TWI464903B - 外延襯底及其製備方法、外延襯底作為生長外延層的應用 - Google Patents

外延襯底及其製備方法、外延襯底作為生長外延層的應用 Download PDF

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Description

外延襯底及其製備方法、外延襯底作為生長外延層的應用
本發明涉及一種用於外延生長的外延襯底、外延襯底的製備方法及所述外延襯底作為生長外延層的應用。
外延襯底，尤其氮化鉀外延襯底為製作半導體器件的主要材料之一。例如，近年來，製備發光二極體(LED)的氮化鎵外延片成為研究的熱點。
所述氮化鎵外延片是指在一定條件下，將氮化鎵材料分子，有規則排列，定向生長在外延襯底如藍寶石基底上。然而，高品質氮化鎵外延片的製備一直是研究的難點。由於氮化鎵和藍寶石基底之晶格常數及熱膨脹係數的不同，從而導致氮化鎵外延層存在較多的位錯缺陷。而且，氮化鎵外延層和外延襯底之間存在較大應力，應力越大會導致氮化鎵外延層破裂。這種外延襯底普遍存在晶格失配的現象，且易形成位錯等缺陷。
先前技術提供一種改善上述不足的方法，其採用非平整的藍寶石基底作為外延襯底生長氮化鎵。然而，先前技術通常在藍寶石基底表面形成溝槽從而構成非平整外延生長面，然而由於工程的限 制形成之溝槽的尺寸較大，因此在得到的外延襯底中，位元錯密度依然較高，從而影響外延襯底之品質。
因此，提供一種高品質的外延襯底、外延襯底的製備方法及其在外延生長中的應用實有必要。
一種外延襯底，用於生長外延層，該外延襯底包括：一基底，該基底具有一圖案化的表面作為外延生長面，其中，所述外延襯底進一步包括一奈米碳管層覆蓋所述基底的外延生長面設置，所述奈米碳管層具有複數空隙，該複數空隙沿所述奈米碳管層的厚度方向貫穿所述奈米碳管層，所述基底的外延生長面具有複數凹槽，所述奈米碳管層在對應所述凹槽的位置懸空設置。
一種外延襯底，用於生長外延層，該外延襯底包括：一基底，該基底具有一外延生長面；以及複數凸起結構設置在所述基底的外延生長面，其中，所述外延襯底進一步包括一奈米碳管層覆蓋所述複數凸起結構以及基底的外延生長面設置，且所述奈米碳管層不與所述基底的外延生長面接觸，位於相鄰的兩個凸起結構之間的所述奈米碳管層懸空設置。
一種外延襯底的製備方法，其包括以下步驟：提供一基底，該基底具有一外延生長面；處理所述外延生長面，形成一圖案化的表面；在所述圖案化的外延生長面設置一奈米碳管層。
一種外延襯底作為生長外延層的應用，包括以下步驟：提供一如上所述的外延襯底，所述外延襯底具有一圖案化的外延生長面及覆蓋該外延生長面的奈米碳管層；在所述外延襯底的外延生長面 生長一外延層。
相較於先前技術，通過在所述基底的圖案化的外延生長面設置一奈米碳管層作為光罩的方法減小了外延層生長過程中的位錯缺陷，提高了所述外延層的品質。
10,20‧‧‧外延襯底
100‧‧‧基底
101‧‧‧外延生長面
102‧‧‧光罩
103‧‧‧凹槽
107‧‧‧凸起結構
110‧‧‧奈米碳管層
112‧‧‧空隙
120‧‧‧外延層
125‧‧‧孔洞
113‧‧‧奈米碳管片段
115‧‧‧奈米碳管
圖1為本發明第一實施例提供的外延襯底的製備方法的制造流程圖。
圖2為本發明第一實施例提供外延襯底的製備方法中的圖案化基底制造流程圖。
圖3為圖1所示的外延襯底的製備方法中圖案化的基底的結構示意圖。
圖4為圖1所示的外延襯底的製備方法中採用的奈米碳管膜的掃描電鏡照片。
圖5為圖4中的奈米碳管膜中的奈米碳管片段的結構示意圖。
圖6為本發明第一實施例提供的外延襯底的製備方法中採用的複數層交叉設置的奈米碳管膜的掃描電鏡照片。
圖7為本發明第一實施例提供的外延襯底的製備方法中採用的非扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。
圖8為本發明第一實施例提供的外延襯底的製備方法中採用的扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。
圖9為本發明第一實施例提供的外延襯底的結構示意圖。
圖10為本發明應用第一實施例提供的外延襯底生長外延層的制造流程圖。
圖11為本發明第二實施例提供的外延襯底的製備方法的制造流程圖。
圖12為本發明第二實施例提供的外延襯底的結構示意圖。
以下將結合附圖詳細說明本發明實施例提供的外延襯底、外延襯底的製備方法及其應用。為便於理解本發明的技術方案，本發明首先介紹一種外延襯底的製備方法。
請參閱圖1，本發明實施例提供一種外延襯底10的製備方法，其具體包括以下步驟：步驟S11，提供一基底100，該基底100具有一外延生長面101；步驟S12，蝕刻所述外延生長面101，形成一圖案化的表面；步驟S13，在所述圖案化的外延生長面101設置一奈米碳管層110。
