CN103882526B - 在SiC衬底上直接生长自剥离GaN单晶的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在SiC衬底上直接生长自剥离GaN单晶的方法,包括以下步骤:(1)SiC晶片清洗;(2)将SiC晶片装入HVPE反应室中;(3)将HVPE反应室抽真空后,通入N2至HVPE反应室内气压升至室内实际气压值;(4)生长一层GaN低温缓冲层;(5)将HVPE反应室内温度升高进行高温退火;(6)将HVPE反应室内温度降到1000-1070℃生长GaN单晶;(7)将HVPE反应室内温度降回到室温;得到自剥离的GaN单晶。本发明通过在SiC衬底上先生长一层低温缓冲层再高温退火,最后高温生长GaN单晶的方法,实现了通过HVPE法直接在SiC衬底上生长GaN,并得到了自剥离的GaN单晶,具有简便、快捷、成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用HVPE(氢化物气相外延)法,采用特定工艺生长GaN单晶的方法,该方法能够降低外延生长GaN单晶的内部应力,可以实现GaN单晶与异质衬底的自剥离,属于GaN晶体生长技术领域。
背景技术
氮化镓(GaN)是一种典型的第三代半导体材料,由于其禁带宽度大(在室温下其禁带宽度为3.4eV),可以发射短波长的蓝光。另外,GaN还具有高电子迁移率、高击穿电压、化学性质稳定、耐腐蚀、耐高温等特点,这使其非常适合用于制作高频、高功率电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件。因此,GaN在半导体发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、高能高频电子器件以及紫外探测器等方面有广阔的应用前景。目前,GaN材料及其相关器件已经成为世界范围的研究热点。但是,由于缺乏同质衬底,大部分氮化镓基器件都是在异质衬底上生长的,这大大降低了器件的性能和使用寿命。由于晶格失配和热失配,异质生长会使外延层产生裂纹和高密度的位错。高的缺陷密度会导致器件使用寿命的降低。因此,对于那些对衬底条件要求比较高的器件,使用位错密度低于106cm-2的同质GaN衬底进行生长是非常必要的。
氢化物气相外延(HVPE)法是一种化学气相沉积技术,可以在衬底上生长厚的GaN膜,进而剥离出GaN单晶。1969年,Maruska和Tirtjen采用HVPE法第一次在2cm2的蓝宝石衬底上得到了50-150μm厚的GaN单晶(参见H.P.Maruska,J.J.Tietjen,Thepreparationandpropertiesofvapor-depositedsinglecrystallineGaN,Appl.Phys.Lett.,1969,15,327-329)。HVPE法生长GaN单晶具有较高的生长速率,在2英寸的衬底上可以得到毫米量级厚度的晶体,其沿[0001]方向的生长速率可以达到100-1000μm/h,比典型的气相沉积法例如金属有机气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)法高两个数量级。HVPE法具有设备简单、成本低、生长速度快等优点,可以生长均匀、大尺寸的GaN厚膜,并可通过抛光或激光剥离将生长的GaN厚膜从衬底上剥离下来,作为同质外延的衬底进一步生长器件结构。因此,HVPE法被认为是获得高质量GaN晶体最成功和最具有前景的生长方法。由于GaN单晶的生长主要是在异质衬底上进行的,目前最常用于生长GaN的衬底是蓝宝石衬底(Al2O3)。但是由于蓝宝石和GaN具有较大的晶格失配(13.8%)和热失配,因此生长的GaN单晶具有较高的位错密度和较大的应力,严重损害了器件的光学和电学性能(参见S.Nakamura,M.Senoh,S.Nagahama,N.Iwasa,T.Yamada,T.Matsushita,H.Kiyoku,Y.Sugimoto,T.Kozaki,H.Umemoto,M.Sano,K.Chocho,Jpn.J.Appl.Phys.,1998,37,1020-1022)。由于SiC和GaN的晶格失配比较小(3.4%),并且具有相近的热膨胀系数,因此被认为是生长GaN比较合适的衬底材料(参见C.F.Lin,H.C.Cheng,G.C.Chi,M.S.Feng,J.D.Guo,J.MinghuangHong,C.Y.Chen,GrowthandcharacterizationsofGaNonSiCsubstrateswithbufferlayers,J.Appl.Phys.,1997,82,2378-2382)。
