CN101174597A - GaN单晶衬底和GaN单晶衬底的表面加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氮化镓单晶衬底的表面加工方法，包括下列步骤：将置于支架台上的氮化镓原始衬底的顶面和底面平面化；将波长在370～800nm范围内的光线照射在所述被加工成平面的氮化镓原始衬底上；测量所述氮化镓原始衬底的透射率；并确认所述透射率是否在65～90％范围内。通过所述表面加工方法抛光其两面得到的氮化镓单晶衬底在用波长在370～800nm范围内的光线测量时具有65～90％的高透射率。并且，在所述氮化镓单晶衬底两面的损伤层的厚度比(DLa/DLb)在0.99～1.01的范围内。

Description

GaN单晶衬底和GaN单晶衬底的表面加工方法
技术领域
本发明涉及一种氮化镓(GaN)单晶衬底及其表面加工方法，具体涉及一种GaN单晶衬底，其透射率较高而所述衬底的顶面的损伤层和底面的损伤层的厚度差异较小，以及一种加工所述GaN单晶原始衬底表面的方法。
背景技术
通常，由于氮化镓(GaN)具有大能带隙、高原子间结合力和高热导率而具有适于作为光学器件和高温高功率器件的性能。所以，GaN类半导体化合物用于制备各种光学器件。具体来说，使用GaN制备的蓝光和绿光发射器件被广泛用于各领域，例如多媒体、交通信号灯、内部照明灯、高密度光源、高分辨率电力系统(high resolution power system)、信息和通讯装置等。
通过在异质的蓝宝石(Al2O3)基底上生长GaN来制备氮化镓(GaN)衬底。然而，由于氮化镓和蓝宝石的晶格常数和热膨胀系数不同，所以当氮化镓层形成于所述蓝宝石基底上时，可能会产生高密度晶体缺陷。所以，当氮化镓层从蓝宝石基底上分离时，所述氮化镓层可能会弯曲甚至断裂。
图1为基底10和生长于该基底10上的氮化镓层的剖面图，图2是从所述基底10上分离的氮化镓层的剖面图。
参照图1和2，所述氮化镓层生长于可由蓝宝石、碳化硅或硅形成的被称为异质基底的基底10上。然而，由于氮化镓和蓝宝石具有不同的晶格常数和热膨胀系数，所以会发生如图1所示的弯曲。并且，当氮化镓层从所述异质基底上分离时，一种如图2所示的诸如晶体学倾斜的现象会在氮化镓层生长的环境中发生，所以高密度的螺纹位错在薄层内形成，从而影响了表面的平面化并引起了所述弯曲。
在最小化上述弯曲的常规方法中，逐步减小用于加工所述表面的磨料的颗粒大小，从而去除该表面的损伤层。或者，用抛光设备把由于使用异质基底而导致弯曲的氮化镓衬底的一面或两面弄平。然而，即使用上述方法将所述氮化镓衬底的表面抛光，但由于其两面的损伤程度不同，在两面上会出现应力差异。结果，所述衬底会向损伤程度较小的那一面弯。氮化镓层的弯曲和由于弯曲造成的氮化镓层的断裂不利于大规模生产和降低生产成本，从而降低了生产效率。
发明内容
因此，本发明提供了一种易于制造并且质量较高的氮化镓单晶衬底的表面加工方法，并提供所述氮化镓单晶衬底。
本发明的另一个目的在于提供一种氮化镓单晶衬底的表面加工方法，其中当所述衬底的两面被抛光后，用波长在370～800nm范围内的光线测量时，所述衬底的透射率在65～90％的范围内，并提供所述氮化镓单晶衬底。
本发明的另一个目的在于提供一种氮化镓单晶衬底的表面加工方法，其中通过对两面进行抛光，氮化镓单晶原始衬底两面上的损伤层的厚度比(DLa/DLb)在0.99～1.01的范围内，并且其透射率在65～90％范围内，并提供所述氮化镓单晶衬底。
根据一个示例性实施方式，本发明提供一种通过将其两面抛光而制备的氮化镓单晶衬底。由于所述衬底的两面都被抛光，可以测量其透射率。当用波长在370～800nm范围内的光线测量时，所述衬底的透射率为65～90％。照射到所述单晶衬底上的光线则使用紫外线到红外线范围内的光线。