在步驟S11中，所述基底100提供了生長外延層120的外延生長面101。所述基底100的外延生長面101是分子平滑的表面，且去除了氧或碳等雜質。所述基底100可為單層或複數層結構。當所述基底100為單層結構時，該基底100可為一單晶結構體，且具有一晶面作為外延層120的外延生長面101。所述單層結構的基底100的材料可為SOI(silicon on insulator，絕緣基底上的矽)、LiGaO2、LiAlO2、Al2O3、Si、GaAs、GaN、GaSb、InN、InP、 InAs、InSb、AlP、AlAs、AlSb、AlN、GaP、SiC、SiGe、GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAlN、GaInN、AlInN、GaAsP、InGaN、AlGaInN、AlGaInP、GaP：Zn或GaP：N等。當所述基底100為複數層結構時，其需要包括至少一層所述單晶結構體，且該單晶結構體具有一晶面作為外延生長面101。所述基底100的材料可根據所要生長外延層120來選擇，優選地，使所述基底100與外延層120具有相近的晶格常數及熱膨脹係數。所述基底100的厚度、大小和形狀不限，可根據實際需要選擇。所述基底100不限於所述列舉的材料，只要具有支持外延層120生長的外延生長面101的基底100均屬於本發明的保護範圍。本實施例中，所述基底100為藍寶石(Al2O3)基底。
在步驟S12中，所述外延生長面101的蝕刻方法可為幹法蝕刻法、濕法蝕刻法等方法中之一。請一併參閱圖2，本實施例中，所述外延生長面101的蝕刻方法為濕法蝕刻法，具體包括一下步驟：步驟S121，在所述外延生長面101上設置一圖案化的光罩102；步驟S122，蝕刻所述基底100的外延生長面101，形成一圖案化的表面；步驟S123，去除所述光罩102。
在步驟S121中，所述光罩102的材料不限，如二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或二氧化鈦等，可根據實際需要進行選擇，只要保證在後續的蝕刻基底100的過程中，光罩102覆蓋的基底100不能被腐蝕液腐蝕即可。本實施例中，所述在外延生長面101設置圖案化光罩102包括以下步驟： 首先，在所述基底100的外延生長面101上沈積一層二氧化矽膜。所述二氧化矽膜可通過化學氣相沈積法形成在所述外延生長面101，所述二氧化矽膜的厚度可為0.3微米~2微米。
其次，利用光刻工程蝕刻所述二氧化矽膜形成一圖案化的光罩102。所述二氧化矽膜的蝕刻可包括以下步驟：第一步，所述二氧化矽的表面設置一光刻膠；第二步，通過曝光顯影使所述光刻膠圖案化；第三步，利用氫氟酸(HF4)、氟化氨(NH4F)的混合液蝕刻所述二氧化矽膜，形成所述圖案化的光罩102。
所述光罩102的圖案不限，優選的，所述圖案為複數圖形單元形成一週期性的圖形陣列，所述圖形單元可為圓形、方形、正六邊形、菱形、三角形或不規則圖形中的任意一種或幾種的組合，可根據實際需要進行選擇。本實施例中，所述圖形單元為一矩形，所述複數矩形彼此平行排列，優選的，所述複數矩形彼此等間距排列，圖形單元之間的間距為1微米~20微米，所述矩形的寬度可為1微米~50微米，其長度可與所述基底100的長度或寬度相同。
在步驟S122中，所述基底100以圖案化的二氧化矽膜作為光罩，採用硫酸與磷酸的混合液濕法蝕刻所述基底100的外延生長面101，未覆蓋光罩102的外延生長面101在混合液的腐蝕作用下溶解，而覆蓋有光罩102的表面則不發生變化，從而使所述基底100的外延生長面101圖案化。所述硫酸與磷酸的體積比為1：3~3：1，所述蝕刻溫度為300℃~500℃，蝕刻時間可為30秒~30分鐘，所 述蝕刻時間可根據所需蝕刻的深度進行選擇。
請一併參閱圖3，所述圖案化的基底100的圖形與所述光罩102的圖形對應，本實施例中，由於所述光罩102為複數矩形單元排列形成一陣列，因此，在所述基底100的表面形成複數條形的凹槽103。所述複數條形凹槽103沿同一方向延伸，且在垂直於延伸方向上複數凹槽103彼此平行間隔排列，優選的，所述複數凹槽103彼此等間距排列。所述凹槽103的寬度為1微米~50微米，所述凹槽103的間距為1微米~20微米，所述凹槽103的深度可根據實際需要進行選擇，優選的，所述凹槽103具有相同的深度，所述凹槽103的深度是指沿垂直於外延生長面101的表面向所述基底100內部延伸的長度。本實施例中，所述凹槽103的深度為0.1微米~1微米。
在步驟S123中，所述光罩102可採用氫氟酸(HF4)腐蝕的方法去除。進一步的，在所述光罩102去除之後，可利用电漿水等洗滌所述基底100，以去除殘餘的氫氟酸等雜質，以有利於後續的外延生長。
在步驟S13中，所述奈米碳管層110通過直接鋪設的方法設置於基底100的外延生長面101。所述奈米碳管層110與所述基底100接觸設置並覆蓋所述外延生長面101，具體的，所述奈米碳管層110與所述複數凹槽103之間的外延生長面101接觸設置，凹槽103上的奈米碳管層110懸空設置，所述懸空設置是指位於凹槽103處的部份奈米碳管層110不與基底100的任何表面接觸。所述奈米碳管層110包括複數奈米碳管的連續的整體結構，該複數奈米碳管沿著基本平行於奈米碳管層110表面的方向延伸。當所述奈米碳管層 110設置於所述外延生長面101時，所述奈米碳管層110中複數奈米碳管的延伸方向平行於所述奈米碳管層110所在的平面。所述奈米碳管層110與所述圖案化外延生長面101共同作為生長外延層120的表面。
所述奈米碳管層110的厚度為1奈米~100微米、10奈米、200奈米、1微米。所述奈米碳管層110為一圖形化的奈米碳管層110。本實施例中，所述奈米碳管層110的厚度為100奈米。所述奈米碳管層110中的奈米碳管可為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管中之一或複數，其長度和直徑可根據需要選擇。所述奈米碳管層110為一圖形化結構，當所述奈米碳管層110設置在所述基底100的外延生長面101時，使所述基底100的外延生長面101對應該圖形暴露出來，以便於在該暴露出來的部份基底100的外延生長面101上生長外延層120，即所述奈米碳管層110起光罩作用。
