RU2576435C2

RU2576435C2 - Method for obtaining independent substrate of group iii nitride

Info

Publication number: RU2576435C2
Application number: RU2013122756/05A
Authority: RU
Inventors: Бернд МЕЙЕР; Владимир НИКОЛАЕВ
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Совершенные кристаллы"
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2016-03-10
Also published as: EP2627804A1; RU2013122756A; WO2012049304A1

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to production of independent substrates of group III nitride for application in field of electronics and optoelectronics. Method for obtaining independent substrate 100 of group III nitride includes precipitation of first layer 102 of group III nitride on substrate 101 for growing, formation in first layer 102 of mechanically attenuated sacrificial layer 110, precipitation of second layer 107 of group III nitride on first layer 102 and separation of second layer 107 from substrate 101 on mechanically attenuated sacrificial layer, with stage of formation of mechanically attenuated sacrificial layer 110 includes formation of vertical holes 105, passing downward from free surface of first layer 102 of group III nitride to border of separation 109 between first layer 102 and substrate 101, lateral etching, through holes 105, first layer 102 in said border area 109 and lateral growing of holes 105 at stage of second layer 107 precipitation to provide continuous layer.

EFFECT: provision of effective separation of second layer of group III nitride from substrate with obtaining independent nitride crystal, which serves as substrate for additional precipitation of nitride.

7 cl, 3 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение в общем относится к способам получения независимых подложек из нитрида III группы. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу получения независимой подложки из нитрида III группы, включающему осаждение нитрида III группы на подложку для выращивания и отделение образованных таким образом кристаллов нитрида от инородной подложки.The present invention generally relates to methods for producing independent substrates from group III nitride. More specifically, the present invention relates to a method for producing an independent substrate from group III nitride, comprising depositing group III nitride on a growth substrate and separating the nitride crystals thus formed from the foreign substrate.

Уровень техникиState of the art

Благодаря ряду преимущественных свойств, нитриды металлов III группы, т.е. так называемые нитриды III группы, образуют важный класс полупроводниковых материалов для применения в области электроники и оптоэлектроники. В качестве примера, нитрид галлия (GaN) во множестве его разновидностей стал одним из наиболее важных полупроводниковых материалов для оптоэлектронных устройств, таких как светоизлучающие диоды (СИД) с повышенной яркостью для использования в осветительных приборах.Due to a number of advantageous properties, nitrides of metals of group III, i.e. the so-called group III nitrides form an important class of semiconductor materials for use in the field of electronics and optoelectronics. As an example, gallium nitride (GaN) in many of its varieties has become one of the most important semiconductor materials for optoelectronic devices, such as light emitting diodes (LEDs) with increased brightness for use in lighting devices.

Устройства на основе нитрида обычно эпитаксиально выращивают в виде слоистых структур на подложках. Как хорошо известно в технике, чтобы избежать многих нежелательных эффектов, например, из-за различных периодов решетки и коэффициентов термического расширения подложки и слоев устройства, выращенных на ней, наиболее предпочтительно подложка должна быть получена из того же материала, что и слои устройства.Nitride-based devices are typically epitaxially grown as layered structures on substrates. As is well known in the art, in order to avoid many undesirable effects, for example, due to different lattice periods and thermal expansion coefficients of the substrate and layers of the device grown on it, most preferably the substrate should be obtained from the same material as the layers of the device.

Однако отсутствие высококачественных, предпочтительно используемых самостоятельно, подложек из нитридов III группы представляет собой известную проблему в данной области, что побудило изготовителей устройств использовать инородные подложки, т.е. подложки из материала, отличающегося от действующих слоев устройства. Распространенными примерами материалов подложки для устройств на основе GaN являются сапфир и карбид кремния.However, the lack of high-quality, preferably used independently, substrates from group III nitrides is a known problem in this area, which prompted device manufacturers to use foreign substrates, i.e. substrates of a material different from the active layers of the device. Common examples of substrate materials for GaN-based devices are sapphire and silicon carbide.

