使用化學(xué)剝離方法的iii族氮化物基板的制備方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】使用化學(xué)剝離方法的m族氮化物基板的制備方法
[0001] 本申請(qǐng)要求2010年11月8日提交的韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10-2010-0110517的優(yōu)先權(quán);本申 請(qǐng)是申請(qǐng)日為2011年11月4日、發(fā)明名稱(chēng)為"使用化學(xué)剝離方法的虹族氮化物基板的制備方 法"的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 201180047509.6的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及一種虹族氮化物基板的制備方法。更具體地，本發(fā)明設(shè)及一種使用化 學(xué)剝離（chemimal lift off:化0)方法來(lái)制備非極性(non-poIar)或半極性（semi-polar) 虹族氮化物基板的方法。
【背景技術(shù)】
[0003] L抓作為半導(dǎo)體發(fā)光元件受到廣泛關(guān)注，其利用化合物半導(dǎo)體的特性被應(yīng)用在背 景光光源、表示光源、普通光源和全彩顯示屏等中。作為運(yùn)種L邸材料，已知的具代表性的材 料有GaN(氮化嫁，Gallium 化tride)、A1N(氮化侶，Aluminum 化tride)、InN(氮化銅Indium Ni hide)等虹-V族氮化物半導(dǎo)體，上述材料因直接具有過(guò)渡型的大的能帶隙(band gap)， 因此具有適合于光電子裝置的特性，例如根據(jù)氮化物組成的不同，幾乎可W獲得全波長(zhǎng)區(qū) 域的光。因此，利用運(yùn)種材料的發(fā)光元件可W應(yīng)用于平板顯示裝置、光通信等多種領(lǐng)域中。
[0004] 運(yùn)種裝置通常在基板上通過(guò)分子束外延(M肥）、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD， metalorganic chemical vapor deposition)、氨化物氣相夕t'延（HVPE，hydride vapor phase巧itaxy)等生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)為薄膜形態(tài)。
[0005] 但是，WGaN為代表的虹族氮化物為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體通常使用C-面（C-Plane)基板 (例如，藍(lán)寶石基板)在(OOOl)面上制備元件結(jié)構(gòu)，在運(yùn)種情況下，向生長(zhǎng)方向（OOOl)將形成 自發(fā)極化（spontaneous polarization)。特別地，具有InGaN/GaN代表性量子阱結(jié)構(gòu)的LED 在(OOOl)面上生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的情況下，在量子阱結(jié)構(gòu)中會(huì)發(fā)生因晶格失配等引起的內(nèi)部應(yīng)變 (strain)，由此會(huì)產(chǎn)生壓電電場(chǎng)(piezoelectric fields)，從而引起量子束縛斯塔克效應(yīng) (quantum-confined Stark effect;QCSE)，因此在提高內(nèi)部量子效率方面存在限制。
[0006] 對(duì)運(yùn)種現(xiàn)象具體說(shuō)明如下，虹族氮化物，特別是GaN及其合金(例如，InN和/或AlN 的合金)在六角纖鋒礦結(jié)構(gòu)化exagonal W化tzite structure)中最為穩(wěn)定，上述結(jié)晶結(jié)構(gòu) 的結(jié)晶互相W 120°旋轉(zhuǎn)，對(duì)于C-軸表示為均垂直的2或3個(gè)均等的基面軸（basal plane 日xes) O
