，所述金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積工藝的溫度為800 1400°C，腔室壓力為400 760torr?？蛇x的，在所述氮化鎵襯底材料制造方法，氮化鎵層的厚度為100 μ m 10cm。可選的，在所述的氮化鎵襯底材料制造方法，去除所述襯底和緩沖層的步驟包括 利用激光剝離或濕法刻蝕的方式去除襯底和部分緩沖層；以及利用研磨的方式去除剩余的緩沖層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在襯底鄰近所述緩沖層的一側(cè)表面形成有多個(gè)凹槽，在所述襯底上形成緩沖層時(shí)，使得所述溝槽內(nèi)的緩沖層中形成有空洞，后續(xù)形成的氮化鎵層中的位錯(cuò)被吸收(dislocation trapping)，從而降低了氮化鎵層的位錯(cuò)密度(dislocation density)，釋放了氮化鎵層中的應(yīng)力，由此可形成缺陷較少、高質(zhì)量的氮化鎵層。


圖1是一種現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)光二極管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的氮化鎵襯底材料制造方法的流程圖。圖3到圖8是本發(fā)明的氮化鎵襯底材料制造方法的各步驟示意圖。圖9是本發(fā)明的凹槽的俯視圖。圖10是本發(fā)明的氮化鎵襯底材料制造方法形成空洞步驟的放大示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的核心思想在于，提供一種氮化鎵襯底材料制造方法，通過(guò)在襯底鄰近所述緩沖層的一側(cè)表面形成多個(gè)凹槽，在所述襯底上形成緩沖層時(shí)，可使得所述溝槽內(nèi)的緩沖層中形成有空洞，由于所述空洞的存在，后續(xù)形成的氮化鎵層中的位錯(cuò)被吸收，從而降低了氮化鎵層的位錯(cuò)密度，釋放了氮化鎵層中的應(yīng)力，由此可形成缺陷較少的氮化鎵層。請(qǐng)參閱圖2，其為本發(fā)明的氮化鎵襯底材料制造方法的流程圖。所述氮化鎵襯底材料制造方法包括以下步驟步驟SlO 提供一襯底；步驟S20 在所述襯底上形成圖形化的掩膜層，并以所述圖形化的掩膜層為掩模， 刻蝕所述襯底，使所述襯底表面形成多個(gè)凹槽；步驟S30 形成緩沖層，所述緩沖層覆蓋所述襯底具有凹槽一側(cè)的表面，使得所述溝槽內(nèi)的緩沖層中形成有空洞；步驟S40 在所述緩沖層上形成氮化鎵層；步驟S50 去除所述襯底和緩沖層。
下面結(jié)合圖3到圖8，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的氮化鎵襯底材料制造方法。如圖3所示，首先，提供一襯底100。所述襯底100的材料可以為藍(lán)寶石、碳化硅 (SiC)、硅、氧化鋅(ZnO)、砷化鎵(GaAs)、尖晶石(MgAL2O4)，以及晶格常數(shù)接近氮化物半導(dǎo)體的單晶氮化物。優(yōu)選的，所述襯底為藍(lán)寶石襯底或者硅襯底。如圖4所示，接著，在所述襯底100上形成圖形化的掩膜層100a，所述圖形化的掩膜層IOOa例如為圖形化的光刻膠層，可利用曝光顯影等現(xiàn)有技術(shù)圖形化光刻膠層形成，在此不再贅述。 如圖5所示，然后，以所述圖形化的掩膜層IOOa為掩模，刻蝕所述襯底100，在所述襯底100的表面形成多個(gè)凹槽101。在刻蝕過(guò)程中，刻蝕氣體例如為三氯化硼(BCl3)和氯 (Cl2)的混合物，Cl2的流量為10 100SCCm，BCl3的流量為5 50sCCm，腔室氣壓為10到 30毫托，底板功率為200到400瓦，線圈功率為100到200瓦。當(dāng)然，上述數(shù)值僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用于限定本發(fā)明。優(yōu)選地，如圖5和圖9所示，所述凹槽101的高寬比大于或等于1.2 1，所述凹槽101的高度H為1 3μπι，所述凹槽101的寬度W為1 2μπι，所述凹槽101的長(zhǎng)度L 為1 10 μ m。所述凹槽101的密度大于或等于108/Cm2，每個(gè)凹槽101內(nèi)可形成有一個(gè)空洞111，相應(yīng)的，空洞111的密度也大于或等于108/em2，外延層線性位錯(cuò)的密度至少可以降低至IOVem2以下。如圖6所示，在所述襯底100上形成凹槽101之后，在所述襯底100具有凹槽101 的一側(cè)表面形成緩沖層110，所述緩沖層110可以采用現(xiàn)有技術(shù)的制造方法形成，如采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積的方法形成。當(dāng)所述襯底100為藍(lán)寶石襯底時(shí)，所述緩沖層110 為低溫條件下生長(zhǎng)的氮化鎵層；當(dāng)所述襯底100為硅襯底時(shí)，所述緩沖層110為氮化鋁層。 結(jié)合圖10所示，由于沉積工藝的特性所致，在形成所述緩沖層110的過(guò)程中，凹槽中心位置無(wú)法完全填充到(凹槽側(cè)壁附近相對(duì)容易覆蓋上緩沖層)，隨著緩沖層的逐步沉積，其中心形成了空洞而頂部逐漸趨于平緩，直至最終形成了頂部平滑而中心位置具有空洞的緩沖層。優(yōu)選地，所述襯底上方的緩沖層的厚度T為2 5 μ m。如圖7所示，形成所述緩沖層110之后，在所述緩沖層110上形成氮化鎵層120。由于所述空洞111的存在，外延層線性位錯(cuò)被終止于這些空洞，氮化鎵層120中的位錯(cuò)被吸收 (dislocation trapping)，從而降低了氮化鎵層 120 的位錯(cuò)密度(dislocation density), 釋放了氮化鎵層120中的應(yīng)力，由此可形成缺陷較少的氮化鎵層。