Вследствие естественного ожидания лучших характеристик устройства при использовании собственных подложек, полученных из того же материала, что и слои устройства, существует постоянная и сильная потребность в используемых отдельно, т.е. независимых собственных подложек высокого качества.Due to the natural expectation of the best characteristics of the device when using own substrates obtained from the same material as the layers of the device, there is a constant and strong need for those used separately, i.e. independent own high quality substrates.

Предложено несколько способов получения независимых подложек из нитрида III группы. В общем, такие подложки могут быть получены осаждением толстого слоя нитрида III группы, обычно толщиной несколько сотен микрон, на инородной подложке, такой как сапфир, Al₂O₃, SiC, Si и т.д., и последующим отделением инородной подложки от осажденного слоя или слоев нитрида. Отделение подложки можно осуществлять различными способами, включая механическое шлифование, снятие лазером, травление и т.д. Однако эти традиционные подходы имеют ряд ограничений. Процесс осаждения нитрида III группы требует высоких температур (обычно от 1000°C до 1100°C). В ходе охлаждения от повышенной температуры до комнатной температуры, пленка нитрида III группы подвергается воздействию двухосного напряжения, вызываемого большой разницей между коэффициентами термического расширения кристалла нитрида и материалом подложки. Такое напряжение может приводить к растрескиванию, выгибанию, образованию дефектов кристалла и другим нежелательным эффектам.Several methods have been proposed for preparing independent substrates from group III nitride. In general, such substrates can be prepared by depositing a thick layer of group III nitride, typically several hundred microns thick, on a foreign substrate such as sapphire, Al ₂ O ₃ , SiC, Si, etc., and then separating the foreign substrate from the deposited layer or layers of nitride. The substrate can be separated in various ways, including mechanical grinding, laser stripping, etching, etc. However, these traditional approaches have a number of limitations. The deposition process of group III nitride requires high temperatures (usually from 1000 ° C to 1100 ° C). During cooling from an elevated temperature to room temperature, the group III nitride film is subjected to biaxial stress caused by the large difference between the thermal expansion coefficients of the nitride crystal and the substrate material. Such stress can lead to cracking, bending, crystal defects and other undesirable effects.

Помимо прямого осаждения толстого слоя нитрида на инородной подложке, также хорошо известны способы, в которых сначала на инородной подложке образуют промежуточный слой нитрида и обрабатывают так, чтобы получить пористый слой нитрида, например, с помощью электрохимического травления с использованием УФ излучения. Затем толстый слой кристаллов нитрида выращивают на пористом промежуточном слое. В заключение, толстый слой нитрида отделяют от подложки вдоль пористого промежуточного слоя. Например, в US 2007/0082465 А1 описан способ получения независимой подложки из GaN, где пористый промежуточный слой образуют путем создания слоя GaN в реакторе и подачи газообразных HCl и NH₃ в реактор для обработки слоя GaN. Отделение подложки от толстого слоя GaN облегчают трещины или разрывы в пористом слое, вызванные термическими напряжениями, возникающими в ходе охлаждения осажденной структуры от температуры осаждения. Основным недостатком данного способа является ограниченное управление процессом.In addition to the direct deposition of a thick nitride layer on a foreign substrate, methods are also well known in which an intermediate nitride layer is first formed on a foreign substrate and processed so as to obtain a porous nitride layer, for example, by electrochemical etching using UV radiation. Then, a thick layer of nitride crystals is grown on the porous intermediate layer. In conclusion, a thick nitride layer is separated from the substrate along the porous intermediate layer. For example, US 2007/0082465 A1 describes a method for producing an independent GaN substrate, where a porous intermediate layer is formed by creating a GaN layer in a reactor and supplying gaseous HCl and NH ₃ to the reactor to process the GaN layer. The separation of the substrate from a thick GaN layer is facilitated by cracks or tears in the porous layer caused by thermal stresses arising during cooling of the deposited structure from the deposition temperature. The main disadvantage of this method is the limited process control.