所述“圖形化結構”是指所述奈米碳管層110具有複數空隙112，該複數空隙112從所述奈米碳管層110的厚度方向貫穿所述奈米碳管層110。所述空隙112可為複數相鄰的奈米碳管圍成的微孔或者沿奈米碳管軸向延伸方向延伸呈條形的相鄰奈米碳管之間的間隙。所述空隙112為微孔時其孔徑(平均孔徑)範圍為10奈米~500微米，所述空隙112為間隙時其寬度(平均寬度)範圍為10奈米~500微米。以下稱為“所述空隙112的尺寸”是指孔徑或間隙寬度的尺寸範圍。所述奈米碳管層110中所述微孔和間隙可以同時存在並且兩者尺寸可以在上述尺寸範圍內不同。所述空隙112的尺寸為10奈米~300微米，比如10奈米、1微米、10微米、80微米或120微米等。所述間隙105的尺寸越小，有利於在生長外延層的 過程中減少位錯等缺陷的產生，以獲得高品質的外延層120。優選地，所述空隙112的尺寸為10奈米~10微米。進一步地，所述奈米碳管層110的佔空比為1：100~100：1，如1：10、1：2、1：4、4：1、2：1或10：1。優選地，所述佔空比為1：4~4：1。所謂“佔空比”指該奈米碳管層110設置於基底100的外延生長面101後，該外延生長面101被奈米碳管層110佔據的部份與通過空隙112暴露的部份的面積比。本實施例中，所述空隙112在所述奈米碳管層110中均勻分佈。
所述奈米碳管層110具有如前所述的圖形效果的前提下，所述奈米碳管層110中的複數奈米碳管的排列方向(軸向延伸方向)可以是無序、無規則，比如過濾形成的奈米碳管過濾膜，或者奈米碳管之間相互纏繞形成的奈米碳管絮狀膜等。所述奈米碳管層110中複數奈米碳管的排列方式也可以是有序的、有規則的。例如，所述奈米碳管層110中複數奈米碳管的軸向均基本平行於所述基底100的且基本沿同一方向延伸；或者，所述奈米碳管層110中複數奈米碳管的軸向可有規律性地基本沿兩個以上方向延伸；或者，所述奈米碳管層110中複數奈米碳管的軸向沿著基底100的一晶向延伸或與基底100的一晶向成一定角度延伸。為了容易獲得較好的圖形效果，本實施例中優選的，所述奈米碳管層110中複數奈米碳管沿著基本平行於奈米碳管層110表面的方向延伸。當所述奈米碳管層110設置於所述基底100的外延生長面101時，所述奈米碳管層110中複數奈米碳管的延伸方向基本平行於所述基底100的外延生長面101。
所述奈米碳管層110為一自支撐結構，此時所述奈米碳管層110可 直接鋪設在所述基底100的外延生長面101。其中，所述“自支撐”是指該奈米碳管層110不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身狀態，即將該奈米碳管層110置於(或固定於)間隔特定距離設置的兩個支撐體上時，位於兩個支撐體之間的奈米碳管層110能夠懸空保持自身狀態。由於奈米碳管層110為自支撐結構，所述奈米碳管層110可以直接鋪設在基底100上，而不必要通過複雜的化學方法形成在基底100的外延生長面101。所述奈米碳管層110可以是一連續的整體結構，也可以是複數奈米碳管線平行排列形成的單層結構。當所述奈米碳管層110為複數奈米碳管線平行排列形成的單層結構時，需要在垂直於平行排列方向上提供支撐才具有自支撐能力。進一步的，所述奈米碳管層110的複數奈米碳管中在延伸方向上相鄰的奈米碳管之間通過凡得瓦力(van der Waals force)首尾相連。當並列的相鄰奈米碳管之間也通過凡得瓦力相連時所述奈米碳管層110的自支撐性更好。
所述奈米碳管層110可以是由複數奈米碳管組成的純奈米碳管結構。即，所述奈米碳管層110在整個形成過程中無需任何化學修飾或酸化處理，不含有任何羧基等官能團修飾。所述奈米碳管層110還可為一包括複數奈米碳管及添加材料的複合結構。其中，所述複數奈米碳管在所述奈米碳管層110中佔主要成分，起著框架的作用。所述添加材料包括石墨、石墨烯、碳化矽、氮化硼、氮化矽、二氧化矽、無定形碳等中之一或任意複數個。所述添加材料還可以包括金屬碳化物、金屬氧化物及金屬氮化物等中之一或複數。所述添加材料包覆於奈米碳管層110中奈米碳管的至少部份表面或設置於奈米碳管層110的空隙112內。優選地，所述添 加材料包覆於奈米碳管的表面。由於，所述添加材料包覆於奈米碳管的表面，使得奈米碳管的直徑變大，從而使奈米碳管之間的空隙112減小。所述添加材料可以通過化學氣相沈積(CVD)、物理氣相沈積(PVD)或磁控濺射等方法形成於奈米碳管的表面。
所述奈米碳管層110可以預先成型後再直接鋪設在所述基底100的外延生長面101。將所述奈米碳管層110鋪設在所述基底100的外延生長面101後還可以包括一有機溶劑處理的步驟，以使奈米碳管層110與外延生長面101更加緊密結合。該有機溶劑可選用乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一種或者幾種的混合。本實施例中的有機溶劑採用乙醇。該使用有機溶劑處理的步驟可通過試管將有機溶劑滴落在奈米碳管層110表面浸潤整個奈米碳管層110或將基底100和整個奈米碳管層110一起浸入盛有有機溶劑的容器中浸潤。