根据一个示例性实施方式，本发明提供一种氮化镓单晶衬底的表面加工方法，包括：将置于支架台上的氮化镓原始衬底的顶面和底面平面化；将波长在370～800nm范围内的光线照射在所述被加工成平面的氮化镓衬底上；测量所述氮化镓原始衬底的透射率；并确认所述透射率是否在65～90％范围内。
为了将所述氮化镓单晶衬底的透射率控制在65～90％的范围内，当所述透射率在65～90％的范围之外时，可以进一步将所述氮化镓原始衬底的顶面或底面平面化。所述氮化镓原始衬底的平面化可进一步包括：将所述氮化镓原始衬底的顶面和底面中的任意一面平面化；翻转所述氮化镓原始衬底并将被加工成平面的那一面固定于所述支架台上；并将所述氮化镓原始衬底顶面和底面中的另一面平面化。
根据另一个示例性实施方式，本发明提供了一种通过将其两面抛光而制备的氮化镓单晶衬底，其特征在于其两面的损伤层的厚度比在0.99～1.01的范围内，并且其透射率为65～90％。所述透射率可用波长在370～800nm范围内的光测量，则照射到所述单晶衬底上以测量透射率的光可在紫外线到红外线的范围内。
当通过抛光其两面得到的氮化镓单晶衬底用波长在370～800nm范围内的光线测量得到的透射率为65～90％时，所述衬底的顶面和底面被均匀抛光，从而能够制备没有擦痕的衬底。并且，当在该底面上形成电极时，可获得优异的电极接触效果。
根据另一个示例性实施方式，本发明提供一种氮化镓单晶衬底的表面加工方法，该方法包括：将置于支架台上的氮化镓原始衬底的顶面和底面平面化；测量所述氮化镓单晶原始衬底两面上的损伤层的厚度比(DLa/DLb)；并确认所述损伤层的厚度比(DLa/DLb)是否在0.99～1.01的范围内；将波长在370～800nm范围内的光线照射在所述氮化镓原始衬底上；测量所述氮化镓原始衬底的透射率；并确认所述透射率是否在65～90％范围内。
可以用透射电子显微镜测量所述氮化镓单晶原始衬底两面上的损伤层的厚度，当测得的损伤层的厚度比(DLa/DLb)在0.99～1.01的范围之外时，可进一步将所述氮化镓原始衬底的顶面或底面平面化。
所述氮化镓原始衬底的平面化可进一步包括：将所述氮化镓原始衬底的顶面和底面中的任意一面平面化；翻转所述氮化镓原始衬底并将被加工成平面的那一面固定于所述支架台上；并平面化所述氮化镓原始衬底的(顶面和底面中的)另一面。
通常，可以用单晶基底制备化合物半导体衬底，可以使用与要生长的化合物半导体衬底材料相同的同质单晶基底，也可以使用异质单晶基底。
当所述均质单晶基底用作基底时，由于该基底和要生长的化合物半导体衬底，即生长层，在晶格常数和热膨胀系数上没有区别，所以可减少在生长和分离过程中生长层上发生的弯曲或断裂。然而，当所述用作基底的单晶基底和从该基底上生长的化合物半导体是由相同材料形成时，则难以将所述化合物半导体衬底从所述基底上分离开，而且不能使用通过吸收不同波长的光来溶解界面部分的激光浮离法(laser lift-off)。并且，当所述基底和化合物半导体的原料比较昂贵时，也难以大量采用这样的基底。
所以，在形成用作高能蓝光发光二极管材料的氮化镓(GaN)的方法中，所述基底使用相对便宜并且与氮化镓有不同波长范围的吸收光的蓝宝石。由于使用异质的蓝宝石作为基底，蓝宝石和氮化镓具有不同的晶格常数和热膨胀系数，所以氮化镓层可能会弯曲，甚至正在生长的氮化镓层可能会由于断裂而损坏。
氮化镓层的弯曲或由弯曲引起的断裂对氮化镓的大规模生产或其生产成本不利，所以可能降低生产的效率。
