具有图案式表面的Ⅲ族元素氮化物层 |
|||||||
| 申请号 | CN200810094959.0 | 申请日 | 2004-03-25 | 公开(公告)号 | CN101261936A | 公开(公告)日 | 2008-09-10 |
| 申请人 | 朗迅科技公司; | 发明人 | 阿里夫·乔杜里; 黄福明; 理查特·埃利奥特·斯拉歇尔; | ||||
| 摘要 | 用一种制造方法形成III族元素氮化物的图案层。该方法包括形成晶体底衬，并在该底衬的平表面上形成第一III族元素氮化物的第一层。该第一层具有单一极性，还具有孔或者沟槽的图案，这些孔或者沟槽露出一部分底衬。该方法还包括在第一层和露出的底衬部分上 外延 生长 第二III族元素氮化物的第二层。该第一和第二III族元素氮化物具有不同的 合金 组份，该方法还包括用 碱 的 水 溶液处理第二层，从而使第二层形成图案。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种方法，包括： 提供具有平表面的底衬； 在该底衬的平表面上形成III族元素氮化物的晶体层； 用碱的水溶液处理该晶体层以刻蚀该晶体层，以便多个角锥体从该晶体层的第一侧向区域的N极性表面形成，但不形成在该晶体层的不相交的第二侧向区域中，该第二侧向区域位于第一侧向区域之间。 |
||||||
| 说明书全文 | 具有图案式表面的III族元素氮化物层本发明是2004年3月25日提出的、名称为"具有图案式表面的 III族元素氮化物层，，的发明专利申请No.200410030492.5的分案申请。技术领域本发明涉及包含晶体HI族元素氮化物的电学器件和光学器件。 背景技术在电学和光学器件中采用晶体III族元素氮化物半导体。 对于电学器件，已经用III族元素氮化物来制造场发射极。场发 射极是具有尖端的导体结构，该尖端响应电荷产生高电场。该高电场 使得该尖端发射电子。为此，场发射极的阵列可以操作荧光图像屏。一种先有技术方法已经用III族元素氮化物制造场发射极的阵列。 III族元素氮化物具有很好的化学和机械稳定性，因为III族元素氮化 物的化学键很稳定。这种稳定性对于使用场发射极阵列的器件是很有 用的。这种先有技术方法用III族元素氮化物生长场发射极。这种生长 方法包括在蓝宝石底衬上外延生长氮化镓（GaN)层、在该GaN层上 形成Si02掩膜以及在该掩膜的圆形窗口上外延伸长角锥形上的GaN 场发射极。虽然该生长方法形成尺寸均匀的场发射极，但该场发射极 没有很尖的尖端。为了产生更高的电子发射率和较低的阈值电压，需 要更尖的尖端。对于电学器件，III族元素氮化物具有高的折射率。在制造光子带 隙结构时需要具有高折射率的材料。对于固定的光子带隙，这种材料 寸。 ： ^ '、、用于制造共面光子带隙结构的一种方法包括干刻蚀III族元素氮化物的光滑层。然而不幸的是，in族元素氮化物的稳定性使得用于刻 蚀掩膜材料上的ni族元素氮化物的干刻蚀剂选择性差。因此，干刻 蚀不能在in族元素氮化物上形成深的表面花紋，干刻蚀方法只能在 in族元素氮化物层上形成薄的共面光子带隙结构。不幸的是，光不能与薄的共面结构进行充分的边缘耦合，为此需 要提供一种方法来制造光子带隙结构，该结构在ni族氮化物层上可 以形成较高的表面凸紋。发明内容其中用机械方法形成的图案表面具有变形的阵列，例如孔的阵列、 沟槽阵列或者物理粗糙区域的阵列。各种实施例提供了用于制造具有图案式表面的in族元素氮化物 层的方法。图案式表面形成最后结构的各种功能。制造方法利用了氮 极（N极）in族元素氮化物层易于受强碱腐蚀的特性。该方法采用碱 溶液来湿刻蚀ni族元素氮化物层，由此形成图案式表面。例示性的图案式表面形成光子带隙结构和场发射极阵列。在第一方面中，本发明以制造方法为特征。该方法包括形成晶体 底衬，并在该底衬的平面上形成第一层，即第一ni族元素氮化物层。 该第一层具有单一的极性，并具有露出底衬一部分的孔或者沟槽的图 案。该方法包括在第一层和露出的底衬部分上外延生长第二层，即第 二 iii族元素氮化物层。该第一和第二 in族元素氮化物具有不同的合 金组份。