具體地，所述奈米碳管層110可以包括奈米碳管膜或奈米碳管線。所述奈米碳管層110可為一單層奈米碳管膜或複數層疊設置的奈米碳管膜。所述奈米碳管層110可包括複數相互平行且間隔設置的奈米碳管線。所述奈米碳管層110還可以包括複數交叉設置組成網狀結構的奈米碳管線。當所述奈米碳管層110為複數層疊設置的奈米碳管膜時，奈米碳管膜的層數不宜太多，優選地，為2層~100層。當所述奈米碳管層110為複數平行設置的奈米碳管線時，相鄰兩個奈米碳管線之間的距離為0.1微米~200微米，優選地，為10微米~100微米。所述相鄰兩個奈米碳管線之間的空間構成所述奈米碳管層110的空隙112。相鄰兩個奈米碳管線之間的間隙長度可以等於奈米碳管線的長度。所述奈米碳管線設置於所述 外延生長面101構成所述奈米碳管層110時，所述奈米碳管線的延伸方向與所述凹槽103的延伸方向交叉設置，交叉角度大於0度小於等於90度，優選的，所述奈米碳管線的延伸方向垂直於所述凹槽103的延伸方向，即所述奈米碳管線橫跨在所述複數平行間隔排列的凹槽103上。所述奈米碳管膜可以直接鋪設在基底100的外延生長面101構成所述奈米碳管層110。通過控制奈米碳管膜的層數或奈米碳管線之間的距離，可以控制奈米碳管層110中空隙112的尺寸。
所述奈米碳管膜是由若干奈米碳管組成的自支撐結構。所述自支撐主要通過奈米碳管膜中多數奈米碳管之間通過凡得瓦力相連而實現。本實施例中，所述若干奈米碳管為沿同一方向擇優取向延伸。所述擇優取向是指在奈米碳管膜中大多數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數奈米碳管的整體延伸方向基本平行於奈米碳管膜的表面。進一步地，所述奈米碳管膜中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連。當然，所述奈米碳管膜中存在少數隨機排列的奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管膜中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。具體地，所述奈米碳管膜中基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管，並非絕對的直線狀，可以適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可以適當的偏離延伸方向。因此，不能排除奈米碳管膜的基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管中並列的奈米碳管之間可能存在部份接觸。當所述奈米碳管膜設置於所述基底100的外延生長面101時，所述奈米碳管膜中奈米碳管的延伸方向與所述凹槽103的延伸方向可成一交叉角度α，且α大於等於0度小於等 於90度(0°≦α≦90°)。當α為0度時，所述奈米碳管的延伸方向平行於所述凹槽103的延伸方向；當α為90度時，所述奈米碳管的延伸方向垂直於所述凹槽103的延伸方向；當0°<α<90°時，所述奈米碳管的延伸方向與所述凹槽103的延伸方向交叉。
下面進一步說明所述奈米碳管膜或者奈米碳管線的具體構造、製備方法或處理方法。
請參閱圖4及圖5，具體地，所述奈米碳管膜包括複數連續且定向延伸的奈米碳管片段113。該複數奈米碳管片段113通過凡得瓦力首尾相連。每一奈米碳管片段113包括複數相互平行的奈米碳管115，該複數相互平行的奈米碳管115通過凡得瓦力緊密結合。該奈米碳管片段113具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。所述奈米碳管膜可通過從一奈米碳管陣列中選定部份奈米碳管後直接拉取獲得。所述奈米碳管膜的厚度為1奈米~100微米，寬度與拉取出該奈米碳管膜的奈米碳管陣列的尺寸有關，長度不限。所述奈米碳管膜中相鄰的奈米碳管之間存在微孔或間隙從而構成空隙112，且該微孔的孔徑或間隙的尺寸小於10微米。優選地，所述奈米碳管膜的厚度為100奈米~10微米。該奈米碳管膜中的奈米碳管115沿同一方向擇優取向延伸。所述奈米碳管膜及其製備方法具體請參見申請人於2007年2月12日申請的，於2010年7月11日公告的第I327177號中華民國公告專利“奈米碳管薄膜結構及其製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部份。
請參閱圖6，當所述奈米碳管層包括層疊設置的複數層奈米碳管膜時，相鄰兩層奈米碳管膜中的奈米碳管的延伸方向形成一交叉 角度β，且β大於等於0度小於等於90度(0°≦β≦90°)。
為減小奈米碳管膜的厚度，還可以進一步對該奈米碳管膜進行加熱處理。為避免奈米碳管膜加熱時被破壞，所述加熱奈米碳管膜的方法採用局部加熱法。其具體包括以下步驟：局部加熱奈米碳管膜，使奈米碳管膜在局部位置的部份奈米碳管被氧化；移動奈米碳管被局部加熱的位置，從局部到整體實現整個奈米碳管膜的加熱。具體地，可將該奈米碳管膜分成複數小的區域，採用由局部到整體的方式，逐區域地加熱該奈米碳管膜。所述局部加熱奈米碳管膜的方法可以有複數，如雷射加熱法、微波加熱法等等。本實施例中，通過功率密度大於0.1×104瓦特/平方米的雷射掃描照射該奈米碳管膜，由局部到整體的加熱該奈米碳管膜。該奈米碳管膜通過雷射照射，在厚度方向上部份奈米碳管被氧化，同時，奈米碳管膜中直徑較大的奈米碳管束被去除，使得該奈米碳管膜變薄。