Целью настоящего изобретения является обеспечение нового, эффективного и точного регулируемого способа получения независимых подложек из нитрида III группы.The aim of the present invention is the provision of a new, efficient and accurate adjustable method for producing independent substrates from group III nitride.

Краткое описание изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к способу получения независимой подложки из нитрида III группы. В данном описании термин «независимая» означает, в соответствии с обычным значением, полупроводниковый кристалл с самонесущей способностью, не требующий какой-либо дополнительной несущей структуры. «Нитрид III группы» относится к любому нитриду элементов III группы, такому как нитрид алюминия AlN, нитрид галлия GaN, нитрид индия InN и любому сплаву и их сочетаниям. Термин «подложка» относится к назначению получаемого объекта, который служит в качестве собственной подложки для дальнейшего осаждения такого нитрида III группы.The present invention relates to a method for producing an independent substrate from group III nitride. In this description, the term "independent" means, in accordance with the usual meaning, a semiconductor crystal with a self-supporting ability, not requiring any additional supporting structure. "Group III nitride" refers to any nitride of group III elements, such as aluminum nitride AlN, gallium nitride GaN, indium nitride InN, and any alloy and combinations thereof. The term “substrate” refers to the purpose of the resulting object, which serves as its own substrate for the further deposition of such a group III nitride.

Способ включает следующие стадии: осаждение первого слоя нитрида III группы на подложку для выращивания; формирование механически ослабленного жертвенного слоя в таким образом полученной структуре; осаждение второго слоя нитрида III группы на первый слой нитрида III группы и отделение второго слоя нитрида III группы от подложки для выращивания вдоль механически ослабленного жертвенного слоя.The method includes the following steps: depositing a first layer of group III nitride on a growth substrate; the formation of a mechanically weakened sacrificial layer in the structure thus obtained; the deposition of the second layer of group III nitride on the first layer of group III nitride and the separation of the second layer of group III nitride from the substrate for growing along a mechanically weakened sacrificial layer.

Осаждение первого слоя нитрида III группы можно осуществить любым известным способом, подходящим для получения монокристаллических нитридов III группы; эти способы включают, но не ограничены перечисленным:The deposition of the first layer of group III nitride can be carried out by any known method suitable for producing single-crystal group III nitrides; these methods include, but are not limited to:

эпитаксию из паровой фазы (ЭПФ), химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ), химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений (ХОПФМО), эпитаксию из паровой фазы гидридов (ЭПФГ) и молекулярно-пучковое осаждение (МПО). При осаждении первого слоя толщину слоя необходимо ограничить так, чтобы предотвратить образование трещин. Как очевидно специалисту в данной области техники, максимальная толщина слоя, не содержащего трещин, зависит от: (1) разности коэффициента термического расширения первого слоя нитрида III группы и подложки для выращивания; (2) условий выращивания; (3) состава первого слоя нитрида III группы и (4) плотности дислокации в первом слое нитрида III группы. В общем, толщина первого слоя нитрида III группы предпочтительно составляет менее 10 мкм, хотя в некоторых случаях также возможно осаждение с получением несомненно более толстых слоев.vapor epitaxy (EPF), chemical vapor deposition (CVD), chemical vapor deposition of organometallic compounds (HOPFMO), hydride vapor epitaxy (EPFG) and molecular beam deposition (MPO). When the first layer is deposited, the layer thickness must be limited so as to prevent cracking. As is obvious to a person skilled in the art, the maximum thickness of a crack-free layer depends on: (1) the difference in the coefficient of thermal expansion of the first layer of group III nitride and the growth substrate; (2) growing conditions; (3) the composition of the first layer of group III nitride; and (4) the dislocation density in the first layer of group III nitride. In general, the thickness of the first layer of group III nitride is preferably less than 10 μm, although in some cases precipitation is also possible to produce undoubtedly thicker layers.