该方法包括用碱的水溶液处理第二层，以便用机械方法使第 二层形成图案。在第二方面，本发明以装置和机械形成图案式表面为特色。该装 置包括具有平面的晶体底衬和多个角锥形的场发射极，该发射极位于 该表面的一部分上。该装置包括由第一 in族元素氮化物组成的层， 该层位于表面的另一部分上，还包括由第二in族元素氮化物组成的 层，该层位于第一in族元素氮化物层的上面。该第二in族元素氮化 物层没有角锥形的表面结构。该场发射极包括第二组ni族元素氮化 物，该第一和第二in族元素氮化物具有不同的合金组份。在第三方面中，本发明以一种装置为特征，该装置包括晶体底衬和用机械方法形成的第一 III族元素氮化物图案层，该层位于底衬的 平面上。该装置还包括第二III族元素氮化物层，该层位于第一III族 元素氮化物的机械形成的图案层上。第二 III族元素氮化物层具有柱 状孔或者沟槽的图案。该第一和第二 III族元素氮化物具有不同的合 金组份。附图说明图1A是横截面图，示出III族元素氮化物场发射极阵列的平面结构；图1B是横截面图，示出III族元素氮化物场发射极的场发射阵列 的另一平面结构；图1C示出平板式图像显示器，该显示器包括图1A或者1B所示 的场发射阵列；图2是结构的横截面图，该结构包括一层III族元素氮化物，该层氮化物用机械方法断续形成有孔或者沟槽的图案；图2A是光子带隙器件的一个实施例的顶视图，该器件包括由图2所示结构表示的结构；图2B是光子带隙器件另一实施例的顶视图，该器件包括由图2所示结构表示的结构；图2C是光子带隙器件另一实施例的顶视图，该器件包括由图2所示结构代表的结构；图3是流程图，示出制造结构的方法，该结构具有如图1A-1B、 2、 2A和2B所示的III族元素氮化物图案层；图4是用图3所示方法实施例制造的结构其斜视电子扫描显微照 片（SEM)，该结构湿刻蚀时间很短；图5是用图3所示方法实施例制造的结构，其顶视SEM，该结构 的湿刻蚀时间为中等；图6是用图3所示方法实施例制造的结构其顶视SEM，其中湿刻 蚀时间很长；图7是流程图，示出制造GaN结构的具体方法，该结构具有图 1A-1B、 2、 2A和2B所示的图案层。在附图和文中，相同的编号表示类似的部件。 具体实施方式III族金属和氮之间的稳定化学键使得III族元素氮化物半导体可 以抗任何腐蚀剂的腐蚀。但是强碱的水溶液可以腐蚀III族元素氮化 物层的氮极表面。这种湿腐蚀剂能够在已经形成极性图案的III族元 素氮化物层上自动形成图案。例示性的图案表面形成如图1A-1B所示 的场发射极阵列和如图2、 2A和2B所示的光子带隙结构。图1A示出场发射极阵列IOA。该场发射阵列10A包括底衬12和 侧向相互散开的柱形第一和第二区域14和15的规则图案。笫一和第 二区域14和15覆盖底衬12的平面17。该底衬是晶体材料例如碳化 珪（SiC)或者（0 00 1 )晶面蓝宝石。第一和第二区域14和15区域 包括III族元素氮化物的相应（00 0 1 )极性晶面和（00 or)极性晶 面。区域14和15的III族元素氮化物与底衬12的顶面17有很大的HI族元素氮化物的（0 0 0 1)极性晶面和（0 0 0 1 )极性晶面称 作N极晶面和金属极晶面。N极晶面和金属极晶面具有固有的相反极 化作用。平的N极层和金属极层的自由面分别结束于氮原子层和III 族元素金属层。第一和第二柱形区域14和15具有物理上不同的表面，因此在底 衬12上形成III族元素氮化物的图案层。第一区域14包括III族元素 氮化物的一个或多个六角形角锥体16。因此第一区域14具有不平的 露出表面，该表面包括尖端20。第二区域15包括III族元素氮化物的 光滑层，并且没有角锥形结构。因此第二区域15的露出表面22是平 滑的平面。第二区域15的表面22和第一区域14的最高尖端20相比 位于底衬12平表面17的更上面。第一区域14的六角形角锥体16具有尖的顶点20，因此可以起场 发射极的作用。该顶部尖端20的直径小于100nm。在III族元素氮化物是GaN的实施例中，角锥体16的尖端20其直径小于约20-30nm, 并具有与平表面17形成约56°-58°的表面。