寬周期掩膜法HVPE側(cè)向外延自支撐GaN的研究

陳王義博，徐 俞，曹 冰，徐 科

(1.蘇州大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州 215006；2.江蘇省先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和教育部現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇州 215006；3.中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，蘇州 215123)

0 引 言

Ⅲ-V族氮化物是當(dāng)前十分熱門(mén)的光電半導(dǎo)體材料之一，氮化鎵(GaN)作為其中具有代表性的第三代半導(dǎo)體，具有高禁帶寬度、直接帶隙、導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，十分適合制備光電子器件和微波射頻器件[1-2]。目前GaN外延主要通過(guò)在SiC和藍(lán)寶石等襯底上異質(zhì)外延獲得[3-4]。由于兩種材料之間不同的晶格系數(shù)和熱膨脹率，往往會(huì)產(chǎn)生較大的晶格失配和熱失配，帶來(lái)嚴(yán)重的位錯(cuò)和應(yīng)力[5]，影響器件的性能。側(cè)向外延技術(shù)對(duì)于GaN生長(zhǎng)是一項(xiàng)可以有效降低位錯(cuò)密度的方法[6]。實(shí)際上，早在1966年，Shaw等[7]就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)氫化物氣相外延(HVPE)側(cè)向外延了各向異性的砷化鎵(GaAs)單晶，并在一定程度上減少了晶體缺陷。近年來(lái)Xiao等[8]采用特殊的部分接觸側(cè)向外延技術(shù)，將GaN的位錯(cuò)密度降至6.4×103cm-1。這也說(shuō)明繼續(xù)研究側(cè)向外延技術(shù)對(duì)于提高GaN晶體質(zhì)量有重大意義。在側(cè)向外延技術(shù)中，掩膜的厚度、占寬比、周期大小等都對(duì)GaN生長(zhǎng)有影響。Matsubara等[9]使用具有寬周期窗口的掩膜(窗口寬度200 μm/掩膜寬度10 μm)也得到了低位錯(cuò)密度的GaN，并且研究了GaN中的位錯(cuò)分布。掩膜的寬度、占比等對(duì)于GaN生長(zhǎng)的影響已經(jīng)有了一部分研究[10-11]，但相對(duì)來(lái)說(shuō)寬周期的掩膜法側(cè)向外延GaN的研究迄今還較少。

本文利用寬周期掩膜法通過(guò)HVPE在藍(lán)寶石基GaN襯底上外延GaN。二氧化硅(SiO2)是一種在GaN生長(zhǎng)中常用的掩膜材料[12]，為了獲得低位錯(cuò)密度的GaN厚膜，使用SiO2制成高掩膜寬度的寬周期掩膜(窗口寬度20 μm/掩膜寬度280 μm)側(cè)向外延GaN，得到了325 μm的GaN厚膜。通過(guò)二維的Wulff圖分析這些不同生長(zhǎng)溫度下的GaN截面圖，研究了其生長(zhǎng)過(guò)程中晶面變化趨勢(shì)。寬周期掩膜使得GaN在側(cè)向外延過(guò)程中在襯底界面處留下了一層空氣間隔，這可以用膠帶將GaN厚膜自主剝離，得到了位錯(cuò)密度降低的連續(xù)平整自支撐GaN厚膜。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 SiO2掩膜的制作

通過(guò)磁控濺射的方法將SiO2沉積在藍(lán)寶石基GaN襯底的表面，具體是將清洗后的GaN襯底置于腔室內(nèi)，并在離子能量700 eV下濺射10 min得到80 nm厚的SiO2層。在SiO2層上旋涂一層AZ5214光刻膠，通過(guò)紫外光刻使光刻膠形成窗口寬度20 μm、掩膜寬度280 μm的周期結(jié)構(gòu)，再通過(guò)離子束刻蝕(IBE)將無(wú)光刻膠區(qū)域的SiO2刻蝕掉，最后通過(guò)丙酮洗去表面剩余的光刻膠，最終形成了窗口寬度20 μm、掩膜寬度280 μm的寬周期SiO2掩膜結(jié)構(gòu)。

1.2 GaN生長(zhǎng)

由于使用窗口寬度20 μm、掩膜寬度280 μm的寬周期SiO2掩膜結(jié)構(gòu)，為了研究GaN生長(zhǎng)過(guò)程中的變化，使用HVPE的生長(zhǎng)方式外延了約325 μm厚的GaN，生長(zhǎng)溫度為940 ℃到1 120 ℃不等，得到了形貌不同的GaN。HVPE生長(zhǎng)GaN所使用的Ga源都為三甲基鎵，N源為NH3。

