基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制作方法

專利名稱：基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導材料生長領域，尤其涉及一種基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底 模板的制備方法。
背景技術：
以III-V族氮化鎵(GaN)材料為代表的氮化物化合物半導體材料廣泛應用于紫發 光二極管、紫光激光器、紫外光探測器、以及高功率高頻電子器件。由于缺乏合適的襯底材 料，目前高質量的GaN基材料外延都是生長在藍寶石、SiC以及Si等異質襯底上。但是，異 質襯底和GaN基材料之間存在較大的晶格失配和熱膨脹系數失配。這將造成在利用金屬有 機物化學氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相外延(HVPE)或分子束外延(MBE)等外延技術生長 的GaN基材料外延層中，存在較大的應力和晶體缺陷密度，使得材料的晶體質量變差。特別 是對在Si襯底上的生長的GaN基材料，隨著外延層厚度的增加，其外延層表面會出現了裂 紋，嚴重影響材料質量，降低器件性能。為了緩解甚至解決晶格以及熱失配帶來的問題，從而生長出高質量的氮化物外延 層，有研究組采用圖形襯底作為氮化物外延二次生長的基體。采用圖形襯底可以較好地緩 解襯底和氮化物外延生長中產生的應力，降低了龜裂的密度。同時也能降低氮化物外延中 的缺陷密度，提高外延材料的晶體質量。圖形襯底的原理是通過外延在模板表面的橫向過 生長(ELO)來減少位錯以及釋放應力。相對于二維生長，該生長方式的優點是具有三維的 應力釋放機制，有利于獲得低缺陷密度以及低應力的外延層。目前，襯底的圖形化大多是采用傳統的光刻方法實現的，其圖形尺寸會受到光刻 設備和材料的精密程度的限制，圖形尺寸一般在微米級之間。圖形尺寸更小襯底的制備通 常是采用電子束光刻或者X射線光刻技術，但是這些先進的光刻技術設備昂貴、工藝復雜， 不僅成本較高，而且產率也較低。因此提供一種工藝簡單，成本較低，圖形凹坑大小及間距可控的微米級半導體襯 底圖形制備方法是一個需要解決的技術問題。

發明內容
本發明解決的技術問題是提供一種工藝簡單，成本較低，圖形凹坑大小及間距可 控的微米級半導體襯底圖形制備方法。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是一種基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制備方法，其特征在于包括以下步 驟步驟1 在襯底上生長一層用于氮化物外延生長的GaN基模板；步驟2 在該GaN基模板上沉積鋁層；步驟3 在鋁層表面鋪設微球，形成單分子層結構的微球層；步驟4:在襯底上進行金屬蒸鍍，蒸鍍的金屬通過微球之間的空隙沉積到鋁層的表面；步驟5 通過超聲震動去除單分子層結構的微球層，得到圖形化的金屬層；步驟6 利用該金屬層作為掩膜，通過化學腐蝕或等離子干法刻蝕，在鋁層表面刻 蝕出凹坑；步驟7 去除金屬層，并對鋁層通過陽極氧化形成多孔網狀氧化鋁層；步驟8 利用氧化鋁層作為掩膜，通過刻蝕方式將氧化鋁層上的圖形轉移到GaN基 模板上；步驟9 最后去除多孔氧化鋁層，得到GaN基材料圖形襯底模板。作為本發明的改進之一在步驟3中，先準備微球溶液，所采用的微球為聚苯乙烯 微球、或二氧化硅、或環氧丙脂微球。作為本發明的改進之二 在步驟3中，所述微球溶液為聚苯乙烯微球與乙醇混合 配制成混合溶液；并通過旋涂法或提拉法將微球鋪設在GaN基模表面。作為本發明的改進之三在步驟2中，所述鋁層是通過電子束蒸發、熱蒸發或濺射 方法制備的；在步驟4中，所述的金屬為金、鎳、鉻、錫，通過電子束蒸發、熱蒸發或濺射方法 進行金屬蒸鍍；在步驟6中，用稀硫酸在鋁層表面刻蝕出凹坑。 作為本發明的改進之四在步驟9中，通過NaOH溶液去除氧化鋁膜去除氧化鋁層。作為本發明的改進之五在步驟7中，用濃硫酸去除金屬層，然后將鋁層置于磷 酸、硫酸或草酸溶液中進行陽極氧化。作為本發明的改進之六在步驟8中，氧化鋁的圖形轉移到所述襯底是通過化學 濕法腐蝕、干法誘導耦合等離子刻蝕或干法反應離子刻蝕的方法來實現的。