在本實(shí)施例中，可利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方式在緩沖層 110上形成氮化鎵層120。其中，所述MOCVD工藝可采用較高的溫度以及較低的腔室壓力， 以加快MOCVD工藝的沉積速率，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。例如，所述MOCVD工藝的溫度為800 1400°C，腔室壓力為400 760torr，沉積速率可大于lOym/hour。優(yōu)選地，所述氮化鎵層 120的厚度為100 μ m 10cm。如圖8所示，在在所述緩沖層110上形成氮化鎵層120之后，可直接去除所述襯底 100和緩沖層110，而僅保留缺陷少、高質(zhì)量的氮化鎵層120。所述氮化鎵層120可用作襯底材料，用于制造發(fā)光二極管等器件。本實(shí)施例中，去除步驟可分兩步進(jìn)行首先，可利用激光剝離(laser lift-off) 或濕法刻蝕的方式去除襯底100和部分緩沖層，所述激光剝離工藝聚焦到某一界面，利用高溫將聚焦處的材料融化，從而將襯底和部分緩沖層剝離掉，所述濕法刻蝕工藝采用的刻蝕液體為硫酸和磷酸混合液；接著，可利用研磨的方式去除剩余的緩沖層，從而僅僅保留了缺陷少、高質(zhì)量的氮化鎵層。與現(xiàn)有技術(shù)的方法相比，本發(fā)明通過(guò)在襯底鄰近所述緩沖層的一側(cè)表面形成多個(gè)凹槽，在所述襯底上形成緩沖層時(shí)，可使得所述溝槽內(nèi)的緩沖層中形成有空洞，由于所述空洞的存在，外延層線性位錯(cuò)被終止于這些空洞，后續(xù)形成的氮化鎵層中的位錯(cuò)被吸收，從而降低了氮化鎵層的位錯(cuò)密度，釋放了氮化鎵層中的應(yīng)力，由此可形成缺陷較少的氮化鎵層。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下還可以構(gòu)成許多有很大差別的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明并不限于在說(shuō)明書中所述的具體實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵襯底材料制造方法，其特征在于，包括提供一襯底；在所述襯底上形成圖形化的掩膜層，并以所述圖形化的掩膜層為掩模，刻蝕所述襯底， 使所述襯底表面形成多個(gè)凹槽；形成緩沖層，所述緩沖層覆蓋所述襯底具有凹槽一側(cè)的表面，使得所述溝槽內(nèi)的緩沖層中形成有空洞；在所述緩沖層上形成氮化鎵層；去除所述襯底和緩沖層。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵襯底材料制造方法，其特征在于，所述凹槽的高寬比大于或等于1. 2 1。
3.如權(quán)利要求2所述的氮化鎵襯底材料制造方法，其特征在于，所述凹槽的高度為1 3 μ m,所述凹槽的寬度為1 2 μ m，所述凹槽的長(zhǎng)度為1 10 μ m。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的氮化鎵襯底材料制造方法，其特征在于，所述凹槽的密度大于或等于107cm2。
5.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵襯底材料制造方法，其特征在于，所述襯底的材質(zhì)為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、砷化鎵或尖晶石。
6.如權(quán)利要求1或5所述的氮化鎵襯底材料制造方法，其特征在于，刻蝕所述襯底形成凹槽的步驟中，刻蝕氣體為三氯化硼和氯的混合物，腔室氣壓為10 30毫托，底板功率為 200 400瓦，線圈功率為100 200瓦。
7.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵襯底材料制造方法，其特征在于，利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積的方式在所述緩沖層上形成氮化鎵層。
8.如權(quán)利要求7所述的氮化鎵襯底材料制造方法，其特征在于，所述金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積工藝的溫度為800 1400°C，腔室壓力為400 760torr。
9.如權(quán)利要求7或8所述的氮化鎵襯底材料制造方法，其特征在于，所述氮化鎵層的厚度為 ΙΟΟμ10cm。
10.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵襯底材料制造方法，其特征在于，去除所述襯底和緩沖層的步驟包括利用激光剝離或濕法刻蝕的方式去除襯底和部分緩沖層；以及利用研磨的方式去除剩余的緩沖層。
11.如權(quán)利要求10所述的氮化鎵襯底材料制造方法，其特征在于，所述濕法刻蝕工藝采用的刻蝕液體為硫酸和磷酸的混合液。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種氮化鎵襯底材料制造方法，包括提供一襯底；在所述襯底上形成圖形化的掩膜層，并以所述圖形化的掩膜層為掩模，刻蝕所述襯底，使所述襯底表面形成多個(gè)凹槽；形成緩沖層，所述緩沖層覆蓋所述襯底具有凹槽一側(cè)的表面，使得所述溝槽內(nèi)的緩沖層中形成有空洞；在所述緩沖層上形成氮化鎵層；去除所述襯底和緩沖層。由于所述空洞的存在，從而降低了氮化鎵層的位錯(cuò)密度，釋放了氮化鎵層中的應(yīng)力，由此可形成缺陷較少的氮化鎵層。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102280533SQ20111017102
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者張汝京 申請(qǐng)人:西安神光安瑞光電科技有限公司