1.3 表征測(cè)試

GaN樣品的形貌通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM, FEI Quanta 400 FEG, 10 kV)觀察，通過(guò)集成在SEM上的能量色散X射線光譜(EDX)分析掩膜和窗口區(qū)域的元素組成，位錯(cuò)密度通過(guò)集成在SEM上的陰極射線致發(fā)光光譜(CL, Oxford Mono-CL2)和X射線衍射(XRD, Bruker D8 Advance and D8 Discover)進(jìn)行表征。由于位錯(cuò)是非輻射復(fù)合中心，當(dāng)樣品中存在穿透位錯(cuò)時(shí)，非平衡少數(shù)載流子由于非輻射復(fù)合而大量減少，位錯(cuò)中心無(wú)光子發(fā)出，因此在CL圖像上將看到黑點(diǎn)。CL測(cè)試時(shí)，設(shè)定電子束的加速電壓為10 kV，調(diào)節(jié)光電倍增管的電壓至628 V左右可以得到清晰的位錯(cuò)黑點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 掩膜法生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)寬周期掩膜法側(cè)向外延GaN，首先在藍(lán)寶石基的GaN襯底上制成了一層80 nm厚的寬周期(窗口寬度為20 μm/掩膜寬度為280 μm)SiO2掩膜，再通過(guò)HVPE在SiO2掩膜上生長(zhǎng)了325 μm厚的GaN厚膜，如圖1所示。圖1(a)中的SEM照片為光刻-刻蝕完成后的SiO2掩膜，可以看到掩膜的周期形成良好，通過(guò)放大圖也可以看到窗口和掩膜的寬度符合預(yù)期結(jié)果。圖1(b)和(c)通過(guò)EDX確認(rèn)了窗口區(qū)域只有Ga和N元素信號(hào)，而在掩膜區(qū)域則還有Si和O元素的信號(hào)，也證明了掩膜形成良好。

圖1 (a)SiO2掩膜制成后的襯底SEM照片；窗口(b)和掩膜區(qū)域(c)的EDX圖

2.2 晶體形貌及生長(zhǎng)趨勢(shì)分析

如圖2所示，圖2(a)～(c)是分別在940 ℃，1 040 ℃和1 120 ℃下生長(zhǎng)的GaN表面形貌的SEM照片。可以看到圖2(a)中GaN在940 ℃下生長(zhǎng)并未合并，形貌為不規(guī)則有傾斜側(cè)面的條帶狀結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)樵谠摐囟认翯aN還處于側(cè)向生長(zhǎng)的過(guò)程中。圖2(b)中GaN在1 040 ℃下生長(zhǎng)也未合并，但是GaN的表面形貌多呈現(xiàn)為表面較為平整的條帶狀結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)樵谠摐囟认翯aN側(cè)向生長(zhǎng)的速率仍舊不夠，導(dǎo)致GaN還未側(cè)向合并。圖2(c)中GaN在1 120 ℃下生長(zhǎng)合并，得到了平整的GaN厚膜。圖2(d)是1 120 ℃生長(zhǎng)的GaN截面形貌SEM照片，在該溫度下GaN已經(jīng)合并且形成了約為325 μm的厚膜。

圖2 (a～c)940 ℃，1 040 ℃和1 120 ℃下生長(zhǎng)的GaN表面SEM照片；(d)1 120 ℃下生長(zhǎng)的GaN截面SEM照片

為了進(jìn)一步研究不同溫度下GaN通過(guò)掩膜生長(zhǎng)的形貌和趨勢(shì)，對(duì)GaN的截面形貌進(jìn)行了表征，如圖3所示，圖中截面都是沿著GaN的a向[11-20]解理所得,呈現(xiàn)的截面都是m面(1-100)。圖3(a)和圖3(b)是在940 ℃生長(zhǎng)的GaN的截面形貌SEM照片，通過(guò)測(cè)量側(cè)面的傾斜角度可以計(jì)算出其側(cè)面晶面為(10-11)面，圖3(a)中有狹小的c面(0002)，而圖3(b)中c面已經(jīng)消失，這可能是因?yàn)镚aN的垂直向生長(zhǎng)速率較側(cè)向生長(zhǎng)更快。圖3(c)是在1 040 ℃生長(zhǎng)的GaN的截面形貌SEM照片，經(jīng)計(jì)算其側(cè)面的晶面為(10-13)面，c面也已經(jīng)消失，側(cè)面晶面傾斜角度更大的原因應(yīng)該是GaN側(cè)向生長(zhǎng)過(guò)程已經(jīng)趨于合并。Grinys等[13]的研究中，二維的Wulff結(jié)構(gòu)圖可以用來(lái)分析晶體生長(zhǎng)中晶面的變化等。圖3(d)～(f)中的二維Wulff結(jié)構(gòu)圖分別對(duì)應(yīng)圖3(a)～(c)的截面SEM照片。在二維的Wulff圖中，線框與GaN晶體中心成核點(diǎn)的距離反映了晶體表面自由能的大小。從圖3(d)～(f)的二維Wulff圖可以看出，在GaN的晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，側(cè)向生長(zhǎng)一直存在且保持了一定的生長(zhǎng)速率，而其他方向的生長(zhǎng)則在過(guò)程中逐漸消失，最后GaN通過(guò)側(cè)向合并形成平整厚膜。