作為本發明的改進之七在步驟1中，所述襯底為藍寶石、硅、碳化硅、碳化硅/硅 或砷化鎵；所述GaN基模板的生長方法為金屬有機化學氣相沉積法、分子束外延法或氫化 物氣相外延法。作為本發明的改進之八在步驟1中，所述的GaN基膜板采用的材料為GaN、 AlxGa1-A A1N、InN、InxGa1^xN 或 AlxInyGa1TyN0與現有技術相比，本發明的有益效果是1、在對金屬鋁層進行陽極氧化之前，利用微球在其表面制備較為有序的淺凹坑。 淺凹坑的尺寸可以根據微球的大小、溶液的配比以及旋涂或提拉的速度來加以控制和改 變。在淺凹坑的誘導下，陽極氧化形成的氧化鋁層的孔洞結構的有序性提高；2、微球溶液的制備以及旋涂和提拉工藝簡單，速度快，而且成本較低，適合規模化 的生產；3、陽極氧化鋁的制備工藝簡單，容易實現大規模的制作和量產，成本較低。而且 多孔網狀氧化鋁的孔間距可以根據淺凹坑的間距，陽極氧化電壓以及電解液加以控制和改變。總而言之，本發明利用微球作為掩膜對陽極氧化鋁作預成型的處理，制備出較為 有序的多孔氧化鋁膜，然后將該圖形轉移到GaN基模板表面，是一種低成本，并且具備規模 化潛力的技術。利用該方法制備的圖形化模板，有利于外延二次生長時的橫向過生長，因此 降低了外延的位錯密度，提高了外延層的厚度同時避免了龜裂的出現，提高了晶體質量。


圖1是本發明實施方式步驟1的示意圖；圖2是本發明實施方式步驟2的示意圖；圖3是本發明實施方式步驟3的示意圖；圖4是本發明實施方式步驟4的示意圖；圖5是本發明實施方式步驟5的示意圖；圖6是本發明實施方式步驟6的示意圖；圖7是本發明實施方式步驟8的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明。本發明的基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制作方法包括以下步驟步驟(1)利用MOCVD的方法在藍寶石襯底1上生長厚度為2微米的GaN薄膜作 為氮化物生長的GaN模板2。然后在該GaN模板2表面沉積一層厚度為4微米的鋁薄層3， 如圖1。步驟(2):將聚苯乙烯微球與乙醇混合配制成混合溶液，并將混合溶液旋涂在鋁 薄層3表面，形成微球層4。聚苯乙烯小球聚集成單分子層結構，如圖2。步驟(3)聚苯乙烯微球層4上沉積IOnm鎳，鎳通過微球之間存在著間隙，沉積到 模板表面，如圖3。步驟(4)將模板置于去離子水中，，通過超聲震動的方法將微球與模板表面分離 并清洗干凈，得到圖形化的鎳金屬層5，如圖4。步驟(5)將GaN模板2置于10 %稀硫酸里面2分鐘，由于鎳對稀硫酸具有耐蝕 性而鋁易與稀硫酸反應，所以沒有鎳保護的那一部分鋁會被快速腐蝕下去，最終在鋁薄層3 表面形成周期排列的淺凹坑，如圖5。步驟(6)利用濃硫酸去除金屬鎳，并對樣品進行清洗后，將其置于濃度為5%溫 度100°C磷酸以100V的電壓下進行陽極氧化，經氧化后得到幾十到幾百納米的氧化鋁層6， 如圖6。步驟(7)利用形成的多孔陽極氧化鋁層6作為掩模，用氬氣等離子體進行干法誘 導耦合等離子刻蝕(ICP)刻蝕，將陽極氧化鋁層6上的周期性圖形轉移到GaN模板2上。步驟⑶用0. 2mol/L的NaOH溶液去除氧化鋁膜去除氧化鋁層，得到適合高質量 氮化物外延材料生長的GaN基圖形襯底模板。如圖7。本發明的原理是首先利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或 氫化物氣相外延(HVPE)技術在上生長一層用于氮化物外延生長的GaN基材料模板。接著 在GaN基模板表面蒸鍍一層廣5 μ m的金屬鋁薄層。然后在鋁表面均勻地鋪設單層的微球 材料。通過選擇微球材料的半徑，溶液配比，及控制旋涂或提拉的速度等方法，可使鋁表面 形成不同周期和孔徑的微球排列圖案。再接著在鋁薄層表面蒸鍍一層厚度為liTlOOnm的 金、鎳、鉻或錫金屬薄層。去除微球，利用圖形化的金屬薄層作為掩膜，通過化學腐蝕的方法 或等離子干法刻蝕的方法，在鋁表面形成周期的淺凹坑結構。利用上一步驟制備的圖形誘導氧化鋁孔洞的形成，進行陽極氧化。樣品經過清洗后在5%磷酸以IOOV 130V的電壓下進行氧化2 10個小時。這一步的氧化，不僅僅限制于用磷酸，還可以用其他多元酸，如硫酸、草酸。不同的酸對應的氧化電壓不相同，10%硫酸 對應于25 27V，5%草酸對應于3(T50V。最后，利用多孔陽極氧化鋁作為掩模，用氬氣等離 子體進行干法誘導耦合等離子刻蝕(ICP)刻蝕，將氧化鋁上的周期性圖形轉移到GaN基材 料模板上。
