一种用于生长六方相GaN的矩形图形化硅衬底

摘要

本发明公开了一种用于生长六方相GaN的矩形图形化硅衬底，包括硅（111）面衬底本体，在硅衬底本体上表面加工有条状隔离带，条状隔离带由相互垂直、宽度相同的纵隔离带和横隔离带构成，将硅衬底本体分割成了多个的矩形生长平台，其特征在于：矩形生长平台的任一角平分线与硅（111）面上六方排列的原子对应的正六边形的任一对角线的夹角在0～5°的范围内。对上述夹角范围的限定保证了六方相GaN生长后形成的横沟槽和纵沟槽的宽度基本一致。这为外延层的晶体质量和后续芯片制程的可靠性提供了有力保障，也彻底解决了现有矩形图形化硅衬底技术中，矩形生长平台方向的不确定性影响GaN晶体质量和芯片良率、可靠性的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料的外延生长技术，尤其涉及一种用于生长六方相GaN的矩形图形化硅衬底。 

背景技术：

以GaN 为代表的Ⅲ/Ⅴ氮化物半导体材料是继硅和砷化镓之后的第三代半导体材料，近年来获得飞速发展。Ⅲ/Ⅴ氮化物包括GaN、AlN、InN、InGaN和AlGaN等，其具有1.9～6.2eV连续可变的直接带隙，覆盖了从紫外到远红外的发光波长，且具有优异的物理、化学稳定性、高饱和电子迁移率等特点，在蓝、绿和紫外波段的光电子器件方面获得了广泛的应用，特别是在蓝、绿光发光二极管方面。

由于GaN单晶很难获得，GaN的外延生长多在异质衬底上进行。除了最常用的蓝宝石（c面）衬底和6H-SiC衬底，近年来硅（111）面衬底也被广泛关注。硅衬底具有价格便宜、尺寸更大、易于剥离、导电、热导率比较高等优点，且硅材料的加工工艺和集成技术已经相当成熟，使得硅衬底GaN基LED具有易于大规模集成的潜在优势。然而Si与GaN之间具有巨大的晶格失配以及热失配，这在生长过程中会引入巨大的应力，导致在硅衬底上获得高质量的GaN基LED薄膜非常困难。 

目前，业界已有多家单位解决了硅衬底外延生长高质量GaN基LED薄膜的难题，并有高水平的硅衬底GaN基LED产品推出。其中将整个硅衬底分割成多个规则排列的独立的矩形生长平台（即矩形图形化硅衬底）是目前的主流技术路线之一，有多条相互垂直的条状隔离带将硅衬底分割成多个均匀分布的形状大小相同的独立的矩形生长平台，所述隔离带可以是凸起的也可以是凹陷的，GaN材料不能在所述隔离带上直接生长，且所述隔离带有一定的宽度以保证每个生长平台上的外延层与相邻生长平台上的外延层不相接，从而在所述各个生长平台之间形成了没有GaN生长的横沟槽和纵沟槽，所述沟槽可有效释放硅衬底与外延层在异质外延生长过程中由于晶格失配和热失配引入的巨大应力，大大减少了所述外延层中的裂纹，降低了位错密度，从而获得高质量的GaN基LED薄膜材料。 

但是，现有的矩形图形化硅衬底技术，并没有考虑矩形生长平台的边界线相对于硅（111）面的晶向对其上六方相GaN外延生长的影响。所述矩形生长平台的表面为硅（111）面，如果其边界线相对于硅（111）面的晶向设计不合理，将会导致在GaN生长过程中形成的所述横沟槽和纵沟槽的宽度不同，外延层的应力不平衡，裂纹增生，位错密度增加，晶体质量下降，也会给后续的芯片制程的良率和可靠性带来较大的不良影响。之所以产生上述问题，是因为所述边界线相对于硅（111）面的晶向决定着沿边界线的原子排列情况，而六方相GaN沿边界线的侧向生长速率取决于沿边界线的原子排列情况。六方相GaN生长面为（0001）面，与硅（111）面的原子一样呈正六方形排列，GaN沿正六方形各个角的方向生长速率较快，沿正六边形边的方向则生长速率较慢。矩形生长平台具有两两平行的四条边界线，其中相邻边界线相互垂直，对应着相互垂直的晶向。如果所述相邻边界线相对于硅（111）面的晶向设计不合理，则使沿相邻边界线的原子排列情况差别较大，从而导致GaN沿相邻边界线的侧向生长速率则不同，生长速率快的一边，形成的沟槽较窄，生长速率慢的一边，形成的沟槽较宽。 