可以理解，上述雷射掃描奈米碳管膜的方法不限，只要能夠均勻照射該奈米碳管膜即可。雷射掃描可以沿平行奈米碳管膜中奈米碳管的排列方向逐行進行，也可以沿垂直於奈米碳管膜中奈米碳管的排列方向逐列進行。具有固定功率、固定波長的雷射掃描奈米碳管膜的速度越小，奈米碳管膜中的奈米碳管束吸收的熱量越多，對應被破壞的奈米碳管束越多，雷射處理後的奈米碳管膜的厚度變小。然，如果雷射掃描速度太小，奈米碳管膜將吸收過多熱量而被燒毀。本實施例中，雷射的功率密度大於0.053×1012瓦特/平方米，雷射光斑的直徑在1毫米~5毫米範圍內，雷射掃描照射時間小於1.8秒。優選地，雷射器為二氧化碳雷射器，該雷射 器的功率為30瓦特，波長為10.6微米，光斑直徑為3毫米，雷射器與奈米碳管膜的相對運動速度小於10毫米/秒。
所述奈米碳管線可為非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線。所述非扭轉的奈米碳管線與扭轉的奈米碳管線均為自支撐結構。具體地，請參閱圖7，該非扭轉的奈米碳管線包括複數沿平行於該非扭轉的奈米碳管線長度方向延伸的奈米碳管。具體地，該非扭轉的奈米碳管線包括複數奈米碳管片段，該複數奈米碳管片段通過凡得瓦力首尾相連，每一奈米碳管片段包括複數相互平行並通過凡得瓦力緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該非扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米。非扭轉的奈米碳管線為將奈米碳管膜通過有機溶劑處理得到。具體地，將有機溶劑浸潤所述奈米碳管膜的整個表面，在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，奈米碳管膜中的相互平行的複數奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合，從而使奈米碳管膜收縮為一非扭轉的奈米碳管線。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中採用乙醇。通過有機溶劑處理的非扭轉的奈米碳管線與未經有機溶劑處理的奈米碳管膜相比，比表面積減小，黏性降低。
所述扭轉的奈米碳管線為採用一機械力將所述奈米碳管膜兩端沿相反方向扭轉獲得。請參閱圖8，該扭轉的奈米碳管線包括複數繞該扭轉的奈米碳管線軸向螺旋延伸的奈米碳管。具體地，該扭轉的奈米碳管線包括複數奈米碳管片段，該複數奈米碳管片段通過凡得瓦力首尾相連，每一奈米碳管片段包括複數相互平行並通 過凡得瓦力緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米。進一步地，可採用一揮發性有機溶劑處理該扭轉的奈米碳管線。在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，處理後的扭轉的奈米碳管線中相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合，使扭轉的奈米碳管線的比表面積減小，密度及強度增大。
所述奈米碳管線及其製備方法請參見申請人於2002年11月5日申請的，於2008年11月21日公告的第I303239號中華民國公告專利“一種製造奈米碳管繩之方法”，專利權人：鴻海精密工業股份有限公司，及於2005年12月16日申請的，於2009年7月21日公告的第I312337號中華民國公告專利“奈米碳管絲之製作方法”，專利權人：鴻海精密工業股份有限公司。
請參閱圖9所示，本發明第一實施例進一步提供一種外延襯底10，所述外延襯底10包括一基底100、一奈米碳管層110，所述基底100具有一圖案化的表面作為外延生長面101，所述奈米碳管層110覆蓋所述基底100的外延生長面101設置，所述基底100的外延生長面101具有複數凹槽103，所述奈米碳管層110在對應所述凹槽103的位置懸空設置。
具體的，所述基底100的外延生長面101包括複數凹槽103，所述複數凹槽103彼此平行排列延伸或相互交叉形成一相互連通的網路。所述奈米碳管層110包括複數通過凡得瓦力首尾相連的奈米碳管，所述奈米碳管沿同一方向擇優取向延伸，所述奈米碳管的延伸方向平行於所述外延生長面101。所述奈米碳管層110設置於 圖案化的外延生長面101。即，所述奈米碳管層110整體平鋪於該圖案化的外延生長面101，凹槽103位置處的奈米碳管層110處於懸空狀態，中間不與所述基底100的表面接觸。
本實施例提供的外延襯底及其製備方法，具有以下有益效果：首先，所述奈米碳管層為一連續的自支撐結構，因此可以直接鋪設在所述外延生長面作為光罩，製備方法簡單：其次，由於所述基底的外延生長面為一圖案化的表面，因此可以減少所述外延層生長過程中的晶格缺陷；再次，由於所述奈米碳管層的存在，在後續的外延生長中，外延層只能從所述奈米碳管層的空隙中生長，進而進一步減小了製備的外延層中的晶格缺陷，有利於生長高品質的外延層；最後，由於用於外延層生長的基底表面為一圖案化的表面，同時由於奈米碳管層的存在，減小了外延層與基底之間的接觸面積，進而減小了二者之間結合應力。
請參閱圖10，進一步的，本實施提供一種應用所述外延襯底10生長外延層120的方法，應用該外延襯底10生長外延層120的方法具體包括以下步驟：步驟S14，提供一外延襯底10；步驟S15，在外延襯底10的外延生長面101生長外延層120。
在步驟S14中，該外延襯底10包括一基底100、一奈米碳管層110，所述基底100具有一圖案化的表面作為外延生長面101，所述奈米碳管層110覆蓋所述基底100的外延生長面101設置，所述基底100的外延生長面101具有複數凹槽103，所述奈米碳管層110在對應所述凹槽103的位置懸空設置。