[0007] 根據(jù)上述纖鋒礦結(jié)晶結(jié)構(gòu)內(nèi)的m族元素及氮原子位置，在與C-軸垂直放置的任意 的面中，只含有一種類(lèi)型的原子。隨著向C-軸進(jìn)行，每個(gè)面只可W含有一種類(lèi)型的原子（虹 族元素或氮）。此時(shí)，為了維持電荷中性，例如，對(duì)于GaN結(jié)晶，只含有氮原子的N-面(N-^ce) 和只含有Ga原子的Ga-面(Ga-face)將位于各自的末端。其結(jié)果，虹族氮化物結(jié)晶將隨C-軸 表現(xiàn)出極性。運(yùn)種自發(fā)極化作為體積物理性質(zhì)，依賴(lài)于結(jié)晶的結(jié)構(gòu)及組成。由于上述特性， 大部分的GaN系裝置向平行于極性C-軸的方向生長(zhǎng)。此外，在形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)時(shí)，將產(chǎn)生m 族氮化物間的大的晶格常數(shù)的差異及由于具有相同C軸取向的特性而引起的應(yīng)力，也會(huì)同 時(shí)引起壓電極化(piezoelectric polarization)現(xiàn)象。
[0008] 如此地，在m族氮化物類(lèi)光電子及電子元件內(nèi)通常的C-面量子阱結(jié)構(gòu)中，由壓電 極化和自發(fā)極化現(xiàn)象產(chǎn)生的靜電場(chǎng)（e 1 eCtroStat i C f i e 1 d)使量子阱結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)改 變，從而使電子和空穴的分布發(fā)生扭曲，將運(yùn)種由電場(chǎng)導(dǎo)致的電子和空穴的空間分離稱(chēng)為 量子子束縛斯塔克效應(yīng)，運(yùn)將降低內(nèi)部量子效率，并誘發(fā)發(fā)光光譜的紅移現(xiàn)象等。
[0009] 為了緩解上述問(wèn)題，提出了例如使非極性或半極性m族氮化物生長(zhǎng)的方案。由于 按照上述方案得到的非極性或半極性面含有相同個(gè)數(shù)的m族原子及氮原子，因此表現(xiàn)出電 荷中性，其結(jié)果為整體結(jié)晶不向生長(zhǎng)方向分極。但是，在異種基板上生長(zhǎng)的非極性m族氮化 物結(jié)晶表現(xiàn)出高缺陷密度，運(yùn)將導(dǎo)致量子效率降低的問(wèn)題。
[0010] 此外，最近為了實(shí)現(xiàn)均相外延特性，人們?cè)谠噲D制備m族氮化物基板，在藍(lán)寶石基 板等異種基板上使厚膜的虹族氮化物層得到生長(zhǎng)后，通過(guò)激光剝離（laser lift off;化0) 方法，從異種基板上分離出生長(zhǎng)的虹族氮化物層，并用作基板。
[0011] 使用運(yùn)種激光剝離方式的原因在于，沿C-軸方向生長(zhǎng)的通常的氮化物層的表面表 現(xiàn)出Ga-極性，因此實(shí)質(zhì)上難W實(shí)現(xiàn)濕式蝕刻。但是，由于激光剝離方式需要昂貴的費(fèi)用，且 較為復(fù)雜，因此更優(yōu)選化學(xué)剝離方式。
[0012] 除此之外，即使能夠制備用于非極性或半極性基板的m族氮化物層，也不易用化 學(xué)剝離方式將其分離，其原因在于，化學(xué)蝕刻過(guò)程中，對(duì)將被用作基板的虹族氮化物層也會(huì) 造成損傷。特別是對(duì)適合商用的具有2英寸W上直徑的基板進(jìn)行分離的過(guò)程中，運(yùn)種問(wèn)題更 加突出。
[0013] 由此，需要一種在利用化學(xué)剝離方法的同時(shí)，能夠緩解極性導(dǎo)致的問(wèn)題的非極性 或半極性m族氮化物基板，特別是需要一種制備半極性虹族氮化物基板的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0015] 本發(fā)明提供一種高品質(zhì)的非極性或半極性m族氮化物基板的制備方法，其不僅能 夠緩解使用極性氮化物引起的問(wèn)題，而且可W減少缺陷。
[0016] 特別地，本發(fā)明的目的在于，提供一種通過(guò)化學(xué)剝離方式來(lái)制備非極性或半極性 m族氮化物基板的制備方法。
[0017]技術(shù)方案
[0018] 作為本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種虹族氮化物基板的制備方法，其特征在于，其包 括W下步驟:a)在提供非極性或半極性外延生長(zhǎng)層生長(zhǎng)表面的基板上形成第一 m族氮化物 層;b)通過(guò)橫向生長(zhǎng)（lateral growth)方式，在所述第一虹族氮化物層上形成內(nèi)部形成有1 或2個(gè)W上空穴的第二m族氮化物層；C)在所述第二m族氮化物層上形成第=虹族氮化物 層;及d)對(duì)所述第二m族氮化物層的至少一部分厚度實(shí)施化學(xué)蝕刻，得到分離的第族 氮化物層;且所述空穴(cavity)里面的至少一個(gè)區(qū)域表現(xiàn)出N-極性。
