CN113053735A - BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底及其制备方法 - Google Patents

BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种BxAlyGa(1‑x‑y)N自支撑单晶衬底及其制备方法。所述制备方法包括：先在异质衬底上生长形成具有三维网状结构的h‑BN层，再于所述h‑BN层上进行BxAlyGa(1‑x‑y)N层的生长；破坏所述h‑BN层内层与层之间的弱连接，以使所述h‑BN层于层与层之间自剥离，从而实现BxAlyGa(1‑x‑y)N层与异质衬底的分离，从而获得BxAlyGa(1‑x‑y)N自支撑单晶衬底。本发明实施例提供的制备方法，以蓝宝石等异质衬底，通过采用具有三维网状结构的h‑BN作为缓冲层和断裂层，提高了BxAlyGa(1‑x‑y)N与衬底材料分离后的成品率，从而降低了BxAlyGa(1‑x‑y)N自支撑衬底的制备成本，有利于大尺寸BxAlyGa(1‑x‑y)N自支撑衬底的规模化生产。

Description

BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底及其制备方法
技术领域
本发明特别涉及一种BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底及其制备方法，属于材料科学技术领域。
背景技术
Ⅲ族氮化物(包括GaN、InN、AlN、BN及其多元合金)半导体被誉为第三代半导体材料，具有禁带宽度宽、热导率高、耐腐蚀等优良的物理化学性能，在光电器件和微电子器件等方面具有广泛应用前景。但是由于缺乏同质衬底材料，Ⅲ族氮化物一般生长在蓝宝石、SiC和Si衬底上，晶格失配和热失配导致的外延材料位错密度比较高，从而阻碍了相关器件性能的提高和应用。另外，异质外延也给器件带来了一些其它问题，如解理困难、散热性差等，因而开发高质量Ⅲ族氮化物衬底材料对发展第三代半导体产业至关重要。
BxAlyGa(1-x-y)N晶片(如GaN、AlN、BN晶片等)作为第三代半导体产业发展的一种关键材料，是深紫外光电器件、高温高频大功率微波器件、热中子探测器件等第三代半导体产业的核心，尤其在军事、卫星、国防安全等领域具有广泛的应用前景。
现有的生长BxAlyGa(1-x-y)N衬底的方法有很多种，如金属有机物气相外延法(MCVD)、氨热法、物理气相传输法(PVT)和氢化物气相外延法(HVPE)等，MCVD法虽然能够制备大面积BxAlyGa(1-x-y)N薄膜材料，但是局限于生长速率难以提高(通常每小时几百纳米)，在制备几百微米的自支撑AlN衬底方面不占优势；PVT方法在制备AlN材料方面虽然能够提高较高的生长速率，并且结晶质量也非常高(位错密度能够降低到104cm-2)，但是材料中通常存在高密度的点缺陷而导致材料难以透明，制约了其在深紫外光电子器件的应用，同时由于缺乏大尺寸的籽晶，难以制备大面积自支撑材料；HVPE方法生长速率较快，适合大面积制备衬底材料。但目前采用HVPE制备BN自支撑衬底的报道尚未见到。
目前HVPE制备自支撑GaN、AlN衬底的关键难题是由于所用的衬底材料与氮化物外延膜的晶格和热膨胀系数失配，当外延膜达到几十微米时就会因应力而开裂，并且晶面弯曲，不能得到大尺寸，高质量的晶片，此外由于BN、AlN及其合金材料的禁带宽度大，难以使用目前的激光剥离技术等分离衬底而形成自支撑结构。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底的制备方法，包括：
先在异质衬底上生长形成具有三维网状结构的h-BN层，再于所述h-BN层上进行BxAlyGa(1-x-y)N层的生长；
破坏所述h-BN层内层与层之间的弱连接，以使所述h-BN层于层与层之间自剥离，从而实现BxAlyGa(1-x-y)N层与异质衬底的分离，从而获得BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底，其中，0≤x≤1,0≤y≤1,x+y≤1。
本发明实施例还提供了由所述的制备方法制备获得的BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
本发明实施例提供的一种BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底的制备方法，以蓝宝石等异质衬底，通过采用具有三维网状结构的h-BN作为缓冲层和断裂层，既释放了外延生长BxAlyGa(1-x-y)N过程中的应力，又实现了高温条件下BxAlyGa(1-x-y)N自支撑材料(如GaN、AlN、BN、BAlN等自支撑材料)的制备；