Подложка для выращивания, на которую осаждают первый слой нитрида III группы, может быть получена из любого материала, подходящего для указанного осаждения на нее нитрида III группы с помощью выбранного способа. Сапфир является хорошим выбором, как относительно дешевый материал, также обеспечивающий прозрачность для УФ лучей, что необходимо при травлении с использованием УФ излучения, возможно используемом в способе. Другими материалами подложки, подходящими для осаждения нитрида III группы являются, например, карбид кремния, кремний, оксид цинка, оксид кремния, арсенид галлия, алюминат лития и галлат лития.The growth substrate, on which the first layer of group III nitride is deposited, can be obtained from any material suitable for the indicated deposition of group III nitride on it using the selected method. Sapphire is a good choice as a relatively cheap material, also providing transparency for UV rays, which is necessary when etching using UV radiation, possibly used in the method. Other substrate materials suitable for the deposition of group III nitride are, for example, silicon carbide, silicon, zinc oxide, silicon oxide, gallium arsenide, lithium aluminate and lithium gallate.

Аналогично, второй слой нитрида III группы может быть получен любым способом, подходящим для эпитаксиального осаждения монокристаллического нитрида III группы, начинающегося на поверхности существующего первого слоя нитрида III группы. Возможные способы включают те же примеры, что и описанные выше для осаждения первого слоя нитрида III группы, т.е. эпитаксию из паровой фазы (ЭПФ), химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ), химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений (ХОПФМО), эпитаксию из паровой фазы гидрида (ЭПФГ) и молекулярно-пучковое осаждение (МПО). Благодаря обеспечиваемой высокой скорости роста, ЭПФГ во многих случаях является предпочтительным. Также возможно сочетание различных способов осаждения. Например, возможно выращивание первой тонкой части второго слоя нитрида III группы с помощью ХОПФМО и затем продолжение осаждения с помощью ЭПФГ.Similarly, the second layer of group III nitride can be obtained by any method suitable for epitaxial deposition of single-crystal group III nitride starting on the surface of the existing first layer of group III nitride. Possible methods include the same examples as described above for the deposition of the first layer of group III nitride, i.e. vapor phase epitaxy (EPF), chemical vapor deposition (CVD), chemical vapor deposition of organometallic compounds (HOPFMO), hydride vapor epitaxy (EPFG) and molecular beam deposition (MPO). Due to the high growth rate provided, EPPH is in many cases preferred. A combination of various precipitation methods is also possible. For example, it is possible to grow the first thin part of the second layer of group III nitride using HOPFMO and then continue the deposition using EPFG.

Точные составы материала первого и второго слоя нитрида III группы могут быть одинаковыми. Альтернативно, их составы могут отличаться, например, концентрацией и/или материалом (например, Si или Mg) допирующего агента. Также можно использовать полностью различные составы в этих двух слоях. Например, материалом одного из слоев может быть AlGaN, тогда как другой слой может быть получен из InGaN.The exact compositions of the material of the first and second layer of group III nitride may be the same. Alternatively, their compositions may differ, for example, in the concentration and / or material (e.g., Si or Mg) of the dopant. You can also use completely different compositions in these two layers. For example, the material of one of the layers may be AlGaN, while the other layer may be obtained from InGaN.

