CN115692169A - 一种降低应力的GaN厚膜生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低应力的GaN厚膜生长方法。所述方法包括步骤如下：(1)在蓝宝石上生长GaN籽晶，得到长有GaN籽晶的蓝宝石；(2)将GaN籽晶键合到金属基板或陶瓷基板上，通过激光剥离技术，将蓝宝石衬底去除，得到长有GaN籽晶的金属基板或陶瓷基板；(3)通入氨气，在氨气保护下，升温至GaN厚膜生长温度，然后通过金属有机化学气相沉积法或氢化物气相外延法在长有GaN籽晶的金属基板或陶瓷基板上生长GaN厚膜。本发明提将GaN籽晶键合到和GaN热膨胀系数相同或相近的金属或陶瓷基板上，由于GaN和金属或陶瓷基板上不存在热失配问题，完全消除了衬底与GaN之间因高温生长导致的热失配，生长的GaN厚膜无龟裂，为GaN自支撑衬底的制备提供厚膜。

Description

一种降低应力的GaN厚膜生长方法

技术领域

本发明涉及一种降低应力的GaN厚膜生长方法，属于光电子功率器件领域。

背景技术

GaN材料是制作光电子器件，尤其是蓝绿光LED和LD的理想材料，这类光源在高密度光信息存储、高速激光打印、全彩动态高亮度光显示、固体照明光源、高亮度信号探测、通讯等方面有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力。此外GaN半导体材料也是制作高温、高频、大功率器件的理想材料。GaN是氮化物材料的代表，是具有优异的宽禁带III-V族化合物半导体材料之一，是当今世界上先进的半导体材料之一。

激光剥离技术是得到GaN厚膜的重要方法之一。激光剥离技术利用紫外波段的激光光源(EgIaser>EgGaN)透过蓝宝石衬底辐照样品，使蓝宝石和GaN界面处的GaN吸收激光能量，GaN材料温度迅速升高，发生热分解生成金属Ga以及N₂。N₂逸出，加热样品至金属Ga的熔点30℃，使Ga融化，即能实现蓝宝石与GaN厚膜分离。

由于氮化物材料和蓝宝石衬底材料之间的膨胀系数差异与晶格匹配比较大，在外延生长的氮化物中的应力较大，生长时在界面处产生裂纹，并且随着厚度的增加裂纹还会蔓延到表面，导致异质外延因热失配大很难生长500μm以上的GaN厚膜，当GaN厚膜超过500μm时极易产生贯穿的裂纹，以及使用激光剥离500μm以上的GaN厚膜时极易出现部分龟裂，甚至整体龟裂，从而影响GaN厚膜的品质和性能。为减少生长的氮化物厚膜中应力，人们采用在异质生长的GaN上制作空隙结构后再生长氮化物厚膜来释放应力，也有研究通过电化学腐蚀，在GaN上腐蚀出纳米级微型缺陷坑，再通过金属有机化学气相沉积生长GaN厚膜，释放异质结应力，然而以上效果并不明显，均无法生长出较厚的GaN外延层，因为应力主要产生于异质界面处，鉴于此，本发明提供了一种降低应力的GaN厚膜生长方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种降低应力的GaN厚膜生长方法，在蓝宝石上生长GaN籽晶，再将GaN籽晶键合到和GaN热膨胀系数相同或相近的金属基板或陶瓷基板上，再通过激光剥离技术，将蓝宝石去除，再次外延GaN厚膜，解决异质外延因热失配大无法生长GaN厚膜，以及使用激光剥离GaN厚膜时极易出现部分龟裂问题，为GaN自支撑衬底的制备提供厚膜，应用于同质外延的功率器件、蓝光激光器等，满足高效新型大功率电力电子、光电等领域应用需求。

本发明的技术方案如下：

一种降低应力的GaN厚膜生长方法，包括步骤如下：

(1)在蓝宝石上生长GaN籽晶，得到长有GaN籽晶的蓝宝石；

(2)将GaN籽晶键合到金属基板或陶瓷基板上，通过激光剥离技术，将蓝宝石衬底去除，得到长有GaN籽晶的金属基板或陶瓷基板；

其中，所述金属基板或陶瓷基板的热膨胀系数是GaN热膨胀系数的0.9～1.1倍；

(3)通入氨气，在氨气保护下，升温至GaN厚膜生长温度，然后通过金属有机化学气相沉积法或氢化物气相外延法在长有GaN籽晶的金属基板或陶瓷基板上生长GaN厚膜。

根据本发明优选的，步骤(1)中，所述GaN籽晶生长厚度为2-5μm。

根据本发明优选的，步骤(2)中，所述金属基板为钼基板或硬质合金基板，其热膨胀系数是GaN热膨胀系数的0.9～1.1倍；所述陶瓷基板为AlN陶瓷基板，其热膨胀系数是GaN热膨胀系数的0.9～1.1倍。