然而，当使用根据本发明的氮化镓单晶衬底和其表面加工方法时，能够制备出具有透射率在65～90％范围内的氮化镓单晶衬底，或其两面损伤层的厚度比(DLa/DLb)在0.99～1.01范围内并且透射率在65～90％范围内的氮化镓单晶衬底。所以，由于防止了所述氮化镓层的弯曲，使得其大规模生产成为可能，并且对降低生产成本非常有利。
附图说明
通过结合附图详细说明优选的实施方式，本发明上述的和其他的特征和优点对本领域普通技术人员来说会更加显而易见，其中：
图1是异质基底和在该异质基底上生长的氮化镓层的剖面图；
图2是从该异质基底上分离的氮化镓层的剖面图；
图3是根据本发明第一示例性实施方式的氮化镓单晶衬底的剖面图；
图4是在基底上生长的氮化镓单晶衬底的剖面图；
图5是从该基底上分离的氮化镓单晶衬底的剖面图；
图6～11是根据本发明的氮化镓单晶衬底的表面加工方法的剖面图；
图12是说明根据本发明第一示例性实施方式的氮化镓单晶衬底的表面加工方法的流程图；
图13是说明根据本发明第二示例性实施方式的氮化镓单晶衬底的表面加工方法的流程图；
图14是说明根据本发明第二示例性实施方式的氮化镓单晶衬底损伤层的厚度的剖面图；
图15A和15B是氮化镓单晶衬底的顶面和底面上的损伤层的照片；
图16是抛光的氮化镓单晶衬底透射率的测量结果的曲线图。
具体实施方式
下文中将结合附图更完全的说明本发明，其中说明了本发明优选的实施方式。然而，本发明可以以不同方式实现，而不应解释为限于在此提出的实施方式。
第一示例性实施方式
图3为根据本发明的第一示例性实施方式的氮化镓单晶衬底110的剖面图。氮化镓单晶衬底110的两面被抛光，并具有均匀的表面粗糙度。结果用波长在370～800nm范围内的光线(紫外线、可见光或红外线)测量氮化镓单晶衬底110的透射率，其透射率在65～90％范围内。
图4为在基底100上生长的氮化镓单晶衬底110的剖面图，图5为从基底100上分离的氮化镓单晶衬底110的剖面图。
如图4所示，氮化镓单晶衬底110在基底100上生长。蓝宝石、碳化硅(SiC)或砷化镓(GaAs)可用作基底100，在本示例性实施方式中使用的是蓝宝石。可以用该蓝宝石基底吸收不同波长范围的光来进行用于部分溶解基底和氮化镓衬底间界面的激光浮离过程。
接下来，如图5所示，形成于基底100上的氮化镓单晶衬底110从基底100上分离。可用激光浮离法从基底100分离氮化镓单晶衬底110。
具体地说，当氮化镓层在作为基底100的蓝宝石基底上生长好之后，将激光照射在该透明的蓝宝石基底上来溶解氮化镓层和蓝宝石基底间界面周围的氮化镓层，从而将氮化镓层与蓝宝石基底分离。从基底100上分离的氮化镓单晶衬底110由于与基底100的晶格常数和热膨胀系数不同而弯曲。
下面说明为平面化根据本发明的氮化镓单晶衬底的表面加工方法：
图6～11是图示根据本发明氮化镓单晶衬底110的表面加工方法的剖面图，图12是说明根据本发明的第一示例性实施方式的氮化镓单晶衬底的表面加工方法的流程图。
如图6所示，为了表面加工，将氮化镓单晶衬底110置于支架台200上。金属材料或铝或玻璃基板可用作支架台200的材料。氮化镓单晶衬底110的顶面和底面分别记为第一面(N-面)111和第二面(Ga-面)112，并且用蜡将第二面112固定于支架台200上。
如图7所示，当氮化镓单晶衬底110的第二面112固定于支架台200上时，将第一面111平面化。至于平面化设备，可以使用利用金刚石砂轮、金刚石平台(diamond surface plate)、或使用灰浆的研磨平台(abrasive surfaceplate)的机械设备。使用较轻的设备以保持所述氮化镓单晶衬底110的弯曲状态，从而使得第一面111的弯曲部分被抛光成平面而不改变所述氮化镓单晶衬底110。