本发明实施例提供的一种BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底的制备方法，提高了BxAlyGa(1-x-y)N与衬底材料分离后的成品率，从而降低了BxAlyGa(1-x-y)N自支撑衬底的制备成本，有利于大尺寸BxAlyGa(1-x-y)N自支撑衬底的规模化生产。
附图说明
图1是本发明一典型实施案例中提供的一种在异质结衬底上生长BxAlyGa(1-x-y)N层后的材料的截面结构示意图；
图2是本发明实施例1中降温后AlN与蓝宝石分离后界面处的SEM图；
图3是本发明实施例1中分离后的AlN分离面的SEM图；
图4是本发明实施例1中分离后蓝宝石衬底的表面的SEM图；
图5是本发明对比例1中获得的自支撑AlN衬底的结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
通常III族氮化物半导体材料生长在异质衬底(如蓝宝石、SiC等)上，氮化物半导体材料层与异质衬底之间以及氮化物半导体材料本身的层之间均是通过化学键连接，化学键键能大，不容易断开，因此要实现氮化物半导体与异质衬底的分离，需要断开这些化学键。现有方法主要是在氮化物半导体材料与异质衬底之间或者氮化物半导体材料内部形成孔洞结构，通过使孔洞部分的材料断裂，而实现与衬底的分离。然这种断裂，通常会导致断裂面不规则，容易在半导体材料内部产生微裂纹，进而导致分离的成品率低等问题。
h-BN材料的层与层之间是通过范德华力结合，不同于化学键连接，范德华力连接比较弱，容易实现自剥离；然而在采用自剥离技术制备自支撑的氮化物半导体材料，采用完整的厚h-BN层(一般大于5nm)实现材料在降温过程中的自剥离是比较困难的；在相同的晶圆尺寸上，为了进一步降低自剥离难度和自剥离成品率，需要进一步降低h-BN层的占用面积，本发明采用三维网络结构，不仅可以降低h-BN层的实际占用面积，而且可以通过结合三维网络结构实现侧向外延生长技术，进一步提高材料质量。
本发明在异质衬底表面制备一层具有三维网状结构的h-BN薄层，具有三维网状结构的h-BN薄层作为缓冲层和断裂层，结合h-BN层间弱连接和三维网状结构的特性，使得h-BN材料降温过程中能够于层与层之间自剥离，从而实现自支撑单晶材料和异质衬底的分离。
本发明实施例提供了一种BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底的制备方法，包括：
先在异质衬底上生长形成具有三维网状结构的h-BN层，再于所述h-BN层上进行BxAlyGa(1-x-y)N层的生长；
破坏所述h-BN层内层与层之间的弱连接，以使所述h-BN层的层与层之间自剥离，从而实现BxAlyGa(1-x-y)N层与异质衬底的分离，从而获得BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底，其中，0≤x≤1,0≤y≤1,x+y≤1。
进一步的，所述的制备方法具体包括：将异质衬底置于反应室内，通过调控生长条件，先进行具有三维网状结构的h-BN层的生长，再进行BxAlyGa(1-x-y)N层的原位生长，之后使所述BxAlyGa(1-x-y)N层和异质衬底于h-BN层的层间分离。
进一步的，所述的制备方法具体包括：将异质衬底置于反应室内，并以至少一种惰性气体作为载气，向所述反应室内通入B源、N源，且控制反应室内的温度为800-1400℃，以生长形成具有三维网状结构的h-BN层。
进一步的，所述B源的通入流量为0.05-50sccm，N源的通入流量为10-1000sccm。
进一步的，所述h-BN层所含三维网状结构的网孔的孔径为40-500nm。
进一步的，所述h-BN层的厚度在5nm以上。
进一步的，所述h-BN层的厚度为50-1000nm。
进一步的，所述的制备方法具体包括：以惰性气体作为载气，向所述反应室内通入N源以及B源和/或Al源和/或Ga源，且控制反应室内的温度为1000-1700℃，以生长形成BxAlyGa(1-x-y)N层。
进一步的，所述惰性气体包括氮气、氢气、稀有气体中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此，所述稀有气体包括氩气。
进一步的，所述N源的通入流量为100-10000sccm，所述B源的通入流量为1-100sccm，所属于Al源的通入流量为10-1000sccm，所述Ga源的通入流量为100-10000sccm。
进一步的，所述BxAlyGa(1-x-y)N层的厚度为150-2000μm。
