CN1140915C - 获得大面积高质量GaN自支撑衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
获得大面积高质量GaN自支撑衬底的方法，首先在蓝宝石衬底上横向外延获得低位错密度GaN薄膜；然后在ELO GaN薄膜上进行氢化物气相外延，获得大面积、低位错密度的GaN厚膜；采用激光扫描辐照剥离技术，将GaN厚膜从蓝宝石衬底上剥离下来，再进行表面抛光处理，就可以获得高质量GaN自支撑衬底。本发明结合了三种不同技术的优点：获得高质量的位错密度的GaN薄膜；可以快速生长大面积GaN厚膜；可以快速地无损伤的将GaN薄膜从蓝宝石衬底上分离开来。
Description
一、技术领域
本发明涉及横向外延技术、氢化物气相外延(HVPE)厚膜技术以及激光剥离技术制备大面积自支撑氮化镓(GaN)衬底的方法。
二、技术背景
以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料，是短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备的最优选材料。
由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。由于缺乏体单晶，GaN薄膜的获得主要靠异质外延。最常用的衬底材料是蓝宝石(α-Al2O3)。巨大的晶格失配和热失配导致了GaN外延层中高密度的位错，典型的可达1010/cm2，严重影响了器件的性能和寿命。目前降低位错密度的关键技术是采用横向外延(Epitaxial-Lateral-Overgrown，ELO)的方法，位错密度可以降低4～5个量级以上。横向外延就是在已经获得的GaN平面材料上淀积掩蔽材料(如SiO2、Si3N4、W等)并刻出特定的图形窗口，再在其上进行GaN的二次外延。由于符合“准自由”生长条件，且生长方向垂直于原GaN位错的攀移方向，因而有很高的质量。
大面积GaN衬底通常都是在异质衬底(如蓝宝石、SiC、Si等)上气相生长GaN厚膜，然后将原异质衬底分离后获得的。其中在蓝宝石衬底上生长GaN最普遍，质量也最高。为了得到自支撑GaN衬底，必须除去蓝宝石衬底。由于蓝宝石极其稳定，难以采用化学腐蚀方法。一般的方法是机械磨削，但因蓝宝石很硬，不仅要消耗大量的金刚石磨料，成本很高而且速度极慢。采用激光辐照的方法，利用激光对GaN厚膜和衬底的界面区加热使之熔化，从而获得自支撑的GaN衬底。仔细控制激光能量密度及扫描方式，可以获得大面积无裂缝的GaN衬底。与其他方法相比，激光剥离方法的优点是时间快，蓝宝石衬底可回收使用。
GaN薄膜的生长主要有金属有机物气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)等。与MOCVD、MBE相比，HVPE技术具有很多优点：生长速率很高，每小时可达几十甚至几百微米；高的横向-纵向生长率比：没有孔洞和黄带；可以生长大面积薄膜等。结合ELO技术，可以生长高质量的GaN薄膜。
三、发明内容
本发明目的是：采用横向外延方法结合HVPE厚膜生长技术以及激光剥高技术，获得大面积低位错密度高质量GaN自支撑衬底。
本发明的技术解决方案是：在MOCVD、MBE或其他方法生长GaN籽晶层上沉积、蚀刻掩模层图形(SiO2、Si3N4、W等)；然后用HVPE方法进行横向外延生长，得到GaN/蓝宝石结构的厚膜。用激光扫描辐照技术将蓝宝石衬底与GaN厚膜分离，获得高质量GaN自支撑衬底。
低位错密度GaN薄膜的生长方法如下述：在GaN籽晶层上沉积SiO2、Si3N4、W等薄膜，利用光刻方法蚀刻出一定的图形，低位错密度GaN薄膜，图形形状主要有平行长条状和正六方形。对于平行长条状，掩摸区宽度2-20μm，GaN窗口区宽度0.2-20μm，平行长条状的开口方向是沿GaN的[1500]取向。正六边形的开口，使GaN的[1500]取向垂直于正六边形的边，然后用MOCVD或HVPE方法外延生长GaN，直至掩模层被GaN铺满，继续生长得到低位错密度氮化镓薄膜。