随后，通过将激光照射到第一面111的表面上来测定其平坦程度和表面的损伤层是否符合预定的标准。当表面粗糙度不符合标准时，第一面111的弯曲部分应再次抛光。
当第一面111的表面粗糙度达到标准规格时，如图8、9所示，将氮化镓单晶衬底110从支架台200上分离，将被加工成平面第一面111用蜡固定到支架台200的表面上，并且使得氮化镓单晶衬底110的第二面112朝上。
随后，如图10所示，当氮化镓单晶衬底110的第一面111固定于支架台200的表面上时，将第二面112平面化。可以用与将第一面111加工成平面的相同的设备来将第二面112加工成平面。在这种情况下，使用较轻的设备以保持氮化镓单晶衬底110的弯曲状态，从而使第二面112的弯曲部分被抛光成平面而不改变氮化镓单晶衬底110。
加工成平面之后，通过将激光照射到第二面112的表面上来测定其平坦程度和表面的损伤层是否符合预定的标准。当所述表面粗糙度不符合标准时，对第二面112的弯曲部分进行再次抛光处理。
然后，第二面112已完全被加工成平面的氮化镓单晶衬底110从支架台200上分离，从而完成如图11所示的氮化镓单晶衬底110。
图12是说明根据本发明的第一示例性实施方式所述氮化镓单晶衬底的表面加工方法的流程图。
所述氮化镓单晶衬底的表面加工方法包括如下步骤：在步骤S310将置于支架台上的氮化镓原始衬底的顶面和底面平面化；在步骤S320将波长范围在370～800nm的光线照射在被加工成平面的氮化镓原始衬底上；在步骤S330测量所述氮化镓原始衬底的透射率；并在步骤S340确认所述透射率是否在65～90％范围内。
参考图4～11的说明对应于将置于支架台上的氮化镓原始衬底顶面和底面平面化的步骤S310。
为控制所述氮化镓单晶衬底的透射率处于65～90％范围内，当透射率在65～90％的范围之外时，氮化镓原始衬底的顶面或底面的可被再次平面化。那么，S310的平面化步骤可进一步包括如下步骤：将所述氮化镓原始衬底的顶面和底面中的任意一面平面化，翻转所述原始衬底并将被加工成平面的一面固定于支架台上，对所述氮化镓原始衬底的另外一面进行平面化。
根据本发明，所述氮化镓单晶衬底的两个侧面都被抛光，使得用波长范围在370～800nm的光测量时其透射率在65～90％范围内。结果，所述顶面和底面具有均匀的表面粗糙度而没有任何缺陷，当在该衬底的表面上形成电极时，具有极好的电极接触。
第二示例性实施方式
图13是说明根据本发明的第二示例性实施方式的氮化镓单晶衬底表面的加工方法的流程图。
根据本发明的第二示例性实施方式的氮化镓单晶衬底及其表面加工方法与上述根据第一示例性实施方式的氮化镓单晶衬底110及其表面加工方法相似。然而，在第二示例性实施方式中，加工所述氮化镓单晶衬底表面的方法包括测量氮化镓单晶原始衬底两侧面损伤层的厚度比(DLa/DLb)的步骤，来代替第一示例性实施方式中测量所述氮化镓单晶衬底的透射率的步骤。
在第一示例性实施方式中，在使氮化镓单晶衬底加工成平面之后，所述加工其表面的方法包括：将波长范围在370～800nm的光照射到该被加工成平面的氮化镓原始衬底上，测量该氮化镓原始衬底的透射率，并确认所述透射率是否在65～90％范围内的步骤。然而，在本发明的第二示例性实施方式中，在使所述氮化镓单晶衬底加工成平面之后，所述加工其表面的方法包括：测量所述氮化镓单晶原始衬底两个侧面的损伤层的厚度比(DLa/DLb)，并确认所述损伤层的厚度比(DLa/DLb)是否在0.99～1.01范围内的步骤。
氮化镓单晶原始衬底两侧面的损伤层的厚度可用透射电子显微镜等设备测量。当所述损伤层的厚度比(DLa/DLb)在0.99～1.01的范围之外时，所述氮化镓原始衬底的顶面或底面可被再次平面化。
