CN101369530A

CN101369530A - 氮化物半导体自支撑衬底生长方法及专用设备

Info

Publication number: CN101369530A
Application number: CNA2008101676232A
Authority: CN
Inventors: 于祥潞; 杨巍; 程红娟; 徐永宽; 赖占平; 严如岳
Original assignee: CETC 46 Research Institute
Current assignee: CETC 46 Research Institute
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2009-02-18

Abstract

本发明公开了一种能够制备无裂的氮化物半导体自支撑衬底的方法及其专用设备。该方法包括：步骤A.采用HVPE法开始在异质衬底上生长氮化物单晶膜；步骤B.在氮化物单晶生长结束降温之前采用腐蚀性气体在高温下将所述异质衬底尽量腐蚀掉。该专用设备是将普通的用于制备氮化物自支撑衬底的HVPE反应器至少增加腐蚀性气体的通路而形成的，腐蚀性气体的通路用于引入腐蚀性气体到异质衬底，以腐蚀该异质衬底。所述腐蚀性气体通路可为异质衬底基座杆内形成的中空内腔，该中空内腔和氮化物生长反应腔通过异质衬底隔开。该方法避免了降温过程中热应力造成的晶片破裂问题，尤其适于氮化镓、氮化铝衬底的制备。

Description

氮化物半导体自支撑衬底生长方法及专用设备

技术领域

本发明属于半导体制备技术领域，尤其涉及一种氮化物半导体自支撑衬底的生长方法及其专用设备。

背景技术

在第三代半导体材料中，GaN、AlN是当之无愧的明星，它们既可用于制作光电子器件，又可以制作微电子器件；GaN基器件不仅在民用方面已得到大量应用，拥有巨大的市场潜力，而且在军事上也有重大应用前景，受到各国军方的极大重视。GaN、AlN有诸多优点，例如禁带宽、又是直接带隙材料、电子饱和速率高、导热性能好、击穿电场高、介电常数小、热稳定性好、化学稳定性强等。GaN与InN、AlN及它们的固溶体组成一个直接带隙半导体体系，禁带宽度从0.7eV到6.2eV，覆盖从红外到紫外光谱范围。目前已经实现商品化的GaN基器件有：蓝光及紫外LED、白光LED、蓝光及紫外LD等。另外氮化镓晶体管(HBT、HEMT)、氮化镓紫外探测器也受到广泛关注。

由于GaN、AlN体单晶很难获得，现在大部分GaN基器件都是在异质衬底上制作的，由于存在晶格失配和热膨胀系数的失配，器件结构中往往存在较多的缺陷和较大的应力，大大影响了器件性能和可靠性。因此设法制备GaN、AlN等氮化物单晶衬底材料成为世界众多研究小组和大公司追求的目标。目前最广泛使用的方法是HVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延法)，普通的用于制备氮化物半导体自支撑衬底的HVPE反应器结构如图1所示，该HVPE反应器包括舟体(boat)1、异质衬底基座3、加热装置4、反应气体进气管路和尾气出口等。舟体1用于放置金属反应物5，该金属反应物与氯化氢气体在舟内反应生成金属氯化物气体，该金属氯化物气体被带到置于异质衬底基座3上的异质衬底2处，并与被带到该异质衬底2处的氨气反应生成氮化物，于是氮化物便在该异质衬底2上生长。

采用HVPE法制备氮化物半导体自支撑衬底，主要是利用HVPE法较高的生长速率，在异质衬底2上生长厚度200微米以上的氮化物单晶膜，然后再将异质衬底2用化学腐蚀、研磨、激光剥离等方法去掉，得到自支撑氮化物单晶衬底。但是由于异质衬底材料与氮化物之间存在着很大的热膨胀系数差别，所以在生长结束后降温过程中，晶片会因热应力产生严重弯曲和破裂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种氮化物半导体自支撑衬底的生长方法，采用该方法能够制备无裂的氮化物半导体自支撑衬底，为此本发明还要提供一种该方法采用的专用设备。

为解决上述技术问题，本发明氮化物半导体自支撑衬底的生长方法包括如下步骤：

步骤A、采用HVPE法开始在异质衬底上生长氮化物单晶膜；

步骤B、在氮化物单晶生长结束降温之前采用腐蚀性气体在高温下将所述异质衬底尽量腐蚀掉。

步骤A所述异质衬底优选易被腐蚀性气体所腐蚀的材料。例如铝酸锂、镓酸锂、硅、砷化镓。

在步骤B中，腐蚀性气体可以是经由一个专门的管路通到所述异质衬底并对其进行腐蚀的，该管路的结构应保证腐蚀性气体不会进入氮化物单晶的生长反应腔内，即不会影响氮化物单晶的正常生长。该专门的管路可以为HVPE反应器中所述异质衬底基座杆的中空内腔。