圖3 (a，b)940 ℃下生長(zhǎng)GaN截面SEM照片；(c)1 040 ℃下生長(zhǎng)的GaN截面SEM照片；(d)～(f)根據(jù)(a)～(c)繪制的二維Wulff結(jié)構(gòu)圖

2.3 晶體質(zhì)量

對(duì)于1 120 ℃下生長(zhǎng)的GaN厚膜，通過(guò)測(cè)量其位錯(cuò)密度來(lái)表征GaN的晶體質(zhì)量，如圖4所示。圖4(a)是圖2(c)對(duì)應(yīng)的CL圖像，通過(guò)計(jì)算其中單位面積黑點(diǎn)的數(shù)量大致得到了其位錯(cuò)密度為3.0×108cm-2。除CL外，還使用高分辨XRD測(cè)量了GaN的位錯(cuò)密度。圖4(b)和(c)分別是對(duì)于GaN(0002)和(10-12)的XRD圖譜。經(jīng)測(cè)量，圖4(b)和(c)中XRD圖譜(0002)和(10-12)的半高寬分別為302.4 arcsec 和327.6 arcsec。通過(guò)計(jì)算，可以得到GaN厚膜的位錯(cuò)密度為3.1×108cm-2。通過(guò)兩種方法得到的GaN厚膜位錯(cuò)密度相接近，相比于原始襯底6.0×108cm-2的位錯(cuò)密度，有了將近一半的降低。雖然生長(zhǎng)的GaN厚膜位錯(cuò)密度得到了有效降低，但是相比于寬周期掩膜理論上降低位錯(cuò)還有所差距，推測(cè)一是GaN的生長(zhǎng)工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化；二是GaN襯底的生長(zhǎng)溫度和得到GaN厚膜的生長(zhǎng)溫度不一致帶來(lái)新的位錯(cuò)；三是SiO2與GaN的熱膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致在高溫生長(zhǎng)中掩膜也會(huì)給GaN帶來(lái)新的位錯(cuò)。

圖4 (a)1 120 ℃下生長(zhǎng)的GaN表面CL圖；(b，c)GaN(002)，(102)的XRD圖譜

2.4 自支撐GaN的剝離制備

對(duì)于生長(zhǎng)完成后的GaN厚膜，使用導(dǎo)電膠粘緊厚膜表面后撕下，得到了剝離后的自支撐GaN，如圖5所示。圖5(a)是剝離后襯底的表面SEM照片，可以看到剝離后表面呈現(xiàn)了符合原始襯底上掩膜周期的圖像，通過(guò)EDX發(fā)現(xiàn)在襯底的窗口處只有Ga和N元素信號(hào),而在掩膜區(qū)域則還有Si和O元素的信號(hào)。圖5(b)是剝離前對(duì)于掩膜區(qū)域襯底和GaN界面處的SEM照片，可以看到在界面處有一層空氣間隔，推測(cè)空氣間隔是GaN在寬周期掩膜上的側(cè)向外延中出現(xiàn)的，這也使得剝離GaN更加容易。

圖5 (a)剝離后的襯底表面SEM照片；(b)GaN與襯底界面處的SEM照片

3 結(jié) 論

本文采用HVPE方法并利用高掩膜寬度的寬周期掩膜法側(cè)向外延了325 μm厚的GaN厚膜。利用GaN的SEM截面圖結(jié)合二維的Wulff結(jié)構(gòu)圖，研究了GaN在不同生長(zhǎng)溫度下晶面的變化趨勢(shì)。由于寬周期掩膜的特點(diǎn)，利用掩膜與GaN之間的空氣間隔，使得GaN可以成功剝離，得到了較高質(zhì)量的自支撐GaN。這對(duì)后續(xù)生長(zhǎng)大尺寸極低位錯(cuò)密度的自支撐GaN有著重要意義。