当得到所需的损伤层的厚度比(DLa/DLb)时，该方法可进一步包括如下步骤：将波长范围在370～800nm的光线照射到该氮化镓原始衬底上；测量该氮化镓原始衬底的透射率；并确认所述透射率是否在65～90％范围内。
图14是说明根据本发明的第二示例性实施方式的氮化镓单晶衬底的损伤层厚度的剖面图。
如图14所示，所述氮化镓单晶衬底的顶面，即第一面111的损伤层的厚度为DLa，所述底面，即第二面112的损伤层的厚度为DLb。所以，损伤层厚度比(DLa/DLb)是指在平面化过程中氮化镓单晶衬底的两侧面上产生的损伤层的厚度比。
当所述氮化镓单晶衬底的两侧面上的损伤层的厚度比约为1时，所述衬底的弯曲可被最小化。图15A和15B分别是在所述氮化镓单晶衬底两面抛光后，损伤层被去除前的所述氮化镓单晶衬底的第一面(N面)111和第二面112(Ga面)的电子显微照片。参考图15A和15B，第一面上的损伤层的厚度为211nm，第二面上的损伤层厚度为209nm。由于两面上的损伤层的厚度比为1.01，约等于1，可认为其处于非常好的状态。在所述氮化镓衬底的两个侧面被抛光后，可通过另外的方法去除所述损伤层，例如活性离子蚀刻法。
根据本发明的氮化镓单晶衬底的透射率的测量结果示于表1和图16。
在两面被抛光的衬底a和b中，所述透射率从波长范围的370nm处开始快速升高，在该波长范围的大部分范围内，显示出大于65％的高透射率。然而，在一面被抛光的衬底c和d中，整个波长范围内都表现出低于65％的低透射率。
[表1]
    波长(nm)     底部(BASE)   两面抛光的GaN晶片#1   两面抛光的GaN晶片#2   单面抛光的GaN晶片#1   单面抛光的GaN晶片#2
    800     99.68   72.2   71   54.79   61.79
    750     100.45   72.34   71.24   54.68   61.59
    700     100.21   72.6   71.01   54.42   60.85
    650     100.46   72.4   70.68   54.31   60.44
    600     100.16   71.75   70.72   53.34   59.64
    550     100.21   71.3   70.05   52.26   58132
    500     100.25   70.48   69.2   50.32   56.54
    450     99.63   68.42   68.04   47.18   53.92
    400     100.59   65.64   65.77   41.05   47.49
    380     100.27   43.7   43.34   24.22   30.92
    370     100.31   0.2   0.4   1.02   1.84
所述氮化镓单晶衬底的两面被抛光后，测量其透射率和损伤层的厚度比来确认该氮化镓单晶衬底是否没有缺陷并具有极佳的质量。
在用根据本发明的表面加工方法制备的氮化镓单晶衬底中，当衬底的透射率用波长在370～800nm范围内的光线测量时，该透射率在65～90％范围内。
在用根据本发明的表面加工方法制备的氮化镓单晶衬底中，其两侧面的损伤层的厚度比(DLa/DLb)在0.99～1.01范围内，并且其透射率在65～90％范围内。
在用根据本发明的表面加工方法制备的氮化镓单晶衬底中，由于不会出现弯曲，所以对于大规模生产和生产成本是有利，从而显著提高了生产效率。
