CN110085518A - 一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜及其器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜及其器件的制备方法，可转移GaN薄膜包括依次按序叠放的衬底、第一GaN缓冲层、牺牲层、第二GaN缓冲层和器件制备层，以衬底为载体，在衬底上首先生长第一GaN缓冲层，然后在第一GaN缓冲层上生长σ掺杂的牺牲层，接着生长第二GaN缓冲层和器件制备层，并用微加工工艺制备目标器件，然后生长钝化层，去除牺牲层并将剥离下来目标器件的正面与临时衬底结合，最后将目标器件与目标衬底键合并去除临时衬底。该剥离技术能够精确地刻蚀高掺杂浓度的n型氮化镓牺牲层，具有快速、大面积剥离氮化物外延层的优势；同时，剥离的氮化镓薄膜表面粗糙度低，益于异质集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜及其器件的制备方法，可用于信息材料与器件技术领域。
背景技术
GaN作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有大禁带宽度(3.4eV)、强击穿电场(3.3MV/cm)、高电子饱和漂移速度(3×107cm/s)、抗辐射能力强和高化学稳定性等一系列材料性能优势，是研制新型射频功率半导体器件、蓝绿光及紫外激光器、大功率二极管的热门材料。以HEMT器件为例，得益于AlGaN/GaN异质结材料在极化效应的作用下可以形成高密度(＞1x1013cm-2)、高室温电子迁移率(＞2000cm2/Vs)的二维电子气(2DEG)，使AlGaN/GaN HEMT器件具有大电流增益、高截止频率、强驱动能力、低相位噪声以及大功率密度等优点，在高频、大功率、高温、光电子、抗辐射等商用领域、军事领域具有重要应用前景。但是，当AlGaN/GaN HEMT器件工作于高频、大功率、高温环境时，耗散功率会引起导电沟道区域温度升高，产生显著的自加热效应，将引起附加功率效率和电流输出能力降低，进而引起器件射频及击穿电压等性能的退化，严重自加热效应还会导致器件功能失效。因此，将AlGaN/GaN HEMT大功率器件的热量有效散发将会显著地提高器件性能及可靠性。
目前，AlGaN/GaN HEMT器件主要以蓝宝石，Si，氮化镓及碳化硅等为衬底，其热导率分别为45W/m.K、150W/m.K、230W/m·K、490W/m·K。如果将AlGaN/GaN HEMT器件精确从衬底上剥离下来与高热导率材料集成(如金刚石，热导率：3320W/m·K)，将会极大地提高AlGaN/GaN HEMT射频功率器件的散热能力。
目前，已有的氮化镓剥离技术主要有激光剥离技术和光增强化学刻蚀技术。激光剥离技术利用高能量密度的激光透过蓝宝石分解氮化镓，但不适用于剥离氮化镓衬底上同质外延的器件，而且该技术剥离下来的氮化镓外延层背面非常粗糙，厚度难做到纳米级别的控制。光辅助化学湿法腐蚀即在紫外光照射到GaN表面时，激发出电子-空穴对，空穴在阳极参与GaN的氧化，破坏GaN的结构，从而提高了GaN的腐蚀速率。但是，该刻蚀法要求在样品表面制备金属电极，并与样品表面形成良好的欧姆接触，制备工艺复杂，并且刻蚀速率极慢(μm/h)，无法用来快速剥离大尺寸的薄膜与器件。
相比之下，选择性电化学刻蚀即采用高选择比湿法刻蚀的方法从外延衬底上精确的刻蚀高掺杂浓度的N型氮化镓牺牲层，低掺杂浓度或者P型掺杂的氮化镓层不会被刻蚀，具有快速、大面积剥离氮化物外延层的优势。同时，采用电化学刻蚀剥离的氮化镓薄膜表面粗糙率低，适合于异质集成。所以，采用外延剥离(Epitaxial Lift-Off)方法剥离制备完成的器件，并将其和高热导率材料集成解决衬底对GaN基功率半导体器件散热的限制；同时将氮化镓外延衬底重复使用，有效降低器件制备成本。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜及其器件的制备方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜，包括依次按序叠放的衬底、第一GaN缓冲层、牺牲层、第二GaN缓冲层和器件制备层，所述牺牲层包括依次按序叠放的第一n++型GaN层/n+型GaN层/第二n++型GaN层，以衬底为载体，在衬底上首先生长第一GaN缓冲层，然后在第一GaN缓冲层上生长σ掺杂的牺牲层，即第一n++型GaN层/n+型GaN层/第二n++型GaN层，接着生长第二GaN缓冲层和器件制备层，之后采用微加工工艺制备目标器件，然后生长钝化层，去除牺牲层并将剥离下来目标器件的正面与临时衬底结合，最后将目标器件与目标衬底键合并去除临时衬底。
优选地，所述衬底为硅、蓝宝石、氮化镓和碳化硅，所述第一GaN缓冲层为厚度2～6微米的uid-GaN材料，所述第一n++型GaN层的掺杂浓度为3～5E19cm-3，厚度为5～20nm。
优选地，所述n+型GaN层的掺杂浓度为1～3E19cm-3，厚度为150～500nm；所述第二n++型GaN层的掺杂浓度为3～5E19cm-3，厚度为5～20nm，所述第二GaN缓冲层为厚度200nm～1μm的uid-GaN材料。
优选地，所述第一n++型GaN层、n+型GaN层和第二n++型GaN层均为硅掺杂。
