CN214378354U - 用于电化学剥离GaN衬底的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，包括：盛装电解液的反应槽、直流电源、工作电极、对电极以及欧姆接触电极，其中，所述工作电极包括待处理的样品，所述样品包括GaN衬底和依次生长在GaN衬底上的牺牲层和外延结构层，且所述欧姆接触电极还与所述牺牲层连接；所述工作电极和对电极均具有相对的设置的第一区域和第二区域，在重力方向上，所述工作电极和对电极的第一区域位于所述第二区域的上方，至少所述工作电极和对电极的第一区域浸没在电解液内。本实用新型提供的装置，结构简单，克服了电化学刻蚀过程中带来的气泡阻塞牺牲层内刻蚀通道的问题，从而提高了分离效率，降低了获得GaN单晶衬底的成本。

Description

用于电化学剥离GaN衬底的装置

技术领域

本实用新型涉及一种电化学刻蚀装置，特别涉及一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，属于电化学刻蚀技术领域。

背景技术

GaN具有电子迁移率高、带隙宽、临界击穿场强和物理化学性质稳定等优点，这对发光二极管(LED)、场效应晶体管(FET)、肖特基二极管(SBD) 等电力电子器件非常有利。但是，由于缺乏天然衬底，III族氮化物一般生长在异质衬底上，如蓝宝石、硅、碳化硅等。然而，由于衬底与外延层之间的晶格失配和热膨胀失配，异质衬底上器件的位错密度远高于在同质衬底上制作的器件。因此，自支撑GaN衬底是提高外延层质量和器件性能的有效途径。

氢化物气相外延(HVPE)因其生长速度快、晶圆尺寸大而被认为是商业化制备自支撑GaN衬底的一种很有前途的方法。然而，用这种方法生长的独立GaN衬底成本很高，不利于大规模应用。目前，已经发展了激光剥离(LLO)方法来分离蓝宝石衬底制备独立的GaN衬底。LLO方法利用高功率紫外激光在蓝宝石与GaN的界面处分解GaN，实现衬底与外延层的分离，然而，用这种方法的成本较高，且高温会导致GaN开裂，不适用于在SiC，Si上分离。

电化学剥离是一种利用横向刻蚀的技术，可用于将GaN外延层与衬底分离，而不考虑衬底的种类。目前，现有的一种电化学刻蚀装置如图1所示，通过电化学技术分离衬底与外延层的方法多为正置电极从下而上刻蚀纳米级别厚度的牺牲层，且完全掏空的面积极小，分离下来的衬底没有实用价值，想要利用电化学腐蚀方式获得大尺寸分离大多通过引入微孔插入层，利用异质衬底与GaN失配应力，在退火过程中实现大面积自分离，但这种方法只适用于在异质衬底，且工艺复杂，在退火过程中应力失配极易导致GaN开裂。

本发明人发现，极薄的牺牲层导致刻蚀过程中质量输运的限制，多为反应产生的Ga+、没有发生反应的GaN碎片以及氮气，尤其是氮气阻塞问题严重导致后续刻蚀减缓，甚至停止；而大尺寸的造孔退火自分离，退火过程无法控制，应力失配容易导致GaN开裂。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，以克服现有技术中的不足。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，包括：盛装电解液的反应槽、直流电源、工作电极、对电极以及欧姆接触电极，其中，所述工作电极包括待处理的样品，所述样品包括GaN衬底和依次生长在GaN衬底上的牺牲层和外延结构层，且所述欧姆接触电极还与所述牺牲层连接；

所述工作电极和对电极均具有相对的设置的第一区域和第二区域，在重力方向上，所述工作电极和对电极的第一区域位于所述第二区域的上方，所述欧姆接触电极与直流电源的阳极电连接，所述对电极与直流电源的阴极电连接，至少所述工作电极和对电极的第一区域浸没在电解液内。

与现有技术相比，本实用新型的优点包括：本实用新型实施例提供的一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，结构简单，制作和使用方便；本实用新型实施例提供的一种用于电化学剥离GaN衬底的装置克服了电化学刻蚀过程中带来的气泡阻塞牺牲层内刻蚀通道的问题，通过一步电化学完全刻蚀实现大尺寸GaN单晶衬底的分离，从而提高了分离效率，降低了获得GaN单晶衬底的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的一种电化学刻蚀装置的结构示意图；

