硅襯底上iii族氮化物外延薄膜的選區(qū)生長方法及結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子技術(shù)，尤其涉及一種在硅襯底上以碳納米管作為掩膜的III族氮化物外延薄膜的選區(qū)生長方法及結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]III族氮化物是一類極具應(yīng)用前景的半導(dǎo)體材料，由于III族氮化物單晶襯底難以制備且成本高昂，因此目前氮化物薄膜主要通過異質(zhì)襯底上的外延技術(shù)獲得。
[0003]常用的襯底材料包括藍(lán)寶石、氮化硅、硅等。其中，藍(lán)寶石與III族氮化物存在較大的晶格失配和熱失配，且其導(dǎo)熱和導(dǎo)電性差。就氮化硅而言，其機(jī)械性能較差、價(jià)格高昂，且尚難以制備大尺寸襯底。與上述兩種異質(zhì)襯底相比，雖然硅與III族氮化物間的晶格失配和熱失配較大，但得益于在微電子領(lǐng)域極其成熟的發(fā)展與應(yīng)用，硅的單晶質(zhì)量非常高，成本低廉，可以制備大尺寸襯底，且可實(shí)現(xiàn)光電集成，這都有益于實(shí)現(xiàn)III族氮化物的工業(yè)化應(yīng)用，因此在硅襯底上制備III族氮化物的高質(zhì)量外延薄膜材料成為近年來的研宄熱點(diǎn)。
[0004]由于大的晶格失配和熱失配，直接在硅襯底上制備III族氮化物外延薄膜，存在高密度的晶體缺陷，且會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，使薄膜產(chǎn)生翹曲和微裂紋，嚴(yán)重影響器件性能和應(yīng)用；此外，硅與鎵會發(fā)生合金反應(yīng)，破壞外延層形貌。因此，在硅襯底上生長III族氮化物外延薄膜時(shí)，除了需要成核層外，還需要引入復(fù)雜的插入層結(jié)構(gòu)作為預(yù)應(yīng)力層，來緩解巨大的晶格失配和熱失配。常用的預(yù)應(yīng)力層有低溫A1N、低溫SiNx、AlxGahN漸變層、AlGaN/GaN超晶格等，其中AlN和SiNx等低溫、非晶結(jié)構(gòu)雖能弛豫應(yīng)力，但會影響外延層形貌和晶體質(zhì)量，而AlxGahN漸變層、AlGaN/GaN超晶格等雖能弛豫應(yīng)力、改善晶體質(zhì)量，但生長過程較長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以控制。除此以外，上述各類預(yù)應(yīng)力層的單一效果均有限，一般需要同時(shí)采用多種預(yù)應(yīng)力層方案才能獲得較高質(zhì)量的III族氮化物外延薄膜，因而增加了外延結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、生長時(shí)間和制備成本，部分抵消了 III族氮化物硅基外延生長的優(yōu)勢，不利于大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。
[0005]此外，目前也有利用選區(qū)生長技術(shù)來提高硅襯底上III族氮化物外延薄膜質(zhì)量的方法。此類技術(shù)可分為兩種，一種是在硅襯底上通過各種刻蝕手段，制備出具有溝槽結(jié)構(gòu)或納米柱陣列結(jié)構(gòu)的圖形化硅襯底，再進(jìn)行選區(qū)生長；另一種是在硅襯底上以等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD等方法沉積二氧化硅或氮化硅絕緣層，然后再通過光刻、納米壓印、電子束曝光等手段刻蝕絕緣層，得到具有掩膜圖形的硅襯底，再進(jìn)行選區(qū)生長。然后上述兩類方法均具有以下兩個(gè)缺點(diǎn)，第一，制備工藝復(fù)雜，成本較高，不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)；第二，采用了選區(qū)生長技術(shù)后，仍需要在外延生長時(shí)引入一種或幾種預(yù)應(yīng)力層，才能獲得較高質(zhì)量的III族氮化物外延薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種硅襯底上基于微米/納米復(fù)合尺寸掩膜的III族氮化物外延薄膜的選區(qū)生長方法，以碳納米管陣列作為周期性微米/納米復(fù)合尺寸掩膜，無需AlxGa^xN漸變層、AlGaN/GaN超晶格等各類復(fù)雜的預(yù)應(yīng)力層，即可獲得高質(zhì)量III族氮化物外延薄膜，具有工藝簡單、成本低廉、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種硅襯底上III族氮化物外延薄膜選區(qū)