该角锥体16具有六个表面， 这些表面是（10IT)小表面。在单个第一区域中，六角角锥体16和顶部尖端20的分布是随机 的。不同的第一区域14具有不同数目的六角角锥体16。第一区域14 的尺寸是不变的，因为相互散开的第二区域15具有同样的尺寸和规定 的侧向分布。在第二区域15中，第一 III族元素氮化物层位于更薄的底层18 上，该底层由第二 III族元素氮化物构成。第二 III族元素氮化物与底 衬12的平面17有很大的晶格失配。重要的是，第二III族元素氮化 物使金属极性生长在底衬12的表面17上。图1B示出场发射极阵列10B的另一实施例。该场发射极阵列10B 包括底衬12和如图1A所示的相互散开的柱形第一和第二区域14和 15的规则图案。在场发射极阵列10B中，第二区域14包括重叠的六 角形角锥体16，而不是如场发射极阵列10A那样是分开的角锥体16。 另外，角锥体16具有一定的尺寸范围，并位于N极III族元素氮化物 的厚层19上，而不是如图1A所示的场发射极阵列IOA中那样，直接 长在平面17上。在场发射极阵列10B中，六角角锥体16仍具有尖的 顶端20，因此，仍然可以有效的起场发射极的作用。顶部尖端20仍 低于第二区域15的露出顶表面22。图1C示出平面图像显示器24的实施例。该显示器24包括场发 射极阵列10，例如图1A或者图1B所示的阵列IOA或者IOB。该显 示器24还包括金属电极26和荧光屏28。该金属电极26由场发射极 阵列的第二区域15的平顶表面22支承。该顶表面22沿一个比尖端 20本身更靠近荧光屏28的平面支承金属电极26。为此，金属电极26 能够控制场发射极阵列的电子发射。金属电极26起相邻第一区域14 中场发射极的控制闸门作用。将金属电极26支承在第二区域22上可 以方便地避免需要将电极自准直在各个尖端20上。这种准直方法很复 杂，因为在各个第一区域14中尖端20的位置是随机的。7图2示出具有第一 III族元素氮化物图案层32的另一种结构30。 该层32位于金属底衬12的顶表面17上，例如蓝宝石底衬的（0 0 0 1 ) 晶面上。该层32包括同样的柱形孔或者沟槽34的规则阵列。该孔或 者沟槽34具有大体矩形横截面并横穿过层32的整个厚度。该层32 位于图案式的底层18上。该底层18是第二晶体III族元素氮化物， 其合金组份不同于第一 III族元素氮化物。该底层18外延配置在III 族金属极的平表面17上。对于该对层18和32,例示性的一对笫二和第一 III族元素氮化物 半导体是：AlN和GaN对，或者A1N和AlGaN对。层32的厚度通常是底层18厚度的100-10000倍。例示性的GaN 层32的厚度为30微米或者更厚，例示性的A1N底层18的厚度仅约 为20-30nm。底层18必须厚到足以准直位于底层18上的另一层的极 化。在光学器件中，该层32通常起平面波导件的光学芯作用。该波导 件通过边缘37接收入射光36,并经相反的边缘39送出射出光38。层 32与光导纤维和其它光波导件的这种边缘耦合对于层32较厚的实施 例是更有效的。因此，该层32最好相当厚，即在30微米以上，因为 这种较厚的层32可以使端部更有效地耦合于标准的光导纤维和波导 件。图案式的较厚层32例如是厚的光子带隙结构。厚光子带隙结构和 用干刻蚀方法形成的较薄光子带隙结构相比，可以更有效地进行光的 边缘耦合。图2A和2B示出两个例示性的平面光子带隙结构30A和30B。在 图2中示出真实结构30A和30B的横截面图。结构30A和30B包含 金属极III族元素氮化物即（0 0 0 1 )晶面HI族元素氮化物的层32。 该层32位于图2所示的晶体底衬12的顶表面上，该层32由基本上完 全一样的柱形部件34B和34B的阵列形成图案。该柱形部件34A和 34B分别是结构30A和30B中的孔和沟槽。该孔34A和沟槽34B形成分别具有一个和两个无联系晶格对称性的规则阵列。为此，孔34A和沟槽34B产生层32折射率的相应二维 和一维周期性调制，这种折射率调制形成阵列中选定点阵长度的光子 带隙结构。1/4奇整数倍乘以介质中入射光有效波长得到的点阵长度可 以形成光子带隙结构。