激光剥离制备自支撑氮化镓衬底时采用准分子激光器：激光波长所对应的能量小于蓝宝石带隙能，但是大于GaN的带隙能，激光辐照透过蓝宝石衬底，辐照蓝宝石-氮化镓界面处的GaN，然后加热或弱酸腐蚀，将GaN和蓝宝石分离开来，得到GaN自支撑衬底。
本发明的技术特点是：
本发明结合了三种不同技术的优点：横向外延技术可以获得高质量的位错密度的GaN薄膜；氢化物气相外延技术可以快速生长大面积的几十甚至几百微米厚的GaN厚膜；而激光剥离技术可以快速地无损伤的将GaN薄膜从蓝宝石衬底上分离开来。所以采用激光剥离技术，将氢化物气相外延生长的横向外延GaN薄膜从蓝宝石衬底上剥离下来，就可以获得大面积高质量的自支撑GaN衬底。
四、具体实施方式
具体步骤如下：
1、获得MOCVD、MBE或其他方法在蓝宝石衬底上生长GaN籽晶层。
在步骤1的GaN籽晶层上进行横向外延生长，直至GaN薄膜覆盖整个掩摸区，得到ELO-GaN/掩模层/GaN/蓝宝石薄膜结构。掩模层采用柔性衬底如SiO2、Si3N4、W等薄膜。掩膜图形可以采用平行长条状和六方形，图形形状主要有平行长条状和正六方形。对于平行长条状，掩摸区宽度2-20μm，GaN窗口区宽度0.2-20μm，平行长条状的开口方向是沿GaN的[1500]取向。正六边形的开口，使GaN的[1500]取向垂直于正六边形的边。一般地，掩模区都大于GaN窗口区。
2、在步骤2中的ELO GaN薄膜上进行氢化物气相外延生长，直至所需要的厚度。
3、激光剥离获得GaN自支撑薄膜。选择合适的激光器，将具有一定能量密度的激光垂直入射穿过蓝宝石，按照一定的方式，扫描辐照蓝宝石/GaN界面，将蓝宝石衬底和GaN厚膜分离开来。激光波长所对应的能量小于蓝宝石带隙能，但是大于GaN的带隙能。激光能量密度依采用激光波长的不同，有一定的适合使用的范围。本实施例采用KrF紫外光受激准分子激光器(波长248nm，脉冲宽38ns)。
4、将步骤4得到的GaN自支撑薄膜进行表面抛光等加工处理，就可以获得大面积、低位错密度、自支撑GaN衬底。
Claims (3)
1、获得大面积高质量GaN自支撑衬底的方法，其特征是首先在蓝宝石衬底上横向外延获得低位错密度GaN薄膜；然后在横向外延GaN薄膜上进行氢化物气相外延，获得大面积、低位错密度的GaN厚膜；采用激光扫描辐照剥离技术，将GaN厚膜从蓝宝石衬底上剥离下来，再进行表面抛光处理，就可以获得高质量GaN自支撑衬底。
2、由权利要求1所述的获得大面积高质量GaN自支撑衬底的方法，其特征是低位错密度GaN薄膜的生长方法如下述：在GaN籽晶层上沉积SiO2、Si3N4、W等薄膜，利用光刻方法蚀刻出一定的图形，低位错密度GaN薄膜，图形形状主要有平行长条状和正六方形；对于平行长条状，掩摸区宽度2-20μm，GaN窗口区宽度0.2-20μm，平行长条状的开口方向是沿GaN的[1500]取向；正六边形的开口，使GaN的[1500]取向垂直于正六边形的边，然后用MOCVD或HVPE方法外延生长GaN，直至掩模层被GaN铺满，继续生长得到低位错密度氮化镓薄膜。
3、由权利要求1所述的获得大面积高质量GaN自支撑衬底的方法，其特征是激光剥离制备自支撑氮化镓衬底时采用准分子激光器：激光波长所对应的能量小于蓝宝石带隙能，但是大于GaN的带隙能，激光辐照透过蓝宝石衬底，辐照蓝宝石一氮化镓界面处的GaN，然后加热或弱酸腐蚀，将GaN和蓝宝石分离开来，得到GaN自支撑衬底。
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