CN115506026B - 一种助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底及氮化镓晶体生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底及氮化镓晶体生长方法。本发明提供的助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底包括衬底层、图形化掩埋层、可分解缓冲层、氮化镓微籽晶和氮化镓籽晶层。衬底层具有平整表面，在衬底层表面具有图形化掩埋层，在图形化掩埋层表面具有氮化镓籽晶层；在图形化掩埋层内密布有朝向氮化镓籽晶层开口的凹陷位，在凹陷位内表面具有可分解缓冲层，在可分解缓冲层内具有氮化镓微籽晶；氮化镓微籽晶与氮化镓籽晶层相连。本发明提供的助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底及氮化镓晶体生长方法，能够调节氮化镓晶体与衬底之间结合力，使氮化镓晶体生长完成后自动剥离。
Description
技术领域
本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底及氮化镓晶体生长方法。
背景技术
氮化镓半导体材料禁带宽度大，介电常数小，可以在苛刻的条件下工作，适合制备多种器件。氮化镓半导体材料尤其在光电子器件、蓝光光源、激光器、探测器等领域具有广阔的应用前景。
鉴于氮化镓半导体材料的广阔应用前景，广大科研技术人员对氮化镓晶体的制备方法进行了广泛的研究。目前，氮化镓材料的制备仍然以异质外延方法为主，衬底材料主要为蓝宝石。总体而言，该方法目前还难以避免晶格失配的问题，对氮化镓半导体器件的性能造成一定的负面影响。
助溶剂法就是使用金属钠作为催化剂促进氮气分解以促进氮化镓生成的方法。氮化镓由金属镓和氮气反应生成，但该反应的进行是十分困难的。氮气分子中的氮氮三键具有非常高的结合能，破坏氮氮三键需要高达9.8 eV的能量。此外，氮到达镓的表面需克服3.5 eV的势垒。在标准状态下，1个氮原子与1个镓原子反应，自由能降低9.12 eV，这也表明氮化镓具有极高的键能。因此，只有在高温高压下，镓才能和氮气反应生成氮化镓。助溶剂将金属钠熔与金属镓中，由于钠的电子功函数很低，所以极易释放电子，吸附在镓-钠熔液表面氮气分子得到电子后使氮氮三键弱化，分解产生氮负离子，从而促进氮化镓的生成。
发明内容
本发明提供一种助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底及氮化镓晶体生长方法，实现在氮化镓晶体生长完成后自动剥离，同时提高晶体生长效率和提高晶体质量。
本发明的第一方面在于提供一种助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底，包括衬底层、图形化掩埋层、可分解缓冲层、氮化镓微籽晶和氮化镓籽晶层。
衬底层具有平整表面，在衬底层表面具有图形化掩埋层，在图形化掩埋层表面具有氮化镓籽晶层；在图形化掩埋层内密布有朝向氮化镓籽晶层开口的凹陷位，在凹陷位内表面具有可分解缓冲层，在可分解缓冲层内具有氮化镓微籽晶；氮化镓微籽晶与氮化镓籽晶层相连。
进一步地，上述助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底中，衬底层为蓝宝石、碳化硅或硅，优选为蓝宝石。
进一步地，上述助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底中，图形化掩埋层为SiO2或者SiN。
进一步地，上述助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底中，可分解缓冲层为InGaN或InGaN/InAlN超晶格递变材料。
进一步地，上述助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底中，凹陷位的截面为倒U形、倒梯形、V形中的一种或多种。
进一步地，上述助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底中，图形化掩埋层中还埋设有若干第一微力调节缓冲层，第一微力调节缓冲层为氮化镓晶体材料，一端与衬底层抵接，另一端与氮化镓籽晶层；第一微力调节缓冲层使图形化掩埋层与氮化镓籽晶层分隔开。