当通过表面加工方法制备的所述氮化镓单晶衬底，其透射率较高并且其损伤层的厚度比约等于1时，所述衬底可以在各种应用领域中得到高产率和高性能。并且，由于所述衬底的顶面和底面被均匀抛光，所以当电极在所述衬底的表面上形成时，就会获得极好的电极接触效应。
本发明已经用优选的示例性实施方式进行了说明。然而，应理解的是，本发明的范围并不限于所公开的实施方式。相反，本发明的范围旨在包括等同物以及本领域技术人员利用当前已知的或未来技术的能力范围内的各种修改和替代的配置。因此，权利要求的范围应该与最宽的解释一致，以涵盖所有这样的修改和相似的配置。

Claims (12)

1.一种通过抛光衬底两面而制备的氮化镓单晶衬底，其中：
当用波长在370～800nm范围内的光线测量所述衬底的透射率时，所述透射率为65～90％。
2.根据权利要求1所述的氮化镓单晶衬底，其中照射在所述单晶衬底上测量透射率的光线是从紫外线至红外线范围内的光线。
3.一种氮化镓单晶衬底的表面加工方法，包括如下步骤：
将置于支架台上的氮化镓原始衬底的顶面和底面平面化；
将波长在370～800nm范围内的光线照射在所述被加工成平面的氮化镓原始衬底上；
测量所述氮化镓原始衬底的透射率；和
确认所述透射率是否在65～90％的范围内。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：
当所述透射率在65～90％的范围之外时，进一步将所述氮化镓原始衬底的顶面或底面平面化。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述平面化步骤进一步包括如下步骤：
将所述氮化镓原始衬底的顶面和底面中的任意一面平面化，
翻转所述原始衬底并将被加工成平面的那一面固定在所述支架台上，和
将所述氮化镓原始衬底的另一面平面化。
6.一种通过抛光衬底两面而制备的氮化镓单晶衬底，其中：
所述氮化镓单晶原始衬底两面上的损伤层的厚度比DLa/DLb在0.99～1.01的范围内；并且
其透射率在65～90％的范围内。
7.根据权利要求6所述的衬底，其中所述透射率利用波长在370～800nm范围内的光线来测量。
8.根据权利要求6所述的衬底，其中照射到所述单晶衬底上测量透射率的所述光线是从紫外线至红外线范围内的光线。
9.一种氮化镓单晶衬底的表面加工方法，包括如下步骤：
将置于支架台上的氮化镓原始衬底的顶面和底面平面化；
测量所述氮化镓单晶原始衬底两面上的损伤层的厚度比DLa/DLb；
确认所述损伤层的厚度比DLa/DLb是否在0.99～1.01的范围内；
将波长在370～800nm范围的光线照射在所述氮化镓原始衬底上；
测量所述氮化镓原始衬底的透射率；和
确认所述透射率是否在65～90％范围内。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述氮化镓单晶原始衬底两面上的损伤层的厚度用透射电子显微镜测量。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
当所述损伤层的厚度比DLa/DLb在0.99～1.01的范围之外时，进一步将所述氮化镓原始衬底的顶面或底面平面化。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述平面化步骤进一步包括如下步骤：
将所述氮化镓原始衬底的顶面和底面中的任意一面平面化，
翻转所述原始衬底并将被加工成平面的那一面固定于所述支架台上，和
将所述氮化镓原始衬底的另一面平面化。
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