图2C示出光子带隙结构30C,该结构类似于图2A所示的光子带 隙结构30A,只是孔和III族元素氮化物材料层被交换。在结构30C 中III族元素氮化物的层32C是二维的分离柱阵列。在III族元素氮 化物柱之间的是相互连接的沟槽34C的二维图案。该沟槽34C与柱彼 此分离。图3示出制造一种结构的方法40，该结构具有III族元素氮化物 的图案层，例如如图1A-1B、 2、 2A或者2B所示。该方法40包括在晶体底衬的选定平面上形成第一III族元素氮化 物的金属极性第一层（步骤42)。形成该层的步骤包括外延生长第一 III族元素氮化物和用光刻法形成该层的图案。选择第一 III族元素氮 化物的组份，以确保外延生长能够形成金属极性层。该图案是相同孔 或者沟槽的规则图案，这些孔和沟槽穿过该层，露出底衬的一部分。随后，方法40包括在第一层和底衬的露出部分的上面外延生长第 二 III族元素氮化物的较厚第二层（步骤44 )。在整个第一层上生长具 有金属极性的第二层。而在底衬的露出部分上生长具有N极性的第二 层。第一和第二 III族元素氮化物具有不同的合金组份例如A1N和 GaN，并且与底衬有很大的晶格失配。最后，方法40还包括用强碱例如KOH或者NaOH的水溶液处理 第二层（步骤46)。该水溶液可以选择性腐蚀N极表面，使第二层形 成图案。强碱水溶液不会显著腐蚀III族元素氮化物的金属极表面。 机械图案的形状定性的取决于腐蚀时间和腐蚀剂的浓度。图4是极性条GaN层50的电子扫描显微照片，该层已经用2摩 尔KOH的水溶液刻蚀45分钟。该GaN层在湿刻蚀期间保持在约90 r的温度。刻蚀的GaN层50具有N极GaN条52和Ga极的GaN条54。相当短的刻蚀时间已经从N极GaN条52上除去大量材料，而没有从 Ga极的GaN条54上除去大量材料。在N极条52上，这种刻蚀形成 由紧实的六角GaN角锥体例如图1B所示的角锥体构成的表面。该角 锥体具有不同的尺寸和直径约为20-30nm和更小的顶部尖端。测量表明，角锥体的密度pA随刻蚀温度T变化，例如 [PA】"-【PA。"exp(-Ea/kBT)，式中kB是玻尔兹曼常数。对于两摩尔KOH 溶液、15分钟的刻蚀和25'C-100'C之间的温度，测量显示，激发能 Ea等于约0.587eV。本发明人认为，湿的KOH刻蚀可以形成紧实的六角形GaN角锥 体的分布，这部分是由于不受腐蚀的Ga极GaN条54。具体是，Ga 极条侧向限制N极条52，使得刻蚀剂腐蚀N极条52的顶表面，而不 腐蚀其侧表面。当N极GaN条的宽度约为7微米时，KOH湿刻蚀形 成紧实的有尖端的六角GaN角锥体。可以认为，紧实六角角锥体也是 由于KOH湿刻蚀GaN表面形成的，在这种表面中N极GaN条的宽 度约为IOO微米和更小。然而不能认为，KOH湿刻蚀平表面不受限制 N极GaN也会产生紧实的有尖端的六角GaN角锥体。图5是扫描电子显微照片，示出极性条的GaN层50，该条已用 4摩尔的KOH水溶液刻蚀60分钟。另外，该GaN层在湿刻蚀期间 保持在约9(TC的温度。更强的腐蚀可以从N极GaN条52上除去所有材料，只是分离出 六角形GaN角锥体56。该湿刻蚀在下面的晶体蓝宝石底衬上停止。 中等时间长度的刻蚀至少在各个N极GaN条内将形成像图1A的图 案。在这些区域内六角GaN角锥体56具有随机分布。图6是极性条GaN层50的电子扫描照片，该层已经用4摩尔的 KOH水溶液腐蚀60分钟以上。另外，在腐蚀期间该GaN层保持在 25。C-125。C的温度。最好保持在约90。C温度。这种较长时间的腐蚀可以完全除去原来的N极GaN条52。结果， 基本上垂直的沟槽分开没有腐蚀的极性条54。 Ga极性条54的侧壁不 是完全垂直的，因为湿腐蚀剂慢慢地腐蚀GaN层的侧壁。超过4摩尔的较高浓度KOH的水溶液容易腐蚀Ga极条54露出的侧壁和表面。 最终得到的结果具有像图2、 2A和2B所示结构30、 30A和30B的III 族元素氮化物的图案式Ga极层。图7示出制造GaN结构的方法60,该结构形成如图1A、 1B、 2、 2A和2B所示的图案。