在步驟S15中，所述外延層120的生長方法可以通過分子束外延法(MBE)、化學束外延法(CBE)、減壓外延法、低溫外延法、選擇外延法、液相沈積外延法(LPE)、金屬有機氣相外延法(MOVPE)、超真空化學氣相沈積法(UHVCVD)、氫化物氣相外延法(HVPE)、及金屬有機化學氣相沈積法(MOCVD)等中之一或複數實現。
所述外延層120指通過外延法生長在基底100的外延生長面101的單晶結構體，其材料不同於基底100時，稱為異質外延層；與基底100材料相同時，稱為同質外延層。所述外延層120的生長的厚度可根據需要製備。具體地，所述外延層120的生長的厚度可為0.5奈米~1毫米。例如，所述外延層120的生長的厚度可為100奈米~500微米，或200奈米~200微米，或500奈米~100微米。所述外延層120可為一半導體外延層，且該半導體外延層的材料為GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAs、SiGe、InP、Si、AlN、GaN、GaInN、AlInN、GaAlN或AlGaInN。所述外延層120可為一金屬外延層，且該金屬外延層的材料為鋁、鉑、銅或銀。所述外延層120可為一合金外延層，且該合金外延層的材料為MnGa、CoMnGa或Co2MnGa。
本實施例中，所述基底100為一藍寶石(Al2O3)基片，所述奈米碳管層110為一單層奈米碳管膜。本實施採用MOCVD工程進行外延生長。其中，採用高純氨氣(NH3)作為氮的源氣，採用氫氣(H2)作載氣，採用三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)作為Ga源、In源和Al源。具體包括以下步驟： 步驟S151，將藍寶石基底100置入反應室，加熱到1100℃~1200℃，並通入H2、N2或其混合氣體作為載氣，高溫烘烤200秒~1000秒；步驟S152，繼續同入載氣，並降溫到500℃~650℃，通入三甲基鎵及氨氣，生長GaN低溫緩衝層，其厚度10奈米~50奈米；步驟S153，停止通入三甲基鎵，繼續通入氨氣和載氣，同時將溫度升高到1100℃~1200℃，並恒溫保持30秒~300秒，進行退火；步驟S154，將基底100的溫度保持在1000℃~1100℃，繼續通入氨氣和載氣，同時重新通入三甲基鎵，在高溫下完成GaN的側向外延生長過程，並生長出高品質的GaN外延層。
具體的，所述外延層120的生長過程具體包括以下階段：第一階段：沿著基本垂直於所述基底100的外延生長面101方向成核並外延生長形成複數外延晶粒；第二階段：所述複數外延晶粒沿著基本平行於所述基底100的外延生長面101方向外延生長形成一連續的外延薄膜；第三階段：所述外延薄膜沿著基本垂直於所述基底100的外延生長面101方向外延生長形成一外延層120。
第一階段中，複數外延晶粒進行縱向外延生長。該步驟中基於所述外延生長面101與奈米碳管層110配合關係的不同，外延層120生長形態也有所不同，由於位於兩個凹槽103之間的部份奈米碳管層110與所述外延生長面101直接接觸，所述外延晶粒直接從奈米碳管層110的空隙112中生長出來；由於位於凹槽103上方的部 份奈米碳管層110懸空在所述凹槽103上方，該凹槽103處外延晶粒從凹槽103內的基底100的表面開始生長，生長到懸空設置於凹槽103上的奈米碳管層110所在的水平面後，透過所述奈米碳管層110從所述奈米碳管層110的空隙112中生長出來。
第二階段中，通過控制生長條件使所述複數外延晶粒沿著基本平行於所述基底100的外延生長面101的方向同質外延生長並連成一體將所述奈米碳管層110覆蓋。即，該步驟中所述複數外延晶粒進行側向外延生長直接合攏，並最終在奈米碳管週圍形成複數孔洞125將奈米碳管包圍。
所述奈米碳管層110被包覆於所述外延層120中，即在外延層120中形成有複數孔洞125，所述奈米碳管層110中的奈米碳管被包覆於該孔洞125中。所述孔洞125相互連通形成一連續的通道，該通道中的奈米碳管連續延伸。所述孔洞125的形狀與奈米碳管層110中的奈米碳管的排列方向有關。當奈米碳管層110為單層奈米碳管膜或複數平行設置的奈米碳管線時，所述複數孔洞125彼此基本平行設置。當奈米碳管層110為複數層交叉設置的奈米碳管膜或複數交叉設置的奈米碳管線時，所述複數孔洞125分別形成交叉設置的網路，所述複數孔洞125之間彼此交叉連通。由於所述奈米碳管層110為一連續的整體結構，奈米碳管層110中的奈米碳管彼此首尾相連，因此，形成的所述孔洞125相互連通。
第三階段中，所述外延層120將所述奈米碳管層110覆蓋，並滲透所述奈米碳管層110的複數空隙112與所述基底100的外延生長面101接觸，即所述奈米碳管層110的複數空隙112中均滲透有所述外延層120，且所述基底100的凹槽103中填充有外延層120。由於 所述凹槽103及所述奈米碳管層110的存在，使得外延晶粒與基底100之間的晶格位錯在形成連續的外延薄膜的過程中停止生長。因此，該步驟的外延層120相當於在沒有缺陷的外延薄膜表面進行同質外延生長。所述外延層120具有較少的缺陷。
請參閱圖11，本發明第二實施例提供一種外延襯底20的製備方法，主要包括以下步驟：步驟S21，提供一基底100，該基底100具有一外延生長面101；步驟S22，在所述外延生長面101表面設置複數凸起結構107形成一圖案；步驟S23，在所述凸起結構107的表面設置一奈米碳管層110；本實施例中所述外延襯底20的製備方法與第一實施例基本相同，其不同在於，在所述外延生長面101設置複數凸起結構107，使所述外延生長面101圖案化。