图2是本实用新型一典型实施案例中提供的一种用于电化学剥离GaN衬底的装置的结构示意图；

图3是本实用新型一典型实施案例中提供的一种样品的结构示意图。

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，得以提出本实用新型的技术方案。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。

目前的电化学刻蚀装置仅能够实现完全掏空牺牲层的结构厚度在几微米以下，且尺寸极小(10*10mm)，在目前这种情况(几微米厚度的牺牲层)下刻蚀根本观察不到碎片存在以及气泡阻塞问题，因此，这种情况几乎不影响掏空分离，这使得目前的电化学刻蚀剥离并没有考虑碎片及气泡阻塞的问题，但要想利用电化学刻蚀完全掏空大尺寸(2英寸以上)牺牲层，质量输运问题是必须解决的。

本实用新型实施例提供了一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，主要是为了解决正置电极刻蚀带来的气泡阻塞牺牲层内刻蚀通道的问题，通过一步电化学完全刻蚀实现大尺寸GaN单晶衬底的分离，从而提高分离效率，降低获得GaN 单晶衬底的成本。

本实用新型实施例提供了一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，通过改变电极的位置并使待处理的样品沿重力方向自上而下发生刻蚀反应，从而使刻蚀反应过程中产生的氮气等快速逸出牺牲层，从而将被刻蚀的牺牲层厚度从百纳米级提高到百微米级。

本实用新型实施例提供了一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，在进行电化学刻蚀时，能够沿重力方向从上而下刻蚀牺牲层，从而促进氮气输运，以及，本实用新型实施例还通过周期性生长多个牺牲层而实现一次性多片GaN衬底的分离。

本实用新型实施例提供了一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，在进行电化学刻蚀时，通过研磨掉一小部分Fe掺GaN衬底而暴露出中间牺牲层的Ga面，并在露出的牺牲层的Ga面上设置欧姆接触电极，因为Ga面的欧姆接触更加稳定，对于长时间大电流刻蚀具有很好的热稳定性，且此种电极设计可以极大的增加欧姆电极与牺牲层的接触面积，改善牺牲层中的电流均匀性，从而可以更好的提升牺牲层于各个方向的刻蚀速度，并使各个方向的刻蚀速度具有良好的一致性。

本实用新型实施例提供了一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，包括：盛装电解液的反应槽、直流电源、工作电极、对电极以及欧姆接触电极，其中，所述工作电极包括待处理的样品，所述样品包括GaN衬底和依次生长在GaN衬底上的牺牲层和外延结构层，且所述欧姆接触电极还与所述牺牲层连接；

所述工作电极和对电极均具有相对的设置的第一区域和第二区域，在重力方向上，所述工作电极和对电极的第一区域位于所述第二区域的上方，所述欧姆接触电极与直流电源的阳极电连接，所述对电极与直流电源的阴极电连接，至少所述工作电极和对电极的第一区域浸没在电解液内。

进一步的，所述样品包括GaN衬底沿第一方向依次生长在GaN衬底上的牺牲层和外延结构层，所述样品沿第二方向设置在所述反应槽内的电解液中，其中，所述第一方向和第二方向呈角度设置。

进一步的，所述第二方向与重力方向平行，所述样品竖直设置在所述反应槽内。

进一步的，所述欧姆接触电极设置在所述样品的第二区域。

更进一步的，所述样品的第二区域的GaN衬底上具有沿厚度方向贯穿所述 GaN衬底的窗口，所述牺牲层的局部自所述窗口处露出，所述欧姆接触电极设置在所述窗口内并与所述牺牲层连接。

更进一步的，所述欧姆接触电极、对电极分别经电连接线与直流电源的阳极、阴极电连接。

更进一步的，所述反应槽的底部设置有可供电连接线穿过的开孔，所述电连接线的局部穿过所述开孔并与欧姆接触电极或对电极连接，且所述电连接线与所述开孔密封配合。

进一步的，所述对电极包括铂电极。

进一步的，所述样品包括GaN衬底和依次生长在GaN衬底上的多个牺牲层和多个外延结构层，所述多个牺牲层和多个外延结构层依次间隔交替设置，所述多个牺牲层分别与多个欧姆接触电极连接。