进一步的，所述的制备方法具体包括：完成BxAlyGa(1-x-y)N层的生长后，将所述反应室内的温度以0.1-1℃/s的速率降低到室温，以破坏所述h-BN层内层与层之间的弱连接，从而使所述h-BN层于层与层之间自剥离。
进一步的，所述的制备方法还包括对所述BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底进行后处理，所述后处理包括对所述BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底进行研磨和化学机械抛光处理。
进一步的，所述异质衬底包括蓝宝石衬底或碳化硅衬底。
本发明实施例还提供了由所述的制备方法制备获得的BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底，所述BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底的尺寸为1-6英寸。
如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例所采用的金属有机物气相外延法(MCVD)、氨热法、物理气相传输法(PVT)和氢化物气相外延法(HVPE)以及制备设备和检测方法等均可以是本领域技术人员已知的。
本发明实施例提供了一种自支撑BxAlyGa(1-x-y)N衬底，包括BxAlyGa(1-x-y)N层其中0≤x≤1,0≤y≤1,x+y≤1，其中x和y在0～1之间连续可调。
请参阅图1，一种高温制备自支撑BxAlyGa(1-x-y)N衬底的方法，其包括如下步骤：
1)采用蓝宝石或者SiC作为异质衬底1，并置于氯化物气相外延(HVPE)设备中，向所述氯化物气相外延(HVPE)设备的反应室内通入氮气/氢气/Ar气等惰性气体中一种或两种以上的混合气，并将反应室内的温度升温至800-1400℃；
2)在800-1400℃，向反应室内通入B源和N源，以在异质衬底1上生长形成一层具有三维网状结构的h-BN薄层2，h-BN薄层的厚度为50-1000nm；
3)将反应室内的温度调节至1000-1700℃，并向所述反应室内通入N源以及B源和/或Al源和/或Ga源，以在所述h-BN薄层2上生长形成BxAlyGa(1-x-y)N层3，BxAlyGa(1-x-y)N层3的厚度为150-2000μm，其中0≤x≤1,0≤y≤1,x+y≤1，x和y在0～1之间连续可调，生长形成的材料截面结构如图1所示；
4)将反应室内的温度以0.1-1℃/s的速率降至室温，由于h-BN层间弱连接和三维网状结构的特性，所述h-BN层内层与层之间的弱连接被破坏，从而使所述h-BN层于层与层之间自剥离，BxAlyGa(1-x-y)N层和蓝宝石衬底或者SiC衬底实现分离，从而获得自支撑BxAlyGa(1-x-y)N材料；
5)对所获的自支撑BxAlyGa(1-x-y)N材料进行后处理，最终形成BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底。
实施例1
一种自支撑AlN衬底的制备方法，包括如下步骤：
1)将蓝宝石衬底放入HVPE设备的反应室中，在氮气气氛中将反应室内的温度升温至800-1400℃；
2)于800-1400℃条件下向反应室内通入B源和N源，以在蓝宝石衬底上生长厚度为100-1000nm，且具有三维网状结构的h-BN层；
3)将反应室内的生长温度调至1450-1500℃，并向反应室内通入Al源和N源，以在所述h-BN层生长厚度为150-400μm的AlN层示；
4)控制反应室内的温度以0.3-1℃/s的速率降低至室温，由于h-BN层间弱连接和三维网状结构的特点，AlN层和蓝宝石衬底于h-BN层的层间自分离，从而形成自支撑AlN材料；降温后AlN与蓝宝石分离后界面处的SEM图如图2所示，分离后的AlN分离面的SEM图如图3所示，分离后蓝宝石衬底的表面的SEM图如图4所示，很明显能够看到蓝宝石衬底表面的三维网状结构；
5)对所获的自支撑AlN材料进行研磨和化学机械抛光处理，从而形成AlN自支撑单晶衬底。
实施例2：一种自支撑GaN衬底的制备方法，包括如下步骤：
1)将蓝宝石衬底放入HVPE设备中的反应室内，在氮气气氛中将反应室内的温度升温至800-900℃；
2)于800-900℃条件下向反应室内通入B源和N源，以在蓝宝石衬底上生长一层厚度为50-100nm且具有三维网状结构的h-BN层；
3)将反应室内的生长温度调至1050℃，并向反应室内通入Ga源和N源，以在所述h-BN层上生长厚度为150-400μm的GaN层；
4)控制反应室内的温度以0.1-0.5℃/s的速率降低至室温，由于h-BN层间弱连接和三维网状结构的特点，GaN层和蓝宝石衬底于h-BN层的层间自分离，从而形成自支撑GaN材料；