所述步驟S21與第一實施例中所述步驟S11相同。
在步驟S22中，所述複數凸起結構107的材料可與基底100相同或不同，可根據外延生長的實際需要進行選擇。所述複數凸起結構107可通過利用一如奈米碳管層光罩並採用外延生長的方法製備，也可通過設置一薄膜然後再蝕刻的方法形成，也可通過將複數凸起結構107直接設置於該外延生長面101形成。本實施例中，所述複數凸起結構107的製備方法包括以下步驟：步驟S221，在所述外延生長面101設置一光罩102；所述光罩102的材料不限，如二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或二氧化鈦等，可 根據實際需要進行選擇。本實施例中，所述光罩102為二氧化矽。
步驟S222，蝕刻所述光罩102，形成複數凸起結構107。所述光罩102的蝕刻深度到達所述基底100的外延生長面101，從而使所述外延生長面101部份暴露出來。所述蝕刻方法與第一實施例中所述二氧化矽膜的蝕刻方法相同。所述複數凸起結構107形成的圖案不限，本實施例中，所述複數凸起結構107為複數平行且間隔排列的條形結構，所述條形結構的寬度可為1微米~50微米，相鄰凸起結構107之間的間距可為為1微米~20微米，相鄰的凸起結構107之間形成一凹槽，所述條形結構的延伸方向基本相同。
在步驟S23中，所述奈米碳管層110通過直接鋪設的方法設置於該光罩102的表面，並覆蓋所述整個光罩102，所述奈米碳管層110懸空設置於所述外延生長面101。所述懸空設置是指所述奈米碳管層110的部份表面與所述凸起結構107的一表面接觸設置，相鄰兩凸起結構107之間的奈米碳管層110與所述外延生長面101間隔設置。所述奈米碳管層110具有複數空隙112，所述基底100的外延生長面101通過該空隙112暴露出來。所述奈米碳管層110中奈米碳管的延伸方向與所述條形結構的延伸方向相同或不同。優選的，所述奈米碳管層110中奈米碳管的延伸方向垂直於條形結構的的凸起結構107的延伸方向，可以進一步減小後續外延生長過程中外延層120中的晶格缺陷。
請參閱圖12，本實施例進一步提供一種外延襯底20，該外延襯底20包括一基底100，一奈米碳管層110，所述基底100具有一外延生長面101；及複數凸起結構107設置在所述基底100的外延生長 面101，所述奈米碳管層110覆蓋所述複數凸起結構107及基底100的外延生長面101設置，位於相鄰的兩個凸起結構107之間的所述奈米碳管層110懸空設置。
具體的，所述基底100的外延生長面101包括複數凸起結構107，所述複數凸起結構107彼此平行排列延伸或相互交叉形成一網路狀結構。所述奈米碳管層110包括複數通過凡得瓦力首尾相連的奈米碳管，所述奈米碳管沿同一方向擇優取向延伸，所述奈米碳管的延伸方向平行於所述外延生長面101。所述奈米碳管層110設置於圖案化的外延生長面101。即，所述奈米碳管層110整體平鋪於該圖案化的外延生長面101，位於凸起結構107位置處的奈米碳管層110與所述凸起結構107緊密接觸；相鄰的凸起結構107之間位置處的奈米碳管層110處於懸空狀態，其中的奈米碳管不與所述基底100的表面接觸。
進一步的，本實施提供一種應用所述外延襯底20生長外延層120的方法，應用該外延襯底20生長外延層120的方法具體包括以下步驟：步驟S24，提供一外延襯底20；步驟S25，在外延襯底20的外延生長面101生長外延層120。
本實施例中所述應用外延襯底20生長外延層120的方法與第一實施例中基本相同，其不同在於，本實施例中，所述外延襯底20為在外延生長面101的表面設置有複數凸起結構107，所述外延層120包覆該複數凸起結構107。
在步驟S25中，所述外延層120從暴露出來的外延生長面101進行 生長。本實施例中，所述外延層120的材料為GaN，而所述凸起結構107的材料為二氧化矽，由於二氧化矽不支持GaN外延生長，因此，在垂直生長所述外延層120時，所述外延層120只在相鄰的凸起結構107之間的外延生長面101上進行生長，而不再所述凸起結構107的表面生長。當所述外延層120填滿相鄰的凸起結構107之間的間隙時，所述外延層120沿平行於外延生長面101的方向開始生長，將所述兩凸起結構107之間的奈米碳管包覆於該外延層120中。進一步的，所述外延層120在橫向生長的過程中，所述凸起結構107兩側凹槽中的外延層120開始逐漸合攏，並將所述凸起結構107半包圍。即，所述外延層120與所述外延生長面101將所述條形的凸起結構107包覆起來，所述凸起結構107整體嵌入所述外延層120中。
可以理解，當所述凸起結構107也支援所述外延層120生長時，所述外延層120可在所述外延生長面101及所述凸起結構107的表面同時進行生長，從而將所述凸起結構107及奈米碳管層110整體覆蓋，所形成的外延襯底20與第一實施例基本相同。
本發明所述外延襯底採用圖形化的基底，並將一奈米碳管層作為光罩設置於所述基底外延生長面生長外延層，具有以下有益效果：
第一，所述外延襯底中的基底具有一圖形化的生長面，該圖案化的表面具有複數微米級的微結構，因此可減小外延生長過程中的位錯缺陷。
第二，所述外延襯底中奈米碳管層為圖形化結構，其厚度、空隙尺寸均可達到奈米級，所述襯底用來生長外延層時形成的外延晶 粒具有更小的尺寸，有利於進一步減少位錯缺陷的產生，以獲得高品質的外延層。