[0019] 作為本發(fā)明的第二方面，提供一種虹族氮化物基板的制備方法，其特征在于，其包 括W下步驟：
[0020] a)實(shí)施各向異性蝕刻(anisotropic etching)，W使得在娃(Si)基板上提供非極 性或半極性外延生長(zhǎng)層的生長(zhǎng)表面;b)在上述蝕刻的娃基板上形成1或2個(gè)W上的空穴，并 使虹族氮化物層生長(zhǎng);C)在上述步驟b)中生長(zhǎng)的虹族氮化物層上，形成虹族氮化物層;及d) 對(duì)上述步驟b)中生長(zhǎng)的虹族氮化物層的至少一部分厚度實(shí)施化學(xué)蝕刻，從而分離上述步驟 C)中形成的m族氮化物層;上述非極性或半極性外延生長(zhǎng)層的生長(zhǎng)表面具有（111)小平面 (facet)，并且上述空穴里面的至少一個(gè)區(qū)域表現(xiàn)出N-極性。
[0021] 此外，作為本發(fā)明的第=方面，提供一種根據(jù)上述兩種方法中的任意一種方法制 備的基板及利用該基板制備的電子(或光電子)元件。此時(shí)，上述電子元件可W例舉出發(fā)光 二極管(LED )、激光二極管(LD )、晶體管等。
[0022] 有益效果
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的具體例制備的m族氮化物基板作為非極性或半極性基板，能夠緩解 極性氮化物具有的技術(shù)限制，特別是具有能夠用化學(xué)剝離方式制備的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1(a)是表示GaN結(jié)晶結(jié)構(gòu)的非極性面(a-面(a-plane)及m-面(m-plane))的附 圖；
[0025] 圖1(b)是表示在GaN結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的半極性面(semi-polar plane)的附圖；
[00%]圖2是表示在本發(fā)明的一個(gè)具體例中，在基板上形成第一虹族氮化物層(鑄型）的 圖。
[0027] 圖3是表示在本發(fā)明的一個(gè)具體例中，在第一 m族氮化物層上形成屏蔽圖案(條紋 圖案)過(guò)程的截面的圖；
[0028] 圖4是表示在本發(fā)明的一個(gè)具體例中，通過(guò)橫向生長(zhǎng)(或過(guò)生長(zhǎng))方式，在第一虹族 氮化物層上形成再生長(zhǎng)的第二m族氮化物層的截面的圖；
[0029] 圖5是表示在本發(fā)明的一個(gè)具體例中，在第二虹族氮化物層上形成第=虹族氮化 物層的截面的圖；
[0030] 圖6是表示在本發(fā)明的一個(gè)具體例中，對(duì)位于下側(cè)的第二m族氮化物層實(shí)施化學(xué) 蝕刻，從而分離第立虹族氮化物層（用于基板)的過(guò)程的截面的概略圖；
[0031] 圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體例，在娃基板上形成空穴，并形成非極性或半極 性m族氮化物層，W此為鑄型，在上側(cè)形成厚膜的非極性或半極性m族氮化物層的狀態(tài)的 截面的概略圖；
[0032] 圖8是表示對(duì)根據(jù)上述具體例得到的第=虹族氮化物層進(jìn)行分離，從而應(yīng)用在LED 元件基板的例子的附圖。
[0033] 圖9是表示在本發(fā)明的實(shí)施例1中，橫向生長(zhǎng)的第二GaN層(樣品1)截面的沈M照片；
[0034] 圖10是表示在本發(fā)明的實(shí)施例1中，橫向生長(zhǎng)的第二GaN層(樣品2)截面的SEM照 片；
[0035] 圖11是表示在本發(fā)明的實(shí)施例1中，在第一 GaN層上，在不具有屏蔽圖案的情況下， 再生長(zhǎng)的第二GaN層(樣品3)截面的沈M照片；
[0036] 圖12是表示在本發(fā)明的實(shí)施例1中，橫向生長(zhǎng)的第二GaN層(樣品4)截面的SEM照 片；
[0037] 圖13是表示在本發(fā)明的實(shí)施例1中，在樣品2上，通過(guò)HV陽(yáng)形成厚膜的第ミGaN層截 面的沈M照片;及
[0038] 圖14(a)~圖14(c)是分別表示在本發(fā)明的實(shí)施例1中，將作為蝕刻液的烙融KOH的 溫度維持在550°C下，實(shí)施60秒的化學(xué)蝕刻時(shí)，根據(jù)所述蝕刻時(shí)間的第二GaN層變化的SEM照 片。
[0039] 附圖標(biāo)記說(shuō)明
[0040] 101:基板
[0041] 102:第一虹族氮化物層
[0042] 103:屏蔽用絕緣體層
[0043] 103'：屏蔽圖案層<