CN103074676A

CN103074676A - 一种实现具有自剥离功能半导体材料生长的边缘保护方法

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Publication number: CN103074676A
Application number: CN2012103371432A
Authority: CN
Inventors: 徐永宽; 杨丹丹; 张嵩; 程红娟; 李晖; 徐所成; 张丽; 王迪; 兰飞飞; 张政; 史月增
Original assignee: CETC 46 Research Institute
Current assignee: CETC 46 Research Institute
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: CN103074676B

Abstract

本发明公开了一种实现具有自剥离功能半导体材料生长的边缘保护方法，所述方法包括：在半导体生长衬底上制备自剥离插入层；在具有自剥离插入层的衬底上放置全覆盖衬底边缘的边缘保护环；在具有所述边缘保护环的衬底上生长氮化物半导体材料；待生长完成后，去除所述边缘保护环，得到自支撑氮化物衬底材料。本发明提供的实现半导体材料自剥离的边缘保护方法，解决了现有技术中制备自剥离氮化物衬底时出现的边缘效应、多晶沉积等影响自支撑氮化物衬底完整性差的问题。

Description

一种实现具有自剥离功能半导体材料生长的边缘保护方法

技术领域

本发明涉及半导体材料生长领域，尤其涉及一种实现具有自剥离功能半导体材料生长的边缘保护方法。

背景技术

以氮化物为代表的第三代半导体材料属直接带隙半导体,具有禁带宽度大、电子饱和速度高、介电常数小等优点。高电子迁移率、高击穿电场、化学稳定等优异性能,使其可以在苛刻的条件下工作,适合制备多种器件。分别在光电子器件激光二极管、紫外探测器、发光二极管等方面广泛应用。代表性的以GaN材料为例，在光电子器件方面，蓝光光源可用于深海通信，蓝光激光器可用于生物化学武器的探测识别等。目前生长GaN材料的方法有很多，无论从纯度还是效率来讲，HVPE（Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延）法是目前制备GaN衬底的主要方法，用此方法生长代表性的有美国的Kyma公司、日本的住友电工、日立电线三菱化学以及法国的Lumilog等。其制备通常都是在特定的衬底表面上，通过化学沉积或其他方式沉积，多数为异质生长。对于异质生长的外延材料来说，受气氛影响，当生长到一定厚度会在衬底及晶片边缘沉积大量多晶，特别HVPE法生长速度快，沉积明显。因此，外延生长完成后，在实现自剥离的过程中，由于受到边缘多晶的影响，生长的晶片存在一定的边缘应力，易产生裂纹，影响晶片的完整性。目前，尚没有保护自剥离半导体材料生长的边缘保护方法。

发明内容

本发明提供一种实现具有自剥离功能半导体材料生长的边缘保护方法，用以解决现有技术中生长的晶片边缘生长多晶不易分离，且受应力影响易产生裂纹，进而影响晶片完整性的问题。

具体地，本发明提供的一种实现具有自剥离功能半导体材料生长的边缘保护方法包括：

在半导体生长衬底上制备自剥离插入层；

在具有自剥离插入层的衬底上放置全覆盖衬底边缘的边缘保护环；

在具有所述边缘保护环的衬底上生长氮化物半导体材料；

待生长完成后，去除所述边缘保护环，得到自支撑氮化物衬底材料。

优选地，本发明所述方法中，所述在具有自剥离插入层的衬底上放置全覆盖衬底边缘的边缘保护环前，还包括：对所述边缘保护环的内壁进行倒角和抛光处理，得到内壁光滑的边缘保护环。