进一步地，上述助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底中，图形化掩埋层中还埋设有若干第二微力调节缓冲层，第二微力调节缓冲层为氮化镓晶体材料，一端埋入衬底层，另一端与氮化镓籽晶层；第二微力调节缓冲层使图形化掩埋层与氮化镓籽晶层分隔开。
本发明的第二方面在于提供一种氮化镓晶体生长方法，使用上述的助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底，采用助溶剂法在氮化镓籽晶层上生长氮化镓晶体。
进一步地，上述氮化镓晶体生长方法中，可分解缓冲层在生长氮化镓晶体时受热逐渐分解，使氮化镓微籽晶与图形化掩埋层之间的结合力减弱；当氮化镓籽晶层上生长氮化镓晶体的氮化镓晶体达到目标尺寸后结束生长，通过降温使氮化镓微籽晶与图形化掩埋层之间的结合力进一步减弱，使氮化镓晶体从图形化掩埋层上自剥离。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底及氮化镓晶体生长方法，能够调节氮化镓晶体与衬底之间结合力，使氮化镓晶体生长完成后自动剥离，避免了后续繁琐的剥离操作及可能对晶体造成的损伤。同时，采用该衬底及方法有利于提高晶体生长效率和提高晶体质量。
附图说明
图1为实施例1中助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底的结构示意图。
图2为实施例1晶体生长完成后的示意图。
图3为实施例1自剥离得到的晶体的示意图。
图4为实施例2中助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底的结构示意图。
图中，衬底层1、图形化掩埋层2、可分解缓冲层3、氮化镓微籽晶4和氮化镓籽晶层5、第一微力调节缓冲层7、第二微力调节缓冲层8、倒U形可分解缓冲层30、倒梯形可分解缓冲层31、V形可分解缓冲层32、倒U形氮化镓微籽晶40、倒梯形氮化镓微籽晶41、V形氮化镓微籽晶42。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步阐明本发明，这些实施例是示例性的，旨在说明问题和解释本发明，并不是一种限制。
实施例1
本实施例提供一种助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底，并进一步提供在该衬底上生长氮化镓晶体的方法。
本实施例提供的助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底如图1所示，包括衬底层1、图形化掩埋层2、可分解缓冲层3、氮化镓微籽晶4和氮化镓籽晶层5。
以图1所示的方向为参照，所述衬底层1具有平整的上表面，在所述衬底层1上表面附着有所述图形化掩埋层2，在所述图形化掩埋层2表面附着有所述氮化镓籽晶层5。在附着所述氮化镓籽晶层5之前，通过微腐蚀技术在图形化掩埋层2上形成特定形状的凹陷位，所述凹陷位开口朝向所述氮化镓籽晶层5。进一步在所述凹陷位内表面附着所述可分解缓冲层3，可分解缓冲层3由可分解材料制成，受热后可缓慢分解。进一步在所述可分解缓冲层3内附着所述氮化镓微籽晶4。最后，在所述氮化镓微籽晶4的表面以及图形化掩埋层2的表面附着所述氮化镓籽晶层5，这样，所述氮化镓微籽晶4与所述氮化镓籽晶层5连成一体。
本实施例中，所述衬底层1优选使用蓝宝石材料。
本实施例中，所述图形化掩埋层2为SiO2或者SiN。
本实施例中，所述可分解缓冲层3为InGaN或InGaN/InAlN超晶格递变材料。
本实施例中，所述凹陷位的截面具有多种形状，分别为倒U形、倒梯形、V形。如图1所示，对应形成的可分解缓冲层3包括：倒U形可分解缓冲层30、倒梯形可分解缓冲层31、V形可分解缓冲层32；对应形成的氮化镓微籽晶4包括：倒U形氮化镓微籽晶40、倒梯形氮化镓微籽晶41、V形氮化镓微籽晶42。由于可分解缓冲层3与氮化镓微籽晶4之间结合面的形状不同会产生不同的结合力，因此可以通过改变不同形状的凹陷位的比例和数量将可分解缓冲层3与氮化镓微籽晶4之间的结合力调整至合适的大小，以便于晶体生长完成后进行剥离。
本实施例提供的氮化镓晶体的方法如下。
