[实用新型]III族氮化物衬底

说明书

技术领域

本实用新型涉及半导体材料领域，尤其涉及III族氮化物衬底。

背景技术

氮化镓(GaN)是宽禁带直接带隙半导体材料，具有优良的光学和电学性质，在蓝绿到紫外波段的光电子器件和高功率微波器件等领域有着广泛的应用前景。可以用来外延生长GaN相关器件的衬底材料有很多种，包括自支撑(free-standing)GaN衬底、蓝宝石、碳化硅等。其中自支撑GaN衬底与外延GaN材料之间不存在晶格失配和热失配，被称为同质外延技术。在其他衬底上外延生长GaN材料存在较大的晶格失配和热失陪，被称为异质外延技术。在同质外延技术中，GaN材料及器件中的缺陷密度能够降低到10⁶cm^-2以下，能够有效提升GaN相关器件的性能指标，是未来重要的发展方向。

然而，相比于异质外延技术，同质外延技术的发展依然面临一系列的挑战。例如起始GaN衬底的表面形貌和平整度对后续外延GaN材料及器件具有非常重要的影响，是同质外延技术面临的关键挑战之一。

在异质外延技术中，目前用来外延生长GaN器件的蓝宝石、碳化硅等异质衬底加工一般采用粗研磨、精研磨以及化学机械抛光(CMP)三个步骤来进行。其中，CMP技术将化学抛光与机械抛光的各自优点结合起来，可以快速的去除机械研磨引入的几百纳米甚至几个微米的损伤层，从而获得无损伤层、原子级平整的衬底表面，其表面粗糙度(Ra)通常在0.2nm以下。

在同质外延技术中，针对GaN自支撑衬底的表面处理一般也遵循蓝宝石、碳化硅等衬底的工艺技术路线，利用粗研磨、精研磨以及化学机械抛光三个步骤来进行表面处理。然而与蓝宝石不同，自支撑GaN衬底的Ga面化学性质稳定，在化学机械抛光处理过程中，其化学抛光效率非常低。有文献报道自支撑GaN衬底Ga面的CMP速率为17nm/h，需要CMP加工150h才能去除机械研磨带来的损伤。参见H.Aida,H.Takeda,K.Koyama,H.Katakura,K.Sunakawa,T.Doi,Chemicalmechanicalpolishingofgalliumnitridewithcolloidalsilica,J.Electrochem.Soc.158(2011)H1206–H1212，以及H.Aida,H.Takeda,S-W.Kim,N.Aota,K.Koyama,T.Yamazaki,T.Doi,EvaluationofsubsurfacedamadgeinGaNsubstrateinducedbymechanicalpolishingwithdiamondabrasives,Appl.Surf.Sci.292(2014)531-536。因此，相比于蓝宝石衬底的典型研磨抛光时间2到4小时，对GaN的Ga面抛光时间提高了30倍以上，大幅增加了自支撑GaN衬底的加工成本。因此，采用与蓝宝石类似的CPM的方法来获得表面原子级平整、无损伤层的自支撑GaN衬底将面临巨大的成本挑战，不利于生产规模的放大。因此，急需发展新型的GaN自支撑衬底表面的处理工艺技术。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供低成本的III族氮化物衬底。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种III族氮化物衬底，用于外延生长，所述衬底的III族元素面至少存在一个横截面为V型的沟槽，所述沟槽的深度范围是0.3nm-50nm，宽度范围是10nm-500nm。

可选的，所述沟槽的深度范围是0.1nm～8.0nm，且宽度范围是10nm～344nm。

可选的，所述沟槽的深度范围是0.1nm～16.3nm，且宽度范围是10nm～166nm。

本实用新型进一步提供了一种III族氮化物衬底，包括支撑衬底和外延层，所述支撑衬底和外延层均为III族氮化物材料，且所述支撑衬底与外延层贴合的表面是其III族氮化物面，所述支撑衬底的III族元素面至少存在一个横截面为V型的沟槽，所述沟槽的深度范围是0.3nm-50nm，宽度范围是10nm-500nm。

可选的，所述外延层填充至所述沟槽内。

本实用新型的优点在于，采用更为快速的腐蚀工艺代替了化学机械抛光，只去除晶格损伤而不特别在意是否去除划痕。实际上，由于腐蚀工艺的对表面的去除速度基本相同，因此划痕得以保留。但是，测试结果表明，与现有技术中采用无划痕衬底相比，所获得的外延层质量相同。因此，本实用新型摒弃了外延衬底一定要无划痕的技术偏见，提供了有划痕的衬底用于外延生长，节省了化学机械抛光带来的工艺成本。