生長的掩膜結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明的硅襯底上III族氮化物外延薄膜的選區(qū)生長結(jié)構(gòu)包括:襯底、碳納米管掩膜和III族氮化物外延薄膜；在襯底上鋪設(shè)的碳納米管掩膜由單層或多層碳納米管薄膜構(gòu)成，每一層碳納米管薄膜為平行排列的碳納米管陣列，這些碳納米管相互聚集形成平行排列的捆簇結(jié)構(gòu)，相鄰捆簇之間形成微米級生長窗口，捆簇內(nèi)部多個(gè)平行排列的碳納米管之間形成納米級生長窗口，從而形成納米級生長窗口和微米級生長窗口相間排列的微米/納米復(fù)合尺寸掩膜；在碳納米管掩膜上生長III族氮化物外延薄膜。
[0009]襯底用來生長III族氮化物，采用晶向?yàn)椤?11〉、〈110〉或〈100〉的硅襯底，或者采用在硅襯底上外延生長了厚度在10?100nm之間的氮化鋁AlN成核層的復(fù)合襯底。
[0010]制備上述掩膜結(jié)構(gòu)時(shí)，首先在碳納米管陣列的生長襯底上，通過電子束蒸發(fā)沉積一層排列整齊、尺寸均勻的納米級鐵粉作為催化劑，再通過低壓化學(xué)氣相沉積LPCVD方法，在低壓和高溫下以乙炔作為碳源，生長出由準(zhǔn)有序的、平行排列的碳納米管組成的陣列，再將其作為一層碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移至生長III族氮化物的襯底上。碳納米管掩膜由單層或多層碳納米管薄膜構(gòu)成，每一層碳納米管薄膜為準(zhǔn)有序的、平行排列的碳納米管陣列，其中的碳納米管可以為單壁或多壁，單根碳納米管的在10?10nm之間，這些碳納米管會相互聚集，形成平行排列的捆簇結(jié)構(gòu)。捆簇內(nèi)部相鄰碳納米管間的距離在10?500nm之間，這對后續(xù)的III族氮化物生長而言，形成了納米級生長窗口 ；每一捆簇的直徑在I?10 μπι之間，相鄰的捆簇之間的距離在I?20 μπι之間，這對后續(xù)的III族氮化物生長而言，形成了微米級生長窗口。由此，納米級生長窗口和微米級生長窗口會相間排列，套構(gòu)而成微米/納米復(fù)合尺寸掩膜。
[0011]本發(fā)明針對不同的襯底，依據(jù)襯底晶向及III族氮化物生長模式的不同選用不同的碳納米管掩膜結(jié)構(gòu)。碳納米管掩膜可以包含單層或多層碳納米管薄膜，鋪設(shè)層數(shù)越多，掩膜中生長窗口的尺寸越小，也即通過控制鋪設(shè)的碳納米管薄膜層數(shù)，可以改變掩膜的占空比。因此可根據(jù)需要精確控制掩膜尺寸，提高外延薄膜的晶體質(zhì)量。每一層碳納米管薄膜均為準(zhǔn)有序的、平行排列的碳納米管陣列，而多層碳納米管薄膜之間則能根據(jù)需要相互平行、垂直或交叉成銳角排列，從而用多層碳納米管薄膜構(gòu)建出具有矩形、六角形、平行四邊形等任意平面幾何圖形的掩膜結(jié)構(gòu)。
[0012]如上所述，本發(fā)明的碳納米管掩膜結(jié)構(gòu)中，既有捆簇內(nèi)納米級生長窗口，也有捆簇間微米級生長窗口。根據(jù)已有的研宄，納米級生長窗口內(nèi)III族氮化物的成核島的尺寸被限制在納米級，因此可在三維方向上充分弛豫應(yīng)力，降低應(yīng)變能；同時(shí)，既能夠在初期的三維島狀生長中提供眾多生長小面以利于位錯(cuò)線的彎曲、煙滅，又能夠減小失配位錯(cuò)的長度，有利于減少缺陷之間的相互作用，從而獲得高質(zhì)量、低應(yīng)力的外延薄膜。但納米級生長窗口內(nèi)III族氮化物的合攏較慢，而經(jīng)過微米級生長窗口的生長過程，外延層更易合攏，可在較小厚度內(nèi)得到表面光亮的外延薄膜。因此，本發(fā)明采用微米/納米復(fù)合尺寸掩膜，可兼顧二者優(yōu)點(diǎn)，在較小厚度內(nèi)得到表面光亮，且高質(zhì)量、低應(yīng)力的III族氮化物外延薄膜。
[0013]進(jìn)一步，本發(fā)明所采用的碳納米管掩膜除可鋪設(shè)于襯底或成核層上之外，還可在生長了一定厚度的III族氮化物外延薄膜之后，再次鋪設(shè)碳納米管掩膜，然后再繼續(xù)外延生長。該過程還可依據(jù)需要多次重復(fù)，將多層碳納米管掩膜插入III族氮化物外延薄膜中，形成多層的碳納米管掩膜和多層的III族氮化物外延薄膜相間排列的結(jié)構(gòu)，也即形成外延生長方向(垂直于襯底表面的方向)上的周期性掩膜結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提高III族氮化物外延薄膜的晶體質(zhì)量。
[0014]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種硅襯底上III族氮化物外延薄膜的選區(qū)生長方法。
[0015]本發(fā)明的硅襯底上III族