使用上述的助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底，采用助溶剂法在所述氮化镓籽晶层5上生长氮化镓晶体。晶体未开始生长时的状态如图1所示，随着生长的进行，所述可分解缓冲层3在生长氮化镓晶体时受热逐渐分解，使所述氮化镓微籽晶4与所述图形化掩埋层2之间的结合力减弱；当所述氮化镓籽晶层5上生长氮化镓晶体的氮化镓晶体达到目标尺寸后结束生长，如图2所示。生长结束后进行降温，由于热胀冷缩使所述氮化镓微籽晶4与所述图形化掩埋层2之间产生微小的相对位移，使所述氮化镓微籽晶4与图形化掩埋层2之间的结合力进一步减弱，使氮化镓晶体从所述图形化掩埋层2上自剥离，剥离后得到的晶体如图3所示。
实施例2
本实施例提供一种助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底，并进一步提供在该衬底上生长氮化镓晶体的方法。
本实施例与实施例1的区别主要在于还具有第一微力调节缓冲层7和第二微力调节缓冲层8。如图4所示，在所述图形化掩埋层2中还埋设有若干第一微力调节缓冲层7，所述第一微力调节缓冲层7为氮化镓晶体材料，一端与所述衬底层1抵接，另一端与所述氮化镓籽晶层5；所述第一微力调节缓冲层7使所述图形化掩埋层2与氮化镓籽晶层5分隔开。所述图形化掩埋层2中还埋设有若干第二微力调节缓冲层8，所述第二微力调节缓冲层8为氮化镓晶体材料，一端埋入所述衬底层1，另一端与所述氮化镓籽晶层5；所述第二微力调节缓冲层8使所述图形化掩埋层2与氮化镓籽晶层5分隔开。通过改变第一微力调节缓冲层7和第二微力调节缓冲层8的数量可以调整氮化镓微籽晶4与图形化掩埋层2之间的结合力，使晶体生长完成后顺利脱落。
以上实施方式是示例性的，其目的是说明本发明的技术构思及特点，以便熟悉此领域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 (7)
1.一种助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底，其特征在于：包括衬底层（1）、图形化掩埋层（2）、可分解缓冲层（3）、氮化镓微籽晶（4）和氮化镓籽晶层（5）；
所述衬底层（1）具有平整表面，在所述衬底层（1）表面具有所述图形化掩埋层（2），在所述图形化掩埋层（2）表面具有所述氮化镓籽晶层（5）；在所述图形化掩埋层（2）内密布有朝向所述氮化镓籽晶层（5）开口的凹陷位，在所述凹陷位内表面具有所述可分解缓冲层（3），在所述可分解缓冲层（3）内具有所述氮化镓微籽晶（4）；所述氮化镓微籽晶（4）与所述氮化镓籽晶层（5）相连。
2.根据权利要求1所述的助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底，其特征在于：所述衬底层（1）为蓝宝石、碳化硅或硅。
3.根据权利要求1所述的助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底，其特征在于：所述图形化掩埋层（2）为SiO2或者SiN。
4.根据权利要求1所述的助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底，其特征在于：所述可分解缓冲层（3）为InGaN或InGaN/InAlN超晶格递变材料。
5.根据权利要求1所述的助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底，其特征在于：所述凹陷位的截面为倒U形、倒梯形、V形中的一种或多种。
6.一种氮化镓晶体生长方法，其特征在于：使用权利要求1-5任一项所述的助溶剂法生长氮化镓晶体的自剥离衬底，采用助溶剂法在所述氮化镓籽晶层（5）上生长氮化镓晶体。
7.根据权利要求6所述的氮化镓晶体生长方法，其特征在于：所述可分解缓冲层（3）在生长氮化镓晶体时受热逐渐分解，使所述氮化镓微籽晶（4）与所述图形化掩埋层（2）之间的结合力减弱；当所述氮化镓籽晶层（5）上生长氮化镓晶体的氮化镓晶体达到目标尺寸后结束生长，通过降温使所述氮化镓微籽晶（4）与图形化掩埋层（2）之间的结合力进一步减弱，使氮化镓晶体从所述图形化掩埋层（2）上自剥离。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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