[发明专利]氮化镓磊晶生长方法

说明书

技术领域

本发明为一种氮化镓磊晶生长方法，特别是一种软性纳米压印的氮化镓磊晶生长方法。

背景技术

于同质、物性匹配的GaN磊晶基板上进行功率元件的结构磊晶与工序有助于建立元件指标特性；而采用异质基板（如蓝宝石、Si等）则有助于降低研发及生产成本，然受物性失配的影响，须进一步研发“低缺陷”的异质磊晶技术；此源于异质磊晶引入的晶格常数与热胀系数差异必然影响磊晶结构品质，造成磊晶层的缺陷与应力。于元件应用上，将严重影响元件的耐压性；而磊晶层应力导致晶圆翘曲，影响元件工序精确度，于大晶圆尺寸下，特别是采用高温生长的MOCVD磊晶技术，此现象益形严重。以Si基板为例，其与GaN存在着高达16.2%的晶格失配、113%的热胀系数差异、以及Si与氮（N）原子间高反应活性等不利因素。因此，采取以较低温生长的MBE磊晶技术，为实现“低缺陷”异质磊晶技术的关键；如以实现垂直式元件，耐压将与GaN磊晶层厚度（可达4μm以上）与品质极为相关。

无论是分子束磊晶（MBE）或有机金属化学气相沉积（MOCVD）等磊晶技术，都已于Si（111）基板上实现六方晶构氮化镓（GaN）的磊晶成长。以文献[C.W.Nieh,Y.J.Lee,W.C.Lee,Z.K.Yang,A.R.Kortan,M.Hong,J.Kwo,and C.H.Hsu,Appl.Phys.Lett.,92,061914(2008)]为例，借于Si（111）上先行沉积数纳米结晶良好的单晶氧化层，并以此作为单晶GaN的磊晶样底，此样底不仅有效防止Si与GaN间的相互扩散，亦为成长GaN的关键晶种层（Seeding Layer）。考虑主流硅晶圆技术与未来整合III-N与硅元件的潜力，Si（001）实为较务实、偏好的选择。此外，相较于当下广泛使用的六方晶系纤锌矿（Wurtzite）结构，立方晶系的闪锌矿（Zinc-blende）结构的III-N具有非极化、高量子效率、高p-型（p-type）导电率等优势。然于Si（001）上成长GaN，因晶面对称性的差异促使GaN的成长存在多个偏好晶向，导致多晶结构或粗糙表面；此外，如前述的热胀系数差异与晶格失配亦导致磊晶层存在高旋线差排（Threading Dislocation，TD）密度，甚而形成晶裂链（Crack Networks）。为降低TD密度，III-N LED产业习惯于蓝宝石（Sapphire）磊晶基板上先行图案化（Patterned Sapphire）。同样作法亦见用于Si（111）基板上。必须强调的是，此熟知图案化工序的特征尺寸都属微米（μm）等级。近来，借由采用纳米（nm）等级的图案化工序，GaN磊晶层的TD密度可以进一步降低，此归因于纳米级的磊晶结构尺寸有助于降低失配晶格累积的应变能（Strain Energy），降低缺陷的产生机率。

发明内容

本发明所公开是与一种软性纳米压印有关，特别是与软性纳米压印具可应用异质基板上(如Si、GaAs等)及其非破坏性原生磊晶基板。应用NIL技术，辅以干式蚀刻，进行纳米级图案化，从而利用非平面基板来控制、沉积III-N的磊晶结构，抑制差排缺陷密度向上延伸，预期将可获得低缺陷密度。

本发明具体为：

一种氮化镓磊晶生长方法，包含以下步骤：

（1）提供半导体积层或异质基板；

（2）形成位于该半导体积层或该异质基板上的平台，以起到软性纳米压印的作用；

（3）在该半导体积层或该异质基板上形成纳米柱或纳米洞；以及

（4）在该半导体积层或该异质基板上形成异质磊晶区域；

其中，步骤(3)中的该纳米柱与该纳米洞的形成又包含：

（i）利用预定周期的该软性纳米压印于该半导体积层或该异质基板上；

（ii）对该半导体积层或该异质基板上执行一次干式蚀刻，以转印纳米图案；以及

（iii）进行剥离工序，使该纳米图案以形成该纳米柱或该纳米洞于该半导体积层或该异质基板上。

如本发明的方法，其中，该半导体积层或该异质基板包含上层区块与下层区块，该下层区块为该平台并紧邻该半导体积层或该异质基板上表面；以及，该上层区块与该半导体积层或该异质基板为一体成型且连续性衔接成该纳米柱或该纳米洞的图案化层。

如本发明的方法，其中，该上层区块是由该软性纳米压印于纳米光阻层后，并移除该半导体积层或该异质基板形成；以及，该纳米光阻层则是由氧等离子蚀刻成该纳米柱或纳米洞。

一种氮化镓磊晶生长方法，包含：

提供基板；