进一步的，所述欧姆接触电极设置在所述牺牲层的侧面，并至少覆盖所述牺牲层侧面的全部。

进一步的，所述外延结构层包括Fe-GaN层，所述GaN衬底包括Fe-GaN衬底。

进一步的，所述牺牲层的厚度在100μm以上，所述GaN衬底和外延结构层的尺寸在2英寸以上。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制，除非特别说明的之外，本实用新型实施例所采用的各组成部件均可以采用本领域技术人员已知的。

请参阅图2，一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，包括：盛装电解液的反应槽10、直流电源20、工作电极30、对电极40以及欧姆接触电极50，所述工作电极30包括待处理的样品，所述样品包括GaN衬底31和依次生长在GaN衬底31上的牺牲层32和外延结构层33，且所述欧姆接触电极50还与所述牺牲层 32连接；

所述工作电极30和对电极40均具有相对的设置的第一区域和第二区域，在重力方向上，所述工作电极30和对电极40的第一区域位于所述第二区域的上方，其中，所述欧姆接触电极50与直流电源20的阳极电连接，所述对电极40与直流电源20的阴极电连接，至少所述工作电极30和对电极40的第一区域浸没在电解液内，从而在进行电化学刻蚀反应时，位于第一区域的样品首先被刻蚀，且刻蚀反应沿自第一区域趋向第二区域的方向逐渐发生，从而使得在刻蚀反应过程中产生的气体可以快速逸出牺牲层，从而避免气体生成的气泡阻塞刻蚀通道的问题发生。

具体的，所述样品包括GaN衬底沿第一方向依次生长在GaN衬底31上的牺牲层32和外延结构层33，所述样品沿第二方向设置在所述反应槽10内的电解液中，其中，所述第一方向和第二方向呈角度设置，例如，所述第二方向与重力方向平行，所述样品竖直设置在所述反应槽内，如此设置可以使牺牲层内刻蚀反应形成的气体快速逸出。

具体的，所述样品的第二区域的GaN衬底上具有沿厚度方向贯穿所述GaN 衬底的窗口，所述牺牲层的局部自所述窗口处露出，所述欧姆接触电极设置在所述窗口内并与所述牺牲层连接。

具体的，请再次参阅图2，所述欧姆接触电极50、对电极40分别经电连接线与直流电源20的阳极、阴极电连接，所述反应槽10的底部设置有可供电连接线穿过的开孔，所述电连接线的局部穿过所述开孔并与欧姆接触电极50或对电极40连接，且所述电连接线与所述开孔密封配合，其中，所述对电极40可以是铂电极，所述欧姆接触电极50可以是多层叠设的金属电极。

具体的，请参阅图3，所述样品可以包括GaN衬底31和依次生长在GaN衬底上的多个牺牲层32和多个外延结构层33，所述多个牺牲层32和多个外延结构层33依次间隔交替设置，所述多个牺牲层32分别与多个欧姆接触电极50连接，其中，所述外延结构层33可以是Fe-GaN层，所述GaN衬底31可以是Fe-GaN 衬底，所述牺牲层33可以是Si-GaN层，所述牺牲层的厚度在100μm以上，所述GaN衬底和外延结构层的尺寸在2英寸以上。

具体的，以本实用新型实施例提供的一种用于电化学剥离GaN衬底的装置进行大尺寸GaN衬底的剥离过程包括：

采用HVPE等工艺生长由Fe掺杂的独立GaN衬底(厚度为350μm)、高导电Si掺杂牺牲层(厚度为100μm)和顶部Fe掺杂层(即前述外延结构层，厚度为320μm)组成的待处理样品(如图2所示)所示，所述待处理的样品具有周期性三明治结构；其中，生长待处理的样品可以分别以金属Ga和NH₃作为Ga和 N源，以金属铁与气态HCl反应生成的FeCl₂为铁源，SiH₄为Si源，采用2英寸掺铁自支撑GaN作为衬底，Ga源和Fe源的通入温度控制在850℃，生长温度控制在1040℃(Ga源Fe源从喷嘴出来进入腔室，先经过850℃的加热区，之后进入1040℃的生长区，在1040℃的生长区内于衬底上进行沉积生长)；