根据本发明优选的，步骤(2)中，所述键合使用的材料为SiO₂,高温树脂或石墨胶，键合压力0.01MPa-10MPa，键合温度50-800℃，键合材料的厚度为0.1-10μm。

进一步优选的，键合所使用的材料为石墨胶，石墨胶的厚度为5μm。石墨胶具有更好的导热性，能降低厚膜GaN裂片。

根据本发明优选的，步骤(2)中，所述激光剥离激光器波长335nm，激光器的脉冲频率为0.5-10Hz。

根据本发明优选的，步骤(3)中，所述氨气流量为0.2-500L，生长温度为800-1300℃。

根据本发明优选的，步骤(3)中，采用有机化学气相沉积的方法时，生长压力控制在50-1000mbar之间，V/III比控制在50-20000之间。

根据本发明优选的，步骤(3)中，采用氢化物气相外延方法时，生长压力控制在50-1000mbar之间，V/III比控制再10-2000之间。

根据本发明优选的，步骤(3)中，得到的GaN厚膜厚度为100-5000μm。

本发明未详尽之处，均可采用现有技术。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的降低应力的GaN厚膜生长方法，在蓝宝石基板上生长GaN籽晶，将GaN籽晶键合到和GaN热膨胀系数相同或相近的金属或陶瓷基板上，再通过激光剥离技术，将蓝宝石去除，再次生长GaN厚膜，由于GaN和金属或陶瓷基板不存在热失配问题，完全消除了衬底与GaN之间因高温生长导致的热失配，生长的GaN厚膜无龟裂，解决使用激光剥离GaN厚膜时极易出现部分龟裂问题，为GaN自支撑衬底的制备提供厚膜。

2、本发明提供的降低应力的GaN厚膜生长方法，使用金属或陶瓷基板作为键合衬底，相较于其他氧化物衬底或者复合氧化物衬底，其导热性能更好，生长的GaN厚膜缺陷少，质量高。

附图说明

图1为本发明键合到技术基板后生长厚膜的结构示意图。

图2为本发明键合到金属基板和激光剥离GaN籽晶的示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1

如图1～2所示，一种降低应力的GaN厚膜生长方法，包括步骤如下：

(1)在蓝宝石上生长GaN籽晶，得到长有2μm厚度GaN籽晶的蓝宝石；

(2)将GaN籽晶键合到钼基板基板上，通过激光剥离技术，将蓝宝石衬底去除，得到长有GaN籽晶的钼基板；

其中，钼基板的热膨胀系数是GaN热膨胀系数的0.95倍；

(3)通入50L氨气，在氨气保护下，升温至1100℃，然后通过金属有机化学气相沉积法在长有GaN籽晶的钼基板上生长GaN厚膜。

其中，步骤(2)中，所述激光剥离激光器波长355nm，激光器的脉冲频率为5Hz。

步骤(3)中，金属有机化学气相沉积法的生长压力为200mbar，V/III比为800。

实施例2

一种降低应力的GaN厚膜生长方法，包括步骤如下：

(1)在蓝宝石上生长GaN籽晶，得到长有3μm厚度GaN籽晶的蓝宝石；

(2)将GaN籽晶键合到AlN陶瓷基板上，通过激光剥离技术，将蓝宝石衬底去除，得到长有GaN籽晶的AlN陶瓷基板；

其中，AlN陶瓷基板的热膨胀系数是GaN热膨胀系数的0.9倍；

(3)通入80L氨气，在氨气保护下，升温至1100℃，然后通过金属有机化学气相沉积法在长有GaN籽晶的AlN陶瓷基板上生长GaN厚膜。

其中，步骤(2)中，所述激光剥离中激光器波长355nm，激光器的脉冲频率为10Hz。步骤(3)中，金属有机化学气相沉积法的生长压力为600mbar，V/III比为800。