进一步地，本发明所述方法中，所述全覆盖衬底边缘的边缘保护环，具体为：所述边缘保护环的内径小于所述衬底的直径、外径大于所述衬底的直径。

优选地，本发明所述方法中，所述边缘保护环为石英环。

进一步地，本发明所述方法中，所述制备自剥离插入层，包括：

在衬底上生长一层氮化物膜；

在生长有所述氮化物膜的衬底上，涂覆混合有球形微粒物的胶体；

在涂覆的胶体层上生长具有粗糙表面的氮化物缓冲层；

去除胶体层中的球形微粒物，得到具有微形孔及微柱状的自剥离插入层；

其中，生长的氮化物膜与生长的氮化物缓冲层为同质材料。

采用外延法，在所述衬底上生长InGaN、AlGaN或者GaAs材料的自剥离插入层。

进一步地，本发明所述方法中，所述制备自剥离插入层的工艺采用如下工艺中的一种或几种，包括：填充法、腐蚀法、刻蚀法、掩膜法和直接生长插入层的外延法。

进一步地，本发明所述方法中，采用氢化物气相外延HVPE法生长氮化物半导体材料。

进一步地，本发明所述方法中，所述生长的氮化物半导体材料的厚度为300μm～10mm。

进一步地，本发明所述方法中，所述生长的氮化物半导体材料为III族化合物，包括GaN、AlN、InN。

本发明有益效果如下：

本发明提供的实现半导体材料自剥离的边缘保护方法，解决了现有技术中制备自剥离氮化物衬底时出现的边缘效应、多晶沉积等影响自支撑氮化物衬底完整性差的问题，且本发明所述方法具有操作方便简洁、低成本、无损伤、可控度好、实用性强、易商业推广等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种实现具有自剥离功能半导体材料生长的边缘保护方法的流程图；

图2为本发明实施例中石英环的制作过程示意图；

图3为本发明实施例实现自剥离获得完整氮化物工艺流程的正视图；

图4为本发明实施例实现自剥离获得完整氮化物工艺流程的剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种实现具有自剥离功能半导体材料生长的边缘保护方法，如图1所示，所述方法包括：

步骤S101，在半导体生长衬底上制备自剥离插入层；

步骤S102，在具有自剥离插入层的衬底上放置全覆盖衬底边缘的边缘保护环；其中，所述全覆盖衬底边缘的边缘保护环，具体为：所述边缘保护环的内径小于所述衬底的直径、外径大于所述衬底的直径。

步骤S103，在具有边缘保护环的衬底上生长氮化物半导体材料；

步骤S104，待生长完成后，去除边缘保护环，得到自支撑氮化物衬底材料。

优选地，本发明实施例中放置的边缘保护环包括但不限于为石英环、蓝宝石环、刚玉环等耐高温、耐化学腐蚀、热传导性好的环形材料。鉴于石英性能优、价格合理，本发明优选采用石英环，下面就从石英环的制作到最后得到自支撑氮化物衬底材料的过程进行进一步详细阐述。

如图2所示，为本发明实施例中石英环的制作过程示意图。首先，选择等径石英管a1，将石英管采用切割机切割成石英环a2，将切割好的石英环a2的内壁进行倒角、抛光处理，得到内壁光滑的石英环a3，并将抛光后的石英环a3进行清洗、干燥备用。其中，切割成的石英环a2的高度可以根据具体需求而定，本发明给出石英环a2的经验高度值为1~2mm，但是本发明实施例中关于石英环a2的高度并不限于该经验值。

如图3、4所示，为本发明实施例采用HVPE法实现自剥离获得完整氮化物工艺流程的正视图和剖面图。具体工艺流程如下：

步骤1、对衬底b1进行自剥离插入层处理，获得b2；

该步骤中，衬底b1可以但不限于采用如下材料中的一种：蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓等。

进一步地，该步骤中，采用如下工艺中的一种或几种进行插入层制备，包括：填充法、腐蚀法、刻蚀法、掩膜法和直接生长插入层的外延法。

进一步地，该步骤中，所述插入层可以为采用外延法生长的InGaN、AlGaN、GaAs等成熟生长插入层中的一种。

优选地，该步骤中，所述自剥离插入层也可以为如专利号为CN201210199390.0中公开的插入层。

步骤2、将准备好的石英环b3放在待沉积半导体材料所选取的半导体衬底b1的上表面；其中，石英管b3内径小于衬底b1直径，外径大于衬底b1直径，实现对衬底边缘的全覆盖。