生长完成待处理样品后，用滚圆器将样品的边缘的局部磨掉以露出牺牲层，便于电极的沉积；例如，可以采用磁控溅射法制作Ti/Al/Ni/Au(厚度： 20nm/130nm/50nm/150nm，890℃退火30s)作为欧姆接触电极，所述欧姆接触电极与牺牲层连接，所述欧姆接触电极还与电源的阳极(即正极)电连接，而铂电极连接到电源的阴极(即负极)，铂电极和样品(样品作为工作电极)沿重力方向浸入电解液(电解液可以是浓度为0.6M/L的草酸)中，并至少使样品设置有欧姆接触电极的一端沿重力方向位于未设置欧姆接触电极另一端的下方，从而使刻蚀反应自样品的顶部开始发生，且随着刻蚀过程的进行，样品的浸没深度逐渐增加，以实现GaN衬底的外延结构层的完全分离。

良好的欧姆接触是实现大尺寸GaN衬底剥离的关键，它可以保证电压施加在样品和电解液的界面上，使用恒电位仪(K2400)等刻蚀装置在室温下进行电化学蚀刻时，与电源阳极连接的GaN样品的氧化反应伴随着大量氮气产生，反应原理如下：

GaN+3h⁺→Ga³⁺+1/2N₂↑

H₂O+2h⁺→2H⁺+O₂↑

H^-+e^-→1/2H₂↑

本发明人发现，随着刻蚀深度增加，刻蚀速度变慢甚至停止刻蚀，这主要是由于牺牲层中反应产生的氮气难以逸出，形成的气栓隔绝了高导电的Si掺牺牲层(100μm)所导致的，进而阻止了刻蚀反应的继续发生，这对大尺寸剥离GaN 衬底是一种很大的阻碍，所以本实用新型在使用超厚牺牲层(厚度在100μm以上)的基础上，将刻蚀槽的底部开孔，蒸镀欧姆接触电极后连接阳极并露出后，密封边缘以防止电解液外流破坏阳极，本实用新型实施例提供的装置可以让产生的氮气等气体快速逸出牺牲层，打通刻蚀通道，从而实现快速剥离大尺寸GaN 单晶衬底。

本实用新型实施例提供的一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，结构简单，制作和使用方便；本实用新型实施例提供的一种用于电化学剥离GaN衬底的装置克服了电化学刻蚀过程中带来的气泡阻塞牺牲层内刻蚀通道的问题，通过一步电化学完全刻蚀实现大尺寸GaN单晶衬底的分离，从而提高了分离效率，降低了获得GaN单晶衬底的成本。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于电化学剥离GaN衬底的装置，其特征在于包括：盛装电解液的反应槽、直流电源、工作电极、对电极以及欧姆接触电极，其中，所述工作电极包括待处理的样品，所述样品包括GaN衬底和依次生长在GaN衬底上的牺牲层和外延结构层，且所述欧姆接触电极还与所述牺牲层连接；

所述工作电极和对电极均具有相对的设置的第一区域和第二区域，在重力方向上，所述工作电极和对电极的第一区域位于所述第二区域的上方，所述欧姆接触电极与直流电源的阳极电连接，所述对电极与直流电源的阴极电连接，至少所述工作电极和对电极的第一区域浸没在电解液内。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述样品包括GaN衬底沿第一方向依次生长在GaN衬底上的牺牲层和外延结构层，所述样品沿第二方向设置在所述反应槽内的电解液中，其中，所述第一方向和第二方向呈角度设置。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述第二方向与重力方向平行，所述样品竖直设置在所述反应槽内。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述欧姆接触电极设置在所述样品的第二区域。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述样品的第二区域的GaN衬底上具有沿厚度方向贯穿所述GaN衬底的窗口，所述牺牲层的局部自所述窗口处露出，所述欧姆接触电极设置在所述窗口内并与所述牺牲层连接。

6.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于：所述欧姆接触电极、对电极分别经电连接线与直流电源的阳极、阴极电连接。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述反应槽的底部设置有可供电连接线穿过的开孔，所述电连接线的局部穿过所述开孔并与欧姆接触电极或对电极连接，且所述电连接线与所述开孔密封配合。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述样品包括GaN衬底和依次生长在GaN衬底上的多个牺牲层和多个外延结构层，所述多个牺牲层和多个外延结构层依次间隔交替设置，所述多个牺牲层分别与多个欧姆接触电极连接。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述欧姆接触电极设置在所述牺牲层的侧面，并至少覆盖所述牺牲层侧面的全部。

10.根据权利要求1或8所述的装置，其特征在于：所述外延结构层包括Fe-GaN层，所述GaN衬底包括Fe-GaN衬底。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述牺牲层的厚度在100μm以上，所述GaN衬底和外延结构层的尺寸在2英寸以上。

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