CN102560676A - 一种使用减薄键合结构进行GaN单晶生长的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种使用减薄键合结构进行GaN单晶生长的方法，包括以下步骤：(1)利用MOCVD方法在衬底上生长GaN薄膜，形成GaN外延片；(2)将GaN外延片减薄；(3)将减薄GaN外延片清洗干净并干燥；(4)使用金属层将减薄GaN外延片键合到其它衬底上，形成GaN基片；(5)清洗干净GaN基片并干燥；(6)将GaN基片按HVPE方法外延生长，得到GaN单晶。本发明通过GaN外延片减薄、清洗干燥、GaN外延片键合、再清洗干燥以及HVPE法生长，最后得到了应力完全释放的高质量GaN单晶，是一种完全释放GaN单晶残余应力的有效方法，可以大大提高单晶质量，具有制作简单、工艺成熟的特点，适合批量生产。

Description

一种使用减薄键合结构进行GaN单晶生长的方法
技术领域
本发明涉及一种采用减薄键合结构及HVPE工艺生长GaN单晶的方法，该方法能够提高外延生长GaN单晶质量，属于光电子技术领域。
背景技术
到上世纪末期，随着电子信息行业的飞速发展，传统的半导体材料已经无法满足现代电子技术发展对高温、高频、高压以及抗辐射、能发射蓝光等提出的新要求，而以GaN为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化学稳定性等性质，在高亮度蓝、绿光二极管、蓝光激光器、紫外探测器、激光二极管等光电器件和高温、高频大功率电子等微电子器件领域有广阔的应用前景。
但是由于缺乏GaN体单晶，目前商业化的GaN基器件基本都是采用异质外延，衬底材料主要是蓝宝石(Al2O3)、GaAs和Si等，但是这些衬底与GaN单晶之间的晶格失配和热失配较大，在外延的GaN单晶中存在较大的应力并产生较高的位错密度。为了降低晶格失配和热失配带来的应力，并进一步得到高质量自支撑GaN单晶衬底材料，研究者尝试过多种HVPE(氢化物气相外延)方法生长衬底处理方法。常用的方法有空位辅助分离(Void-assistedseparation)[参见Y.Oshima，et al，phys.stat.sol.(a)，194(2002)554-558]、侧向外延过生长(ELOG)[参见H.H.Huang，et al，J.Cryst.Growth 311(2009)3029-3032]、在衬底与HVPE方法生长GaN之间加入柔性缓冲层[参见Hyun-Jae Lee，et al，Applied Physics Letter 91(2007)192108]以及制备纳米结构的衬底[参见C.L.Chao，Appl.Phys.Lett.95(2009)051905]等。采用这些方法生长出GaN单晶的质量都得到一定程度的提高，相应的位错密度也得到一定减少，但是这些方法的工艺复杂，且GaN单晶中存在的应力并没有得到完全的释放。
发明内容
本发明针对现有GaN单晶生长方法存在的工艺复杂、应力不能完全释放等问题，提供一种工艺过程简单、能够完全释放应力的使用减薄键合结构进行GaN单晶生长的方法。
本发明使用减薄键合结构进行GaN单晶生长的方法，包括以下步骤：
(1)利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)工艺在衬底(蓝宝石衬底或SiC衬底)上外延生长2μm-10μm厚的GaN薄膜，形成GaN外延片；
(2)机械研磨GaN外延片的衬底，将GaN外延片的厚度减薄至20μm-100μm；
(3)将减薄后的GaN外延片，在25℃-53℃丙酮和25℃-73℃乙醇溶液下分别清洗1分钟-5分钟，用去离子水冲洗干净，再在分析纯盐酸中漂洗1分钟-5分钟，去离子水冲洗干净，氮气烘干；
(4)使用不同金属层(如Sn/Au、Ti/Au、Ni/Au等)，将减薄后的GaN外延片键合到另一衬底(Si、SiC和蓝宝石等，可与步骤(1)中的衬底为同一种材料，也可以不同)上，键合的压力为0-10000kg，温度为0-700℃，键合后形成GaN基片；
(5)将GaN基片在25℃-53℃丙酮和25℃-73℃乙醇溶液下分别清洗1分钟-5分钟，去离子水冲洗干净，再用氢氟酸漂洗20秒-5分钟，去离子水冲洗干净，氮气烘干；
(6)将清洗后的GaN基片放入HVPE(氢化物气相外延)生长系统中外延生长，得到GaN单晶。
本发明通过GaN外延片减薄、清洗干燥、GaN外延片键合、再清洗干燥以及HVPE法生长，最后得到了应力完全释放的高质量GaN单晶，是一种完全释放GaN单晶残余应力的有效方法，可以大大提高单晶质量，具有制作简单、工艺成熟的特点，适合批量生产。
附图说明
图1是本发明使用减薄键合结构进行GaN单晶生长方法的流程图。
图2是制备的具有减薄键合结构的GaN基片的结构示意图。
图3将蓝宝石衬底上MOCVD方法生长的GaN外延片减薄后使用Ti/Au金属层键合到Si衬底上按HVPE方法生长制备的GaN单晶样品的断面SEM(扫描电子显微镜)图。
图4是本发明制备的使用BMGS(键合(Bonding)MOCVD GaN/蓝宝石(Sapphire)，具有减薄键合结构，MOCVD方法生长的蓝宝石GaN外延片)基片与使用MGS(MOCVD GaN/蓝宝石(Sapphire)，MOCVD方法生长的GaN外延片)基片制备样品的拉曼光谱。