发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于生长六方相GaN的矩形图形化硅衬底，它能使纵沟槽和横沟槽的宽度基本一致，从而为外延层的晶体质量和后续芯片制程的可靠性提供了有力保障，也彻底解决了在现有矩形图形化硅衬底技术中，矩形生长平台方向的不确定性影响GaN晶体质量和芯片良率、可靠性的问题。

本发明的目的是这样实现的： 

一种用于生长六方相GaN的矩形图形化硅衬底，包括硅（111）面衬底本体，在硅（111）面衬底本体的上表面（硅（111）面）加工有条状隔离带，条状隔离带由相互垂直、宽度相同的纵隔离带和横隔离带构成，条状隔离带将硅衬底本体的上表面分割成了多个的矩形生长平台，其特征在于： 

矩形生长平台的任一角平分线与其表面即硅（111）面上六方排列的原子对应的正六边形的任一对角线的夹角在0～5°的范围内。

业界通常采用（110）面作为硅（111）面衬底的主参考面，而主平边在<1-10>的位置，则上述几何关系可描述为：矩形生长平台的任一边界线与主平边的夹角为10～20°、40～50°或70～80°中的一个。 

矩形生长平台的边长在0.1mm～5mm的范围内。 

条状隔离带的宽度大于2um。 

由于条状隔离带上不能直接生长GaN，因而随着GaN的生长，在条状隔离带处会形成没有GaN生长的沟槽，但是由于GaN有一定的侧向生长速率，沟槽的宽度通常小于条状隔离带的宽度。与纵隔离带和横隔离带相对应，沟槽也分为纵沟槽和横沟槽。 

本发明通过限定矩形生长平台的对角线与其表面即硅（111）面上六方排列的原子对应的正六边形的任一对角线的夹角的范围或者说限定所述矩形生长平台的任一边界线与主平边<1-10>的夹角范围，确定了矩形生长平台的边界线与硅（111）面衬底的相对晶向，即矩形生长平台的边界线与Si（111）面上原子排列的位置关系，从而可以保证沿矩形生长平台的两相邻边界线附近的原子排列基本一致，使GaN沿相邻边界线的侧向生长速率基本相同，因此可使所述纵沟槽和横沟槽的宽度基本一致，这为外延层的晶体质量和后续芯片制程的可靠性提供了有力保障，也彻底解决了在现有矩形图形化硅衬底技术中，矩形生长平台方向的不确定性影响GaN晶体质量和芯片良率、可靠性的问题。 

附图说明：

图1是本发明矩形图形化硅衬底的俯视示意图；

图2是本发明矩形生长平台的边界线与硅（111）面上原子排列结构的相对位置关系示意图。

图3是在本发明提供的衬底上生长六方相GaN薄膜后的俯视示意图。 

具体实施方式：

下面结合实施例并对照附图对本发明的方法进行进一步的说明。

一种用于生长六方相GaN的矩形图形化硅衬底，包括硅衬底本体1，在硅（111）面衬底本体1的上表面（硅（111）面）5加工有条状隔离带2，条状隔离带2由相互垂直、宽度相同的纵隔离带3和横隔离带4构成，条状隔离带2将硅（111）面衬底本体1的上表面分割成了多个的矩形生长平台5，矩形生长平台5的任一角平分线与硅（111）面上六方排列的原子对应的正六边形的任一对角线的夹角α为0～5°。 

矩形生长平台5的任一边界线与主平边<1-10> 6的夹角α为10～20°、40～50°或70～80°中的一个。 

矩形生长平台5的边长m为0.1mm～5mm。 

条状隔离带2的宽度d大于2um。 

由于条状隔离带上不能直接生长GaN，因而随着GaN的生长，在条状隔离带2处会形成没有GaN生长的沟槽，但是由于GaN有一定的侧向生长速率，沟槽的宽度通常小于条状隔离带的宽度。与纵隔离带3和横隔离带4相对应，沟槽也分为纵沟槽7和横沟槽8。 

当矩形生长平台5的任一角平分线与硅（111）面上六方排列的原子对应的正六边形的任一对角线的夹角α为0～5°时，GaN生长后形成的纵沟槽7和横沟槽8的宽度基本一致。这为外延层的晶体质量和后续芯片制程的可靠性提供了有力保障，也彻底解决了现有矩形图形化硅衬底技术中，矩形生长平台方向的不确定性影响GaN晶体质量和芯片良率、可靠性的问题。