第三，所述外延襯底中基底的外延生長面具有複數微米級的微結構，且所述奈米碳管層的空隙尺寸為奈米級，因此所述外延層從暴露的外延生長面生長，使得生長的外延層與基底之間的接觸面積減小，減小了生長過程中外延層與基底之間的應力，從而可以生長厚度較大的外延層，可進一步提高外延層的品質。
第四，所述外延襯底中的奈米碳管層為一自支撐結構，因此可以直接鋪設在基底的表面作為光罩，製備工程簡單、成本較低。
第五，應用該外延襯底生長的外延層時，所述外延層具有更少的位錯缺陷，更高的品質，可用於製備性能更加優良的電子器件。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧外延襯底
100‧‧‧基底
101‧‧‧外延生長面
103‧‧‧凹槽
110‧‧‧奈米碳管層

Claims (22)

  1. 一種外延襯底，用於生長外延層，該外延襯底包括：一基底，該基底具有一圖案化的表面作為外延生長面，其改良在於，所述外延襯底進一步包括一奈米碳管層覆蓋所述基底的外延生長面設置，所述奈米碳管層具有複數空隙，該複數空隙沿所述奈米碳管層的厚度方向貫穿所述奈米碳管層，所述基底的外延生長面具有複數凹槽，所述奈米碳管層在對應所述凹槽的位置懸空設置。
  2. 如請求項第1項所述之外延襯底，其中，所述複數凹槽彼此平行排列或彼此交叉排列。
  3. 如請求項第2項所述之外延襯底，其中，所述凹槽的寬度為1微米~50微米，深度為0.1微米~1微米，相鄰凹槽之間的間距為1微米~20微米。
  4. 如請求項第1項所述之外延襯底，其中，所述基底為一單晶結構體，且所述基底的材料為GaAs、GaN、Si、SOI、AlN、SiC、MgO、ZnO、LiGaO2、LiAlO2或Al2O3。
  5. 如請求項第1項所述之外延襯底，其中，所述奈米碳管層為複數奈米碳管組成的自支撐結構，該奈米碳管層直接鋪設在所述基底的外延生長面。
  6. 如請求項第1項所述之外延襯底，其中，所述奈米碳管層中的奈米碳管的延伸方向平行於所述奈米碳管層所在的平面。
  7. 如請求項第1項所述之外延襯底，其中，所述奈米碳管層包括複數沿同一方向擇優取向延伸的奈米碳管，所述奈米碳管之間通過凡得瓦力首尾相連。
  8. 如請求項第7項所述之外延襯底，其中，所述複數凹槽平行排列，所述奈米碳管的延伸方向與所述凹槽的延伸方向交叉排列。
  9. 如請求項第7項所述之外延襯底，其中，所述奈米碳管層包括複數層奈米碳管膜層疊設置。
  10. 一種外延襯底，用於生長外延層，該外延襯底包括：一基底，該基底具有一外延生長面；及複數凸起結構設置在所述基底的外延生長面，其改良在於，所述外延襯底進一步包括一奈米碳管層覆蓋所述複數凸起結構及基底的外延生長面設置，且所述奈米碳管層不與所述基底的外延生長面接觸，位於相鄰的兩個凸起結構之間的所述奈米碳管層懸空設置。
  11. 如請求項第10項所述之外延襯底，其中，所述複數凸起結構為沿同一方向延伸且彼此平行間隔設置的條形凸起結構。
  12. 如請求項第11項所述之外延襯底，其中，所述奈米碳管層包括複數沿同一方向擇優取向延伸的奈米碳管，且所述奈米碳管的延伸方向垂直於所述條形凸起結構的延伸方向。
  13. 如請求項第11項所述之外延襯底，其中，所述條形凸起結構的寬度為1微米~50微米，相鄰凸起結構之間的間距為1微米~20微米。
  14. 一種外延襯底的製備方法，其包括以下步驟：提供一基底，該基底具有一外延生長面；處理所述外延生長面，形成一圖案化的表面；在所述圖案化的外延生長面設置一奈米碳管層。
  15. 如請求項第14項所述之外延襯底的製備方法，其中，所述在基底的外延生長面設置一奈米碳管層的方法為將奈米碳管膜或奈米碳管線直接鋪設在所述基底的外延生長面作為奈米碳管層。
  16. 如請求項第14項所述之外延襯底的製備方法，其中，所述圖案化表面的處理方法為濕法蝕刻、幹法蝕刻、電漿蝕刻或光蝕刻方法中之一或幾種。
  17. 一種外延襯底作為生長外延層的應用，包括以下步驟： 提供一如申請專利範圍第1至13項中任意一項所述之外延襯底，所述外延襯底具有一圖案化的外延生長面及覆蓋該外延生長面的奈米碳管層；在所述外延襯底的外延生長面生長一外延層。
  18. 如請求項第17項所述之外延襯底作為生長外延層的應用，其中，所述奈米碳管層中具有複數空隙，所述外延層從所述基底的外延生長面通過該空隙暴露的部份生長。
  19. 如請求項第17項所述之外延襯底作為生長外延層的應用，其中，所述外延層從基底表面生長至所述奈米碳管層所在水平面後，透過所述奈米碳管層繼續生長。
  20. 如請求項第17項所述之外延襯底作為生長外延層的應用，其中，所述外延層中形成複數孔洞將所述奈米碳管層中的奈米碳管包覆。
  21. 如請求項第17項所述之外延襯底作為生長外延層的應用，其中，所述外延層的生長方法具體包括以下步驟：沿著基本垂直於所述基底的外延生長面方向成核並外延生長形成複數外延晶粒；所述複數外延晶粒沿著基本平行於所述基底的外延生長面方向外延生長形成一連續的外延薄膜；及所述外延薄膜沿著基本垂直於所述基底的外延生長面方向外延生長形成一外延層。
  22. 如請求項第17項所述之外延襯底作為生長外延層的應用，其中，所述外延層的生長方法包括分子束外延法、化學束外延法、減壓外延法、低溫外延法、選擇外延法、液相沈積外延法、金屬有機氣相外延法、超真空化學氣相沈積法、氫化物氣相外延法、及金屬有機化學氣相沈積法中之一或複數種。
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