5)对所获的自支撑GaN材料进行研磨和化学机械抛光处理，形成GaN自支撑单晶衬底。
实施例3：一种自支撑BN衬底的制备方法，包括如下步骤：
1)将蓝宝石衬底放入HVPE设备的反应室中，在氮气气氛中将反应室内的温度升温至800-1400℃；
2)于800-1400℃条件下向反应室内通入B源和N源，以在蓝宝石衬底上生长一层厚度为50-200nm且具有三维网状结构的h-BN层；
3)将反应室内的生长温度调至1600-1700℃，并向反应室内通入B源和N源，以在所述h-BN层上生长厚度为150-400μm的BN层；
4)控制反应室内的温度以0.2-0.6℃/s的速率降低至室温，由于h-BN层间弱连接和三维网状结构的特点，BN层和蓝宝石衬底于h-BN层的层间自分离，从而形成自支撑BN材料；
5)对所获的自支撑BN材料进行研磨和化学机械抛光处理，形成BN自支撑单晶衬底；
实施例4：一种自支撑BAlN衬底的制备方法，包括如下步骤：
1)将蓝宝石衬底放入HVPE设备的反应室中，在氮气气氛中将反应室内的温度升温至800-1400℃；
2)于800-1400℃条件下向反应室内通入B源和N源，以在蓝宝石衬底上生长一层厚度为100-1000nm且具有三维网状结构的h-BN层；
3)将反应室内的生长温度生调至1550℃，并向反应室内通入Al源、B源和N源，以在所述h-BN层上生长一层厚度为150-400μm的BAlN层；
4)制反应室内的温度以0.3-0.8℃/s的速率降低至室温，由于h-BN层间弱连接和三维网状结构的特点，BAlN厚层和蓝宝石衬底于h-BN层的层间自分离，从而形成自支撑BAlN材料；
5)对所获的自支撑BAlN材料进行研磨和化学机械抛光处理，形成BAlN自支撑单晶衬底。
对比例1
一种自支撑AlN衬底的制备方法，包括如下步骤：
直接在蓝宝石衬底上生长实心结构的h-BN层，厚度在200nm左右；之后再在h-BN层生长AlN层，随后降低至室温，h-BN层没有实现层与层之间的自分离，从而导致AlN未能从蓝宝石衬底上实现自剥离，如图5所示。
实施例1-4中给进出了采用氢化物气相外延设备进行材料生长的案例，如本领域技术人员所知，本领域技术人员当然还可以采用诸如金属有机物气相外延设备、氨热设备、物理气相传输设备以及相应的工艺方法进行自支撑单晶衬底的生长制备。
本发明实施例提供的一种BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底的制备方法，采用自剥离方法实现BxAlyGa(1-x-y)N层与异质衬底的分离，在完成BxAlyGa(1-x-y)N层生长后的降温过程中，使h-BN层于层与层之间自剥离，h-BN层的三维网状结构可以减少分离面积，从而更容易剥离，进而实现BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底一次完成生长。
本发明实施例提供的一种BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底的制备方法，以蓝宝石等异质衬底，通过采用具有三维网状结构的h-BN作为缓冲层和断裂层，既释放了外延生长BxAlyGa(1-x-y)N过程中的应力，又实现了高温制备BxAlyGa(1-x-y)N自支撑材料(如GaN、AlN、BN、BAlN等自支撑材料)，提高了BxAlyGa(1-x-y)N与衬底材料分离后的成品率，从而降低了BxAlyGa(1-x-y)N自支撑衬底的制备成本，有利于大尺寸BxAlyGa(1-x-y)N自支撑衬底的规模化生产。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底的制备方法，其特征在于包括：
先在异质衬底上生长形成具有三维网状结构的h-BN层，再于所述h-BN层上进行BxAlyGa(1-x-y)N层的生长；
破坏所述h-BN层内层与层之间的弱连接，以使所述h-BN层于层与层之间自剥离，从而实现BxAlyGa(1-x-y)N层与异质衬底的分离，从而获得BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底，其中，0≤x≤1,0≤y≤1,x+y≤1。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于具体包括：
将异质衬底置于反应室内，通过调控生长条件，先进行具有三维网状结构的h-BN层的生长，再进行BxAlyGa(1-x-y)N层的原位生长，之后使所述BxAlyGa(1-x-y)N层和异质衬底于h-BN层的层间分离。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于具体包括：