步骤3、在b2上通过HVPE法进行沉积厚层氮化物膜b4；

其中，所述氮化物膜可以是III族化合物，包括GaN、AlN、InN等氮化物；厚度可以为300μm～10mm。

步骤4、将生长有氮化物厚膜b4的半导体衬底从单晶炉中取出，去除生长有多晶b5的石英环b3；

步骤5、获得边缘光滑的自支撑氮化镓衬底材料b4。

下面结合上述优选的插入层处理方法，对本发明实施例实现具有自剥离功能半导体材料生长的边缘保护方法进行进一步阐述。具体包括：

步骤1、选取内径为50mm，壁厚为2mm的石英管；

步骤2、将石英管采用单线切割机进行切割，切割宽度为1mm（即石英环的高度为1mm）；

步骤3、将切割好的石英管进行倒角、抛光、清洗、干燥，备用；

步骤4、将一面2英寸蓝宝石抛光片衬底放入HVPE反应炉内，升温到1020℃，开始GaN外延层生长；

其中，外延层的生长控制V/III（NH3与HCl的流量比）为25，HCl流量设为30sccm，生长5分钟，得到厚度约为10μm的GaN外延层；

步骤5、降温后，将生长的带有GaN外延层的半导体衬底取出。

步骤6、将取出的半导体衬底采用匀胶机进行硅微颗粒的涂覆，转速在5000转/分，时间为20s。

步骤7、将涂覆好的半导体衬底片在干燥箱中进行干燥。

步骤8、将干燥好的衬底片放回反应炉，采用优化的条件继续GaN缓冲层的生长；

其中，缓冲层的生长控制V/III为100，HCl流量设为20sccm，生长5分钟，得到厚度约为5μm的缓冲层。

步骤9、降温后，将生长的带有GaN缓冲层的半导体衬底取出；

步骤10、将生长带有GaN缓冲层的衬底放置于氢氟酸溶液中进行室温腐蚀，腐蚀时间为10分钟后取出并依次使用去离子水、乙醇、异丙醇进行清洗，制备得到插入层；

步骤11、将干燥好的石英环放置在生长带有GaN缓冲层衬底的正表面；

步骤12、将生长有GaN缓冲层及带有石英环的衬底放回反应炉，升温到1020℃，开始GaN厚层生长；

其中，生长温度控制在1050℃，V/III比为20，HCl流量为35sccm，生长4小时，生长得到的无裂纹且光滑表面的GaN层厚度约400μm。

步骤13、生长结束，降温，将生长的带有GaN外延层的半导体衬底取出。

步骤14、去除长有氮化镓多晶的石英环，获得边缘光滑的自支撑氮化镓衬底材料。

综上所述，本发明提供的实现半导体材料自剥离的边缘保护方法，解决了现有技术中制备自剥离氮化物衬底时出现的边缘效应、多晶沉积等影响自支撑氮化物衬底完整性差的问题，且本发明所述方法具有操作方便简洁、低成本、无损伤、可控度好、实用性强、易商业推广等优点。

显然，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

1.一种实现具有自剥离功能半导体材料生长的边缘保护方法，其特征在于，包括：

在半导体生长衬底上制备自剥离插入层；

在具有所述边缘保护环的衬底上生长氮化物半导体材料；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在具有自剥离插入层的衬底上放置全覆盖衬底边缘的边缘保护环前，还包括：对所述边缘保护环的内壁进行倒角和抛光处理，得到内壁光滑的边缘保护环。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全覆盖衬底边缘的边缘保护环，具体为：所述边缘保护环的内径小于所述衬底的直径、外径大于所述衬底的直径。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述边缘保护环为石英环、蓝宝石环或者刚玉环。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备自剥离插入层，包括：

在衬底上生长一层氮化物薄膜；

在生长有所述氮化物薄膜的衬底上，涂覆混合有球形微粒物的胶体；

在涂覆的胶体层上生长具有粗状表面的氮化物缓冲层；

其中，生长的氮化物薄膜与生长的氮化物缓冲层为同质材料。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备自剥离插入层，包括：

7.如权利要求1或5或6所述的方法，其特征在于，所述制备自剥离插入层的工艺采用如下工艺中的一种或几种，包括：填充法、腐蚀法、刻蚀法、掩膜法和直接生长插入层的外延法。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中，采用氢化物气相外延HVPE法生长氮化物半导体材料。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生长的氮化物半导体材料的厚度为300μm～10mm。

10.如权利要求1或8或9所述的方法，其特征在于，所述生长的氮化物半导体材料为III族化合物，包括GaN、AlN、InN。