优选地，所述微加工制备的目标器件包括AlGaN/GaN HEMT，GaN基激光器及GaN基发光二极管。
优选地，所述钝化层为采用PECVD或磁控溅射生长的SiO2或Si3N4。
本发明还揭示了一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜器件的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1：对蓝宝石、硅，碳化硅和氮化镓衬底进行清洗；
S2：在所述S1步骤清洗过后的衬底上外延生长第一uid-GaN缓冲层、牺牲层n++型GaN层/n+型GaN层/n++型GaN层、第二GaN缓冲层，以及器件制备层；
S3：采用微加工工艺在S2步骤中得到的器件制备层上制备目标器件结构；
S4：采用PECVD或磁控溅射在S3步骤中得到的目标器件结构上生长SiO2或Si3N4钝化层，用于防止刻蚀过程中损伤表面器件；
S5：完成S4工艺步骤后，采用电化学刻蚀选择性去除在S2步骤中生长的牺牲层，将样品与电解液之间加一定偏压，刻蚀牺牲层；
S6：将S5步骤中剥离下来的目标器件的正面与临时衬底结合；
S7：完成S6步骤后，将目标器件与目标衬底键合；
S8：完成S7步骤后，将临时衬底去除。
优选地，在所述S5步骤中，外延剥离后GaN器件厚度在微米0.5～10微米量级，尺寸在0.5厘米～2英寸量级；在所述S6步骤中，使用聚二甲基硅氧烷柔性衬底作为临时衬底。
优选地，在所述S7步骤中，在低真空环境下用氩离子处理GaN器件底面以及目标衬底表面。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：该技术方案在衬底上制备一层高掺杂浓度的n型GaN牺牲层，采用高选择比湿法刻蚀的方法从外延衬底上精确的刻蚀高掺杂浓度的n型氮化镓牺牲层，具有快速、大面积剥离氮化物外延层的优势；将GaN基器件剥离下来转移到高导热系数衬底上，提高AlGaN/GaN HEMT射频功率器件的散热能力，同时将氮化镓外延衬底重复使用，有效降低器件制备成本，器件剥离转移后仍保持结构完整。
附图说明
图1为本发明的一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜的结构示意图。
图2为本发明的一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜器件制备方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜及其器件的制备方法，如图1和图2所示，一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜包括依次按序叠放的衬底1、第一GaN缓冲层2、牺牲层、第二GaN缓冲层6和器件制备层7，所述牺牲层包括依次按序叠放的第一n++型GaN层3/n+型GaN层4/第二n++型GaN层5。
以衬底1为载体，在衬底上首先生长第一GaN缓冲层2，然后在第一GaN缓冲层2上生长σ掺杂的牺牲层，即第一n++型GaN层3/n+型GaN层4/第二n++型GaN层5，接着生长第二GaN缓冲层6和器件制备层7，并用微加工工艺制备目标器件9，然后生长钝化层8，去除牺牲层并将剥离下来目标器件的正面与临时衬底结合，最后将目标器件与目标衬底10键合并去除临时衬底。
在本技术方案中，所述衬底1为硅、蓝宝石、氮化镓和碳化硅，所述第一GaN缓冲层2为厚度2～6微米的uid-GaN材料，所述第一n++型GaN层3的掺杂浓度为3～5E19cm-3，厚度为5～20nm。所述n+型GaN层4的掺杂浓度为1～3E19cm-3，厚度为150～500nm；所述第二n++型GaN层5的掺杂浓度为3～5E19cm-3，厚度为5～20nm，所述第二GaN缓冲层6为厚度200nm～1μm的uid-GaN材料。
所述第一n++型GaN层3、n+型GaN层4和第二n++型GaN层5均为硅掺杂。所述微加工制备的目标器件9包括AlGaN/GaNHEMT，GaN基激光器及GaN基发光二极管。所述钝化层8为采用PECVD或磁控溅射生长的SiO2或Si3N4。
本发明还揭示了一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜器件的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1：对蓝宝石、硅，碳化硅和氮化镓衬底进行清洗；
S2：在S1步骤清洗过后的衬底上外延生长第一uid-GaN缓冲层、牺牲层n++型GaN层/n+型GaN层/n++型GaN层、第二GaN缓冲层，以及器件制备层；
S3：采用微加工工艺在S2步骤中器件制备层上制备目标器件结构，如GaN/AlGaNHEMT，GaN基激光器及GaN基发光二极管等器件；
S4：采用PECVD或磁控溅射在S3步骤中制备完成的目标器件上生长SiO2或Si3N4钝化层，防止刻蚀过程中损伤表面器件；
S5：完成S4工艺步骤后，采用电化学刻蚀选择性去除在S2步骤中生长的牺牲层，将样品与电解液之间加一定偏压，刻蚀牺牲层；
S6：将S5步骤中剥离下来的目标器件的正面与临时衬底结合；
S7：完成S6步骤后，将目标器件与目标衬底键合；
S8：完成S7步骤后，将临时衬底去除。