目前,主要采用抛光或激光剥离的方法得到自支撑的GaN衬底,但是过程比较复杂且对GaN衬底存在伤害。为了省去剥离工艺,降低GaN内部应力,GaN与异质衬底之间的自剥离工艺受到了越来越多的关注。比较常见的方法有在AlN(参见E.Valcheva,T.Paskova,S.Tungasmita,P.O.A.Persson,J.Birch,E.B.Svedberg,L.Hultman,B.Monemar,Appl.Phys.Lett.,2000,76,1860)、ZnO(参见T.Detchprohm,K.Hiramatsu,H.Amano,I.Akasaki,Appl.Phys.Lett.,1992,61,2688)、AlInN(参见C.Hemmingsson,M.Boota,R.O.Rahmatalla,M.Junaid,G.Pozina,J.Birch,B.Monemar,JournalofCrystalGrowth2009,311,292)、InGaN/GaN(参见D.Gogova,D.Siche,A.Kwasniewski,M.Schmidbauer,R.Fornari,C.Hemmingsson,R.Yakimova,B.Monemar,PhysicaStatusSolidiC,2010,71,756)、TiN缓冲层(参见Y.Oshima,T.Eri,M.Shibata,H.Sunakawa,A.Usui,PhysicaStatusSolidiA,2002,194,554)以及GaN纳米线上生长GaN(参见C.L.Chao,C.H.Chiu,Y.J.Lee,H.C.Kuo,P.-C.Liu,J.D.Tsay,S.J.Cheng,Appl.Phys.Lett.,2009,95,051905)。但是,这些方法都需要几个不同的步骤才能实现,并且这些步骤需要采用不同的设备或工具。在SiC异质衬底上直接生长GaN单晶,并得到自剥离的GaN单晶衬底可以省去很多复杂的过程,从而节省了时间和生长成本。
发明内容
本发明针对GaN的剥离问题,提供一种在SiC衬底上直接生长自剥离GaN单晶的方法,该方法能够直接在SiC衬底上生长GaN晶体,省去了MOCVD生长GaN的步骤,生长的GaN晶体能够实现自剥离。
本发明的在SiC衬底上直接生长自剥离GaN单晶的方法,是利用HVPE法(氢化物气相外延),具体包括以下步骤:
(1)将SiC晶片依次放入乙醇、丙酮和去离子水中分别超声清洗5-30分钟;
(2)将清洗后的SiC晶片装入HVPE反应室中,并将HVPE反应室密封;
(3)将HVPE反应室内气压抽至3×102-1×104Pa后,通入N2至HVPE反应室内气压升至反应室外部实际气压值,重复该步骤1-3次;
(4)将HVPE反应室内温度升到450-800℃,生长一层GaN低温缓冲层,生长时间为5分钟-30分钟,HVPE反应室内压强为0.8atm-1.2atm;
(5)将HVPE反应室内温度升到1070-1100℃,高温退火10分钟-60分钟,退火过程中通入NH3作为保护气,保持HVPE反应室内压强不变;
(6)将HVPE反应室温度内降到1000-1070℃生长GaN单晶,保持HVPE反应室内压强不变;
(7)将HVPE反应室内温度降回到室温,降温过程中通入NH3作为保护气;得到自剥离的GaN单晶。
本发明通过在SiC衬底上先生长一层低温缓冲层再高温退火,最后高温生长GaN单晶的方法,实现了通过HVPE法直接在SiC衬底上生长GaN,并得到了自剥离的GaN单晶,具有简便、快捷、成本低的特点。
附图说明
图1是用HVPE设备生长GaN单晶的流程图。
图2是在600℃生长的GaN低温缓冲层的SEM形貌图。
图3是低温缓冲层在1080℃温度下退火后的SEM形貌图。
图4是在SiC上生长的自剥离GaN单晶的拉曼光谱图。
图5是在SiC上生长的自剥离GaN单晶的光致荧光光谱图。
具体实施方式
实施例1