实施例3

一种降低应力的GaN厚膜生长方法，包括步骤如下：

(1)在蓝宝石上生长GaN籽晶，得到长有5μm厚度GaN籽晶的蓝宝石；

(2)将GaN籽晶键合到硬质合金基板上，通过激光剥离技术，将蓝宝石衬底去除，得到长有GaN籽晶的硬质合金基板；

其中，硬质合金基板的热膨胀系数是GaN热膨胀系数的1.1倍；

(3)通入60L氨气，在氨气保护下，升温至1100℃，然后通过氢化物气相外延法在长有GaN籽晶的硬质合金基板上生长GaN厚膜。

其中，步骤(2)中，所述激光剥离中激光器波长355nm，激光器的脉冲频率为1Hz。步骤(3)中，氢化物气相外延法的生长压力为800mbar，V/III比为50。

对比例1

采用现有的电化学腐蚀方法生长GaN厚膜，具体为：

先在蓝宝石衬底上生长2μm的GaN籽晶，再将长有GaN籽晶的蓝宝石放入KOH溶液中，KOH与H₂O比例5：1，通过常规电化学腐蚀的方法，在GaN籽晶表面腐蚀出纳米级微型缺陷孔，纳米孔深度3nm以内，直径3nm以内，再通过金属有机化学气相沉积生长GaN厚膜。

其中，金属有机化学气相沉积法的生长压力为200mbar，V/III比为800。

试验例

采用本发明的实施例1与对比例1的方法，分别生长厚度为50μm、100μm、500μm、1000μm、3000μm和5000μm的GaN厚膜，每一厚度的生长样本为10个，统计GaN厚膜表面有无龟裂情况如表1所示：

表1：GaN厚膜龟裂情况统计表

从表1可以看出，本发明可以生长制备厚度为3000-5000μm的GaN厚膜，且成品率很高，3000μm的GaN厚膜全部无龟裂，5000μm的GaN厚膜，10个样本中，只有1个出现龟裂现象，即90％无龟裂。

采用现有技术的对比例1，从生长100μm的GaN厚膜开始出现龟裂，3000-5000μm的GaN厚膜，全部龟裂。

由此可见，本发明的方法相对于现有技术，本发明提供的降低应力的GaN厚膜生长方法可以生长制备的GaN厚膜厚度可达100-5000μm，依然没有龟裂或极少发生龟裂，这是由于本发明将GaN籽晶键合在和GaN热膨胀系数相同或相近的金属或陶瓷基板上，由于GaN和金属或陶瓷基板不存在热失配问题，完全消除了衬底与GaN之间因高温生长导致的热失配，90％无龟裂，成品率极高。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种降低应力的GaN厚膜生长方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)在蓝宝石上生长GaN籽晶，得到长有GaN籽晶的蓝宝石；

(2)将GaN籽晶键合到金属基板或陶瓷基板上，通过激光剥离技术，将蓝宝石衬底去除，得到长有GaN籽晶的金属基板或陶瓷基板；

其中，所述金属基板或陶瓷基板的热膨胀系数是GaN热膨胀系数的0.9～1.1倍；

(3)通入氨气，在氨气保护下，升温至GaN厚膜生长温度，然后通过金属有机化学气相沉积法或氢化物气相外延法在长有GaN籽晶的金属基板或陶瓷基板上生长GaN厚膜。

2.如权利要求1所述降低应力的GaN厚膜生长方法，其特征在于，步骤(1)中，所述GaN籽晶生长厚度为2-5μm。

3.如权利要求1所述降低应力的GaN厚膜生长方法，其特征在于，步骤(2)中，所述金属基板为钼基板或硬质合金基板，其热膨胀系数是GaN热膨胀系数的0.9～1.1倍；所述陶瓷基板为AlN陶瓷基板，其热膨胀系数是GaN热膨胀系数的0.9～1.1倍。

4.如权利要求1所述降低应力的GaN厚膜生长方法，其特征在于，步骤(2)中，所述键合使用的材料为SiO₂、高温树脂或石墨胶，键合压力0.01MPa-10MPa，键合温度50-800℃，键合材料的厚度为0.1-10μm。

5.如权利要求4所述降低应力的GaN厚膜生长方法，其特征在于，键合所使用的材料为石墨胶，石墨胶的厚度为5μm。

6.如权利要求1所述降低应力的GaN厚膜生长方法，其特征在于，步骤(2)中，所述激光剥离中激光器波长355nm，激光器的脉冲频率为0.5-10Hz。

7.如权利要求1所述降低应力的GaN厚膜生长方法，其特征在于，步骤(3)中所述氨气流量为0.2-500L，生长温度为800-1300℃。

8.如权利要求1所述降低应力的GaN厚膜生长方法，其特征在于，步骤(3)中，采用有机化学气相沉积的方法时，生长压力控制在50-1000mbar之间，V/III比控制在50-20000之间。

9.如权利要求1所述降低应力的GaN厚膜生长方法，其特征在于，步骤(3)中，采用氢化物气相外延方法时，生长压力控制在50-1000mbar之间，V/III比控制再10-2000之间。

10.如权利要求1所述降低应力的GaN厚膜生长方法，其特征在于，步骤(3)中，所述GaN厚膜的厚度为100-5000μm。

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