權利要求
一種基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制備方法，其特征在于包括以下步驟步驟1在襯底上生長一層用于氮化物外延生長的GaN基模板；步驟2在該GaN基模板上沉積鋁層；步驟3在鋁層表面鋪設微球，形成單分子層結構的微球層；步驟4在襯底上進行金屬蒸鍍，蒸鍍的金屬通過微球之間的空隙沉積到鋁層的表面；步驟5通過超聲震動去除單分子層結構的微球層，得到圖形化的金屬層；步驟6利用該金屬層作為掩膜，通過化學腐蝕或等離子干法刻蝕，在鋁層表面刻蝕出凹坑；步驟7去除金屬層，并對鋁層通過陽極氧化形成多孔網狀氧化鋁層；步驟8利用氧化鋁層作為掩膜，通過刻蝕方式將氧化鋁層上的圖形轉移到GaN基模板上；步驟9最后去除多孔氧化鋁層，得到GaN基材料圖形襯底模板。
2.根據權利要求1所述的基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制備方法，其特征 在于在步驟3中，先準備微球溶液，所采用的微球為聚苯乙烯微球、或二氧化硅、或環氧丙 脂微球。
3.根據權利要求2所述的基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制備方法，其特征 在于在步驟3中，所述微球溶液為聚苯乙烯微球與乙醇混合配制成混合溶液；并通過旋涂 法或提拉法將微球鋪設在GaN基模表面。
4.根據權利要求3所述的基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制備方法，其特征 在于在步驟2中，所述鋁層是通過電子束蒸發、熱蒸發或濺射方法制備的；在步驟4中，所 述的金屬為金、鎳、鉻、錫，通過電子束蒸發、熱蒸發或濺射方法進行金屬蒸鍍；在步驟6中， 用稀硫酸在鋁層表面刻蝕出凹坑。
5.根據權利要求4所述的基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制備方法，其特征 在于在步驟9中，通過NaOH溶液去除氧化鋁膜去除氧化鋁層。
6.根據權利要求1至5任一所述的基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制備方 法，其特征在于在步驟7中，用濃硫酸去除金屬層，然后將鋁層置于磷酸、硫酸或草酸溶液 中進行陽極氧化。
7.根據權利要求6所述的基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制備方法，其特征 在于在步驟8中，氧化鋁的圖形轉移到所述襯底是通過化學濕法腐蝕、干法誘導耦合等離 子刻蝕或干法反應離子刻蝕的方法來實現的。
8.根據權利要求7所述的基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制備方法，其特征 在于在步驟1中，所述襯底為藍寶石、硅、碳化硅、碳化硅/硅或砷化鎵；所述GaN基模板的 生長方法為金屬有機化學氣相沉積法、分子束外延法或氫化物氣相外延法。
9.根據權利要求8所述的基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制備方法，其特征 在于在步驟1中，所述的GaN基模板采用的材料為GaN、AlxGa1^xN, A1N、InN, IrixGai_xN或AlJiiyGah-yN。
全文摘要
本發明涉及一種基于陽極氧化鋁的GaN基圖形襯底模板的制備方法。該方法包括以下步驟在襯底上生長一層GaN基模板；在該GaN基膜板上沉積鋁層；用在鋁層表面鋪設微球層；在襯底上進行金屬蒸鍍；通過超聲震動去除單分子層結構的微球層，得到圖形化的金屬層；利用該金屬層作為掩膜，在鋁層表面刻蝕出凹坑；去除金屬層并形成多孔氧化鋁層；利用多孔氧化鋁層作為掩膜，將氧化鋁層上的圖形轉移到GaN基模板上；去除多孔氧化鋁層，得到GaN基材料圖形襯底模板。本發明是一種工藝簡單，成本較低，圖形凹坑大小及間距可控的微米級GaN基圖形襯底制備方法。
文檔編號H01L21/02GK101807518SQ20101013629
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月26日 優先權日2010年3月26日
發明者衛靜婷, 張佰君, 饒文濤 申請人:中山大學