该方法60包括制备平面蓝宝石生长底衬（步 骤62)、在底衬上生长Ga极性准直层并在该层上形成图案（步骤64) 以及在该准直层上外延生长有极性图案的GaN层（步骤66)。该方法 60还包括湿刻蚀该GaN层，以便选择性除去N相区域中的GaN，形 成机械图案（步骤68)。在步骤62中，生长蓝宝石底衬包括清洗晶体蓝宝石底衬的（000 1)晶面。该清洗包括用水性清洗溶液清洗表面1分钟。将约96%重 量硫H2S04的第一水性溶液与约30%重量11202的第二水性溶液相混 合便形成清洗水溶液。在混合期间，将约10份体积的第一溶液和1 份体积的第二溶液混合。这种清洗还包括用去离子水清洗的表面，然后风干蓝宝石生长底衬。在步骤62中，形成蓝宝石生长底衬还包括在分子束外延（MBE) 系统的緩冲室中在约200X:的温度下，使蓝宝石底衬去气。这种去气 一起到緩沖室的压力低于约5xl(^乇，去气后将蓝宝石底衬移到可以 形成等离子体的MBE系统的生长室中。在步骤64中，生长Ga极性准直层和其上形成图案的步骤包括在 蓝宝石底衬上进行A1N层的MBE生长（子步骤64a)。为了进行MBE 生长，生长室的温度以每分钟约8。C的速度上升到约720。C的最后温 度。利用在底衬后表面上沉积的300nm厚的钛层使蓝宝石温度保持在 均匀温度下。用MBE系统使A1N层生长到厚度约20-30nm。这种薄的A1N层 应足以厚到覆盖蓝宝石底衬的整个露出表面。在32P型号的分子束外 延系统(Riber Corporation of 133 boulevard National，Boite Postale 231,92503 RueilMalmaison France)中，生长条件是：Al渗出池的温 度约为1050。C、氮流量约为2sccm,而射频功率约500W。在步骤64中，形成图案式的A1N层12的步骤包括在已经生长的 A1N层上用MBE生长约50nm的保护层GaN (子步骤64b )。该GaN 层保护下面的AIN层在随后从MBE生长室中取出底衬时不受氧化。 生长GaN层的条件类似于用MBE生长AIN层的条件，只是除升高 Al渗出池的温度而外还升高Ga渗出池中的温度。在这种生长期间， Ga渗出池的温度约为1000匸-1020。C。在将蓝宝石底衬冷却到约200之后，在GaN/AlN层上用光刻法形 成窗口的规则阵列，该窗口露出蓝宝石底衬的选择部分（子步骤64c )。 形成图案的步骤包括在GaN层上形成光阻材料的掩膜，然后进行常规 的氯基等离子体腐蚀，以除去GaN/AlN层的未掩蔽部分。等离子体腐 蚀的例示条件是：射频源功率约为300-500\V、源的偏压约100-200V, 氯-氩气流速约为10-25sccm (流量的20°/。-50%是氩气），而气体压力 约为1-10毫乇。这种等离子体腐蚀形成GaN层盖住AIN层区域的预 定图案。进行等离子体腐蚀以后，在HC1的水溶液中清洗蓝宝石底衬，该 底衬具有GaN覆盖AIN的图案，然后用去离子水中漂洗，最后用氮 气风干。该清洗水溶液的HC1重量约在36.5%-48%。然后再进行上 述步骤，将蓝宝石底衬再引入到MBE系统中。在步骤66中，外延生长GaN层包括用等离子体增强MBE生长 GaN层，使其厚度达到约2微米或更多。在MBE生长期间，该系统 的条件是：Ga渗出池的温度约1000°C-1020X:，氮的流量约2sccm， 而射频功率约为500W。在这种生长期间，GaN覆盖AlN的区域。开 始生长Ga极GaN，蓝宝石底衬10的露出区域开始生长N极GaN。在步骤68中，各向异性湿刻蚀包括将GaN层和底衬浸在KOH 的水溶液中。例示性的湿刻蚀采用1-4摩尔的KOH水溶液，在100 'C的腐蚀时间约15-60分钟。KOH的浓度和腐蚀时间定性确定得到的 机械图案的形状，如图4-6所示。湿刻蚀选择性除去具有N极性的 GaN。但是用大于4摩尔KOH的更强碱性溶液进行湿刻蚀可以腐蚀 原来GaN层的Ga极部分的端表面。从此说明、附图和权利要求，技术人员可以明显看出本发明的其 它实施例。 | ||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