图1给出了本发明用HVPE设备生长GaN单晶的流程,是将清洗后的SiC放入HVPE反应设备中直接进行生长,生长过程涉及低温形核、高温退火和高温生长阶段,具体步骤如下:
(1)将SiC晶片依次放入乙醇、丙酮和去离子水中分别超声清洗5分钟;
(2)将清洗后的SiC晶片装入HVPE反应室中,并将反应室密封,SiC的C面为生长面;
(3)将HVPE反应室气压抽至3×102Pa后,通入N2至反应室内气压升至室内实际气压值,重复该步骤2次;
(4)将温度升到600℃,生长一层GaN低温缓冲层,生长时间为30min,反应室内压强为1atm,生长过程中V/III(NH3和HCl的比例)为180。低温缓冲层形貌图参见图2;
(5)将温度升到1080℃,高温退火10min,应室内压强为1atm,退火过程中通入NH3作为保护气。高温退火后的缓冲层形貌图参见图3;
(6)将温度降到1050℃生长GaN单晶,生长过程中V/III为90,应室内压强为1atm,生长时间为3h;
(7)将温度从生长温度降回到室温,降温过程中通入NH3作为保护气;
(8)从反应室中取出样品,得到自剥离GaN单晶。
图4给出了在SiC上生长的自剥离GaN单晶的拉曼光谱图,从图4中可以看出,自剥离GaN单晶的应力很小。图5给出了SiC上生长的自剥离GaN单晶的光致荧光光谱图,从图5中可以看出,此种方法获得的GaN单晶基本没有黄光带,晶体质量良好。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于:步骤(2)中SiC的Si面为生长面。步骤(4)中低温缓冲层的生长温度为800℃,生长时间为5min。步骤(4)、(5)、(6)中,应室内压强为0.8atm。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于:将HVPE反应室气压抽至3×103Pa后通入N2至反应室内气压升至室内实际气压值,重复该步骤1次;步骤(5)中高温退火的温度为1100℃,退火时间为30min;步骤(6)中GaN单晶的生长温度为1070℃;步骤(4)、(5)、(6)中,应室内压强为1.2atm。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于:步骤(1)中清洗时间为10min;步骤(2)中SiC的Si面为生长面;步骤(4)中,低温缓冲层的生长温度为450℃,生长时间为10min。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于:步骤(1)中清洗时间为30min;将HVPE反应室气压抽至1×104Pa后,通入N2至HVPE反应室内气压升至室内实际气压值,重复该步骤3次;步骤(5)中高温退火的温度为1070℃,退火时间为60min;步骤(6)中GaN单晶的生长温度为1000℃。
实验研究表明,本发明实现了GaN单晶直接在SiC衬底上的生长,省去了MOCVD生长GaN的步骤,且生长出的GaN能够与衬底之间发生自剥离。因此,此种方法不仅节省了时间,同时节约了成本,具有简便、快捷、成本低的优点,得到的GaN单晶质量良好。
Claims (1)
1.一种在SiC衬底上直接生长自剥离GaN单晶的方法,其特征是,包括以下步骤:
(1)将SiC晶片依次放入乙醇、丙酮和去离子水中分别超声清洗5-30分钟;
(2)将清洗后的SiC晶片装入HVPE反应室中,并将HVPE反应室密封;
(3)将HVPE反应室内气压抽至3×102-1×104Pa后,通入N2至HVPE反应室内气压升至反应室外部实际气压值,重复该步骤1-3次;
(4)将HVPE反应室内温度升到450-800℃,生长一层GaN低温缓冲层,生长时间为5分钟-30分钟,HVPE反应室内压强为0.8atm-1.2atm;
(5)将HVPE反应室内温度升到1070-1100℃,高温退火10分钟-60分钟,退火过程中通入NH3作为保护气,保持HVPE反应室内压强不变;
(6)将HVPE反应室内温度降到1000-1070℃生长GaN单晶,保持HVPE反应室内压强不变;
(7)将HVPE反应室内温度降回到室温,降温过程中通入NH3作为保护气;得到自剥离的GaN单晶。
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