图中：1、GaN薄膜，2、衬底，3、键合金属层，4、键合衬底，5、Si衬底，6、Ti/Au金属层，7、蓝宝石衬底，8、在蓝宝石衬底上外延生长的GaN薄膜，9、GaN单晶。
具体实施方式
图1给出了本发明的使用减薄键合结构进行GaN单晶生长方法的流程图，具体包括以下步骤：
(1)利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)工艺在衬底(蓝宝石衬底或SiC衬底)上外延生长2μm-10μm厚的GaN薄膜，形成GaN外延片。
(2)机械研磨GaN外延片的衬底，将GaN外延片的厚度减薄至20μm-100μm；
(3)将减薄后的GaN外延片，在25℃-53℃丙酮和25℃-73℃乙醇溶液下分别清洗1分钟-5分钟，用去离子水冲洗干净，再在浓盐酸(分析纯)中漂洗1分钟-5分钟，去离子水冲洗干净，氮气烘干。
(4)使用不同金属层(如Sn/Au、Ti/Au、Ni/Au等)，将减薄后的GaN外延片键合到某种衬底(Si、SiC和蓝宝石等，可与步骤(1)中的衬底为同一种材料，也可以不同)上，键合的压力为0-10000kg，温度为0-700℃。键合后形成具有减薄键合结构的GaN基片，GaN基片的结构如图2所示，自上至下依次为GaN薄膜1、衬底2、键合金属层3和键合衬底4。
(5)将GaN基片在25℃-53℃丙酮和25℃-73℃乙醇溶液下分别清洗1分钟-5分钟，去离子水冲洗干净，再用氢氟酸漂洗20秒-5分钟，去离子水冲洗干净，氮气烘干；
(6)将清洗后的GaN基片放入HVPE(氢化物气相外延)生长系统中外延生长，得到GaN单晶。
图3给出了一种按上述方法具体制备的GaN单晶样品的断面SEM(扫描电子显微镜)图，该GaN单晶样品，以蓝宝石为衬底MOCVD生长GaN外延片，减薄后使用Ti/Au金属层键合键合到Si衬底(键合衬底)上，然后HVPE法生长得到GaN单晶，完全释放掉了应力。其具体的制备步骤如下：
(1)利用MOCVD方法在蓝宝石衬底外延生长2μm厚的GaN薄膜，形成GaN外延片。
(2)机械研磨GaN外延片的衬底，使GaN外延片的厚度为96μm。
(3)将减薄后的GaN外延片，在53℃丙酮和73℃乙醇溶液下分别清洗5分钟，去离子水冲洗干净，浓盐酸(分析纯)中漂洗5分钟，再去离子水冲洗干净，氮气烘干。
(4)在Si衬底上先后沉积Ti(70nm)/Au(3μm)/Ti(70nm)金属层，将减薄后的GaN外延片键合到Si衬底上，键合压力为3000kg，温度为350℃；形成具有减薄键合结构的GaN基片。
(5)将GaN基片在53℃丙酮和73℃乙醇溶液下分别清洗5分钟，去离子水冲洗干净，氢氟酸漂洗1分钟，再去离子水冲洗干净，氮气烘干。
(6)将GaN基片放入HVPE生长系统中外延生长，得到如图3所示的GaN单晶，其结构自下至上依次为Si衬底5、Ti/Au金属层6、蓝宝石衬底7、在蓝宝石衬底上外延生长的GaN薄膜8和GaN单晶9。
由图3给出的样品断面SEM分析图，可以看到本发明提供的方法能够形成非常稳定的结构，且没有由于残余应力导致的缺陷存在。
图4所示为使用减薄键合结构和未使用减薄键合结构制备的GaN单晶样品的拉曼散射图谱。以下公式可以计算GaN单晶样品的残余应力大小：
Figure BDA0000132101370000031
其中σ是样品表面存在的残余应力，Δω是E2峰的频移。
无应力状态下GaN的E2峰位置为566.2cm-1，使用本发明BMGS基片与使用MGS基片制备GaN单晶样品的E2峰位置分别为566.3186cm-1和567.2959cm-1，由上述公式计算得到其残余应力分别为0.02758GPa和0.2549GPa，结果证明使用减薄键合的结构可以完全释放掉GaN中的应力。
通过实验，在本发明给出的各参数的范围内，通过改变各参数的具体值均可以获得减薄键合结构不同的GaN单晶基片，对获得的各种GaN单晶基片按HVPE方法进行外延生长，都能够得到应力完全释放的高质量GaN单晶。

Claims (1)

1.一种使用减薄键合结构进行GaN单晶生长的方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)利用MOCVD工艺在衬底上外延生长2μm-10μm厚的GaN薄膜，形成GaN外延片；
(2)机械研磨GaN外延片的衬底，将GaN外延片的厚度减薄至20μm-100μm；
(3)将减薄后的GaN外延片，在25℃-53℃丙酮和25℃-73℃乙醇溶液下分别清洗1分钟-5分钟，用去离子水冲洗干净，再在分析纯盐酸中漂洗1分钟-5分钟，去离子水冲洗干净，氮气烘干；
(4)使用不同金属层，将减薄后的GaN外延片键合到另一衬底上，键合的压力为0-10000kg，温度为0-700℃，键合后形成GaN基片；
(5)将GaN基片在25℃-53℃丙酮和25℃-73℃乙醇溶液下分别清洗1分钟-5分钟，去离子水冲洗干净，再用氢氟酸漂洗20秒-5分钟，去离子水冲洗干净，氮气烘干；
(6)将清洗后的GaN基片放入HVPE生长系统中外延生长，得到GaN单晶。
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