在步骤B中，可以在氮化物单晶生长结束后降温之前对所述异质衬底进行腐蚀；也可以在开始生长氮化物单晶的同时，即开始对所述异质衬底进行腐蚀；还可以先生长一薄层氮化物，然后在不中断氮化物生长的情况下开始腐蚀所述异质衬底。

为解决上述技术问题，本发明方法采用的专用设备是将普通的用于制备氮化物自支撑衬底的HVPE反应器至少增加腐蚀性气体的通路而形成的。所述腐蚀性气体的通路用于引入腐蚀性气体到异质衬底，以腐蚀该异质衬底。所述腐蚀性气体的通路应保证腐蚀性气体不会进入氮化物单晶的生长反应腔内。

具体地，所述腐蚀性气体的通路可以为在普通的用于制备氮化物自支撑衬底的HVPE反应器中的异质衬底基座杆内形成的中空内腔，在异质衬底被腐蚀前该中空内腔和氮化物单晶的生长反应腔通过异质衬底隔开。

所述异质衬底基座杆最好采用石英材料，以使其更加坚固。

本发明专用设备还可以进一步包括气压调控装置，该气压调控装置用于通过对所述腐蚀性气体的通路和/或氮化物单晶生长反应腔内的气压进行调控，进一步避免腐蚀性气体进入氮化物单晶生长反应腔内。

所述气压调控装置还用于维持所述腐蚀性气体的通路和所述氮化物单晶生长反应腔之间的气压平衡，以避免两者之间气压差过大而致氮化物晶片破裂。

本发明方法的有益效果为：

本发明为克服传统HVPE法制备自支撑氮化物衬底的缺点，在HVPE生长氮化物膜的过程中将异质衬底原位腐蚀掉，避免了降温过程中因热应力造成的晶片破裂问题，从而能够方便地获得无裂的自支撑氮化物衬底。本发明方法专用设备是在现有的用于制备氮化物如氮化物的自支撑衬底的HVPE反应器至少增加腐蚀性气体的通路而形成的，其制造工艺成熟，便于推广。

附图说明

图1是普通的用于制备氮化物如氮化物的自支撑衬底的HVPE反应器结构示意图；

图2是本发明氮化物半导体自支撑衬底的生长方法采用的专用设备的结构示意图；

图3是图2所示专用设备的局部放大示意图；

图4是图3所示结构在异质衬底大部被腐蚀掉后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明氮化物半导体自支撑衬底的生长方法主要包括如下步骤：

步骤A、采用HVPE法开始在异质衬底上生长氮化物单晶膜；异质衬底选用易被腐蚀性气体所腐蚀的材料，例如铝酸锂、镓酸锂、硅、砷化镓等；

图2是本发明方法采用的专用设备的结构示意图，如图所示，该专用设备是在图1所示普通的用于制备氮化物自支撑衬底的HVPE反应器的基础上，至少增加腐蚀性气体的通路而形成的。所述腐蚀性气体的通路用于引入腐蚀性气体到异质衬底2，以腐蚀该异质衬底2。所述腐蚀性气体的通路应保证腐蚀性气体不会进入氮化物单晶的生长反应腔即该专业设备的外反应腔6内。该专用设备依然具有加热装置。

在本实施例中，所述腐蚀性气体的通路为在图1所示普通的用于制备氮化物自支撑衬底的HVPE反应器中的异质衬底基座杆3内形成的中空内腔7，该中空内腔7也即是腐蚀异质衬底2的反应室。在异质衬底2被腐蚀前该中空内腔7与氮化物单晶的生长反应腔6通过异质衬底2隔开。

图3是图2所示专用设备的局部放大示意图，即所述腐蚀性气体通路的放大示意图。如图所示，该异质衬底基座杆3采用石英材料，本发明专用设备还包括一个夹具11，用于将异质衬底2固定在异质衬底基座杆3上面。异质衬底2上面生长氮化物单晶膜12。在基座杆3的的下部，有一个压力变送器8、一个腐蚀性气体进气口9和一个尾气出口10。在腐蚀性气体进气管路上还有一个质量流量计MFC，该质量流量计MFC与压力变送器8、腐蚀性气体进气口9和尾气出口10上的气流调节阀一起，用于通过对基座杆3的中空内腔7和氮化物单晶生长反应腔6内的气压进行调控，维持所述基座杆3的中空内腔7和所述氮化物单晶生长反应腔6之间的气压平衡，以避免两者之间气压差过大而致反应设备损坏，同时进一步避免腐蚀性气体进入氮化物单晶生长反应腔6内。