在所述S5步骤中，外延剥离后GaN器件厚度在微米量级，尺寸在毫米量级；在所述S6步骤中，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性衬底作为临时衬底。在所述S7步骤中，在低真空环境下用氩离子处理GaN器件底面以及目标衬底表面去除表面杂质，增加键合面积，同时结合低温退火，实现稳定的键合。
该技术方案在衬底上制备一层高掺杂浓度的n型GaN牺牲层，采用高选择比湿法刻蚀的方法从外延衬底上精确的刻蚀高掺杂浓度的n型氮化镓牺牲层，将GaN基器件剥离下来转移到高导热系数衬底上，提高AlGaN/GaN HEMT射频功率器件的散热能力，器件剥离转移后仍保持结构完整。
本专利采用具有导电性的高选择比(刻蚀高掺杂的n型GaN)电化学刻蚀方法剥离制备高质量GaN薄膜及器件。该剥离技术能够精确地刻蚀高掺杂浓度的n型氮化镓牺牲层，具有快速、大面积剥离氮化物外延层的优势；同时，剥离的氮化镓薄膜表面平滑，益于异质集成。另外，该剥离技术采用的氮化镓外延衬底重复使用，能有效地降低薄膜及器件的制备成本。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜，其特征在于：
包括依次按序叠放的衬底(1)、第一GaN缓冲层(2)、牺牲层、第二GaN缓冲层(6)和器件制备层(7)，所述牺牲层包括依次按序叠放的第一n++型GaN层(3)/n+型GaN层(4)/第二n++型GaN层(5)，以衬底(1)为载体，在衬底上首先生长第一GaN缓冲层(2)，然后在第一GaN缓冲层(2)上生长σ掺杂的牺牲层，即第一n++型GaN层(3)/n+型GaN层(4)/第二n++型GaN层(5)，接着生长第二GaN缓冲层(6)和器件制备层(7)，之后采用微加工工艺制备目标器件(9)，然后生长钝化层(8)，去除牺牲层并将剥离下来目标器件的正面与临时衬底结合，最后将目标器件与目标衬底(10)键合并去除临时衬底。
2.根据权利要求1所述的一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜，其特征在于：所述衬底(1)为硅、蓝宝石、氮化镓和碳化硅，所述第一GaN缓冲层(2)为厚度2～6微米的uid-GaN材料，所述第一n++型GaN层(3)的掺杂浓度为3～5E19cm-3，厚度为5～20nm。
3.根据权利要求1所述的一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜，其特征在于：所述n+型GaN层(4)的掺杂浓度为1～3E19cm-3，厚度为150～500nm；所述第二n++型GaN层(5)的掺杂浓度为3～5E19cm-3，厚度为5～20nm，所述第二GaN缓冲层(6)为厚度200nm～1μm的uid-GaN材料。
4.根据权利要求1所述的一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜，其特征在于：所述第一n++型GaN层(3)、n+型GaN层(4)和第二n++型GaN层(5)均为硅掺杂。
5.根据权利要求1所述的一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜，其特征在于：所述微加工制备的目标器件(9)包括AlGaN/GaN HEMT，GaN基激光器及GaN基发光二极管。
6.根据权利要求1所述的一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜，其特征在于：所述钝化层(8)为采用PECVD或磁控溅射生长的SiO2或Si3N4。
7.一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜器件的制备方法，其特征在于：
该方法包括以下步骤：
S1：对蓝宝石、硅，碳化硅和氮化镓衬底进行清洗；
S2：在所述S1步骤清洗过后的衬底上外延生长第一uid-GaN缓冲层、牺牲层n++型GaN层/n+型GaN层/n++型GaN层、第二GaN缓冲层，以及器件制备层；
S3：采用微加工工艺在S2步骤中得到的器件制备层上制备目标器件结构；
S4：采用PECVD或磁控溅射在S3步骤中得到的目标器件结构上生长SiO2或Si3N4钝化层，用于防止刻蚀过程中损伤表面器件；
S5：完成S4工艺步骤后，采用电化学刻蚀选择性去除在S2步骤中生长的牺牲层，将样品与电解液之间加一定偏压，刻蚀牺牲层；
S6：将S5步骤中剥离下来的目标器件的正面与临时衬底结合；
S7：完成S6步骤后，将目标器件与目标衬底键合；
S8：完成S7步骤后，将临时衬底去除。
8.根据权利要求7所述的一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜器件的制备方法，其特征在于：在所述S5步骤中，外延剥离后GaN器件厚度在微米0.5～10微米量级，尺寸在0.5厘米～2英寸量级；在所述S6步骤中，使用聚二甲基硅氧烷柔性衬底作为临时衬底。
9.根据权利要求7所述的一种选择性电化学方法剥离的可转移GaN薄膜器件的制备方法，其特征在于：在所述S7步骤中，在低真空环境下用氩离子处理GaN器件底面以及目标衬底表面。
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