将异质衬底置于反应室内，并以至少一种惰性气体作为载气，向所述反应室内通入B源、N源，且控制反应室内的温度为800-1400℃，以生长形成具有三维网状结构的h-BN层；
优选的，所述B源的通入流量为0.05-50sccm，N源的通入流量为10-1000sccm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于具体包括：所述h-BN层所含三维网状结构的孔径为40-500nm；
优选的，所述h-BN层的厚度在5nm以上；优选的，所述h-BN层的厚度为50-1000nm。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于具体包括：以惰性气体作为载气，向所述反应室内通入N源以及B源和/或Al源和/或Ga源，且控制反应室内的温度为1000-1700℃，以生长形成BxAlyGa(1-x-y)N层；
优选的，所述惰性气体包括氮气、氢气、稀有气体中的任意一种或两种以上的组合；
优选的，所述N源的通入流量为100-10000sccm，所述B源的通入流量为1-100sccm，所属于Al源的通入流量为10-1000sccm，所述Ga源的通入流量为100-10000sccm。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述BxAlyGa(1-x-y)N层的厚度为150-2000μm。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于具体包括：完成BxAlyGa(1-x-y)N层的生长后，将所述反应室内的温度，以0.1-1℃/s的速率降低到室温，利用异质外延中的失配应力，破坏所述h-BN层内层与层之间的弱连接，从而使所述h-BN层于层与层之间自剥离。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于还包括：对所述BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底进行后处理，所述后处理包括对所述BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底进行研磨和化学机械抛光处理。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述异质衬底包括蓝宝石衬底或碳化硅衬底。
10.由权利要求1-9中任一项所述的制备方法制备获得的BxAlyGa(1-x-y)N自支撑单晶衬底。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104393128A (zh) * 2014-11-19 2015-03-04 北京中科天顺信息技术有限公司 一种使用SiC衬底的氮化物LED外延结构及其制备方法
CN104538526A (zh) * 2014-12-24 2015-04-22 北京中科天顺信息技术有限公司 一种基于铜衬底的氮化物led外延片结构及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104393128A (zh) * 2014-11-19 2015-03-04 北京中科天顺信息技术有限公司 一种使用SiC衬底的氮化物LED外延结构及其制备方法
CN104538526A (zh) * 2014-12-24 2015-04-22 北京中科天顺信息技术有限公司 一种基于铜衬底的氮化物led外延片结构及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
QINGQING WU ET AL: "Exfoliation of AlN film using two-dimensional multilayer hexagonal BN for deep-ultraviolet light-emitting diodes", 《APPL. PHYS. EXPRESS》 *
TAHA AYARI ET AL: "Gas sensors boosted by two-dimensional h-BN enabled transfer on thin substrate foils: towards wearable and portable applications", 《SCIENTIFIC REPORTS》 *

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