下面以制备氮化镓自支撑衬底为例，对采用本发明专用设备以制备氮化物半导体自支撑衬底的工艺流程进行具体说明，该工艺包括如下步骤：

步骤1、将异质衬底2放在异质衬底基座3上，并以夹具11固定；

步骤2、对基座杆3的中空内腔7和氮化镓单晶生长反应腔6进行抽真空、充气处理，将空气置换出去，该过程中应保持该两个反应腔的压力平衡；

步骤3、将HVPE反应炉温度升至1000～1080℃，氮化镓单晶生长反应腔6通NH3，并通HCl气体到舟体即镓舟1，进行氮化镓单晶的生长；

步骤4、待氮化镓生长一段时间后，通HCl到基座杆3的中空内腔7，开始衬底腐蚀，并且不停止氮化镓的生长；此处也可以在氮化镓单晶生长结束后降温之前对所述异质衬底进行腐蚀；还可以在开始生长氮化镓单晶的同时，即开始对所述异质衬底进行腐蚀；

步骤5、根据实验获得的生长速度、腐蚀速度数据，确定生长及腐蚀时间；

步骤6、待生长、腐蚀结束后，分别停止生长气体及腐蚀气体的通入，改为通入惰性气体，并降温；最终获得无裂的自支撑氮化镓晶片。腐蚀结束后的情形如图4所示，异质衬底2被大部腐蚀掉，生长结束后降温时热应力不再会造成氮化镓晶片的破裂。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应注意的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求记载的技术方案及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种氮化物半导体自支撑衬底的生长方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤A、采用HVPE法开始在异质衬底上生长氮化物单晶膜；

2.根据权利要求1所述的氮化物半导体自支撑衬底的生长方法，其特征在于：

步骤A所述异质衬底为容易被腐蚀性气体所腐蚀的材料。

3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体自支撑衬底的生长方法，其特征在于：

在步骤B中，是在氮化物单晶生长结束后降温之前对所述异质衬底进行腐蚀的。

4.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体自支撑衬底的生长方法，其特征在于：

在步骤B中，是在开始生长氮化物单晶的同时，即开始对所述异质衬底进行腐蚀的。

5.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体自支撑衬底的生长方法，其特征在于：

在步骤B中，是先生长一薄层氮化物，然后在不中断氮化物生长的情况下开始腐蚀所述异质衬底的。

6.一种采用权利要求1所述方法制备氮化物半导体自支撑衬底的专用设备，其特征在于：

该专用设备是将普通的用于制备氮化物自支撑衬底的HVPE反应器至少增加腐蚀性气体的通路而形成的；

所述腐蚀性气体的通路用于引入腐蚀性气体到异质衬底，以腐蚀该异质衬底；所述腐蚀性气体的通路应保证腐蚀性气体不会进入氮化物单晶的生长反应腔内。

7.根据权利要求6所述的制备氮化物半导体自支撑衬底的专用设备，其特征在于：

所述腐蚀性气体的通路为在所述普通的用于制备氮化物自支撑衬底的HVPE反应器中的异质衬底基座杆内形成的中空内腔；

在异质衬底被腐蚀前该中空内腔和氮化物单晶的生长反应腔通过异质衬底隔开。

8.根据权利要求7所述的制备氮化物半导体自支撑衬底的专用设备，其特征在于：

所述异质衬底基座杆为石英材料。

9.根据权利要求6或7或8所述的制备氮化物半导体自支撑衬底的专用设备，其特征在于：

该专用设备还包括气压调控装置；

所述气压调控装置用于通过对所述腐蚀性气体的通路和/或氮化物单晶生长反应腔内的气压进行调控，进一步避免腐蚀性气体进入氮化物单晶生长反应腔内。

10.根据权利要求9所述的制备氮化物半导体自支撑衬底的专用设备，其特征在于：

所述气压调控装置还用于维持所述腐蚀性气体的通路和所述氮化物单晶生长反应腔之间的气压平衡，以避免两者之间气压差过大而导致氮化物晶片破裂。