Важно отметить, что как первый, так и второй «слои» нитрида III группы сами по себе могут включать несколько подслоев и, таким образом, представлять собой многослойную структуру. Например, как хорошо известно в технике, распространенной практикой при осаждении слоев III-нитрида на инородные подложки является использование различных буферных слоев, например, низкотемпературного GaN, AlN, AlGaN, сортированного AlGaN, структуры сверхрешетки и т.д., на которые осаждают действующий слой нитрида. Это также относится к осаждению первого слоя нитрида III группы в способе по настоящему изобретению. Соответственно, второй слой нитрида III группы может включать, например, одну или более пар недопированных слоев GaN, за которыми следует слой GaN с проводимостью n-типа, или слой GaN, за которым следует слой AlGaN и т.д. В таких примерах слой GaN с проводимостью n-типа может быть использован для получения проводящей подложки n-типа. Соответственно, слой AlGaN может быть использован для получения согласованной по параметру решетки подложки для лазерных диодов на основе GaN.It is important to note that both the first and second “layers” of group III nitride per se can include several sublayers and, thus, represent a multilayer structure. For example, as is well known in the art, it is common practice to deposit III-nitride layers on foreign substrates using various buffer layers, for example, low-temperature GaN, AlN, AlGaN, sorted AlGaN, superlattice structures, etc., onto which the active layer is deposited nitride. This also applies to the deposition of the first layer of group III nitride in the method of the present invention. Accordingly, the second group III nitride layer may include, for example, one or more pairs of undoped GaN layers, followed by a n-type GaN layer, or a GaN layer, followed by an AlGaN layer, etc. In such examples, an n-type GaN layer can be used to produce an n-type conductive substrate. Accordingly, the AlGaN layer can be used to obtain a matched lattice parameter of the substrate for GaN-based laser diodes.

Основной принцип изобретения относится к стадии формирования механически ослабленного жертвенного слоя в структуре, полученной указанным осаждением первого слоя нитрида III группы на подложке для выращивания. Вместо подходов известного уровня техники, основанных, например, на получении пористого слоя внутри первого слоя нитрида III группы, в настоящем изобретении стадия формирования механически ослабленного жертвенного слоя включает образование отверстий, проходящих от свободной поверхности первого слоя нитрида III группы к граничной области между первым слоем нитрида III группы и подложкой для выращивания и латеральное травление, через отверстия, первого слоя нитрида III группы в указанной граничной области. Кроме того, в настоящем изобретении на стадии осаждения второго слоя нитрида III группы обеспечивают латеральное заращивание отверстий, чтобы обеспечить непрерывный слой.The basic principle of the invention relates to the step of forming a mechanically weakened sacrificial layer in the structure obtained by said deposition of a first layer of group III nitride on a growth substrate. Instead of prior art approaches based, for example, on obtaining a porous layer inside the first layer of group III nitride, in the present invention, the step of forming a mechanically weakened sacrificial layer includes the formation of holes extending from the free surface of the first layer of group III nitride to the boundary region between the first nitride layer Group III and a substrate for growing and lateral etching, through the holes, of the first layer of group III nitride in the specified boundary region. In addition, in the present invention, in the deposition step of the second layer of group III nitride, lateral overgrowth of the holes is provided to provide a continuous layer.

Назначением отверстий является предоставление травильному агенту возможности достичь граничной области, чтобы обеспечить возможность указанного латерального травления, т.е. травления в направлении вдоль границы раздела между первым слоем нитрида III группы и подложкой для выращивания. Под граничной областью здесь понимают часть первого слоя нитрида III группы вблизи границы раздела между первым слоем нитрида III группы и подложкой для выращивания. Прохождение отверстий к граничной области требуется для того, чтобы сконцентрировать последующий процесс латерального травления в данной области. Причина концентрирования механического ослабления структуры с помощью указанного латерального травления в данной области, в свою очередь, состоит в том, что, по всей осажденной структуре, напряжения, по своей природе, являются наибольшими на указанной границе раздела и вблизи нее. С другой стороны, плотность дислокации в осажденном нитриде также, по своей природе, наибольшая вблизи границы раздела между нитридом и подложкой для выращивания. Более высокая плотность дислокации делает граничную область более быстро растворимой, чем верхние области первого слоя нитрида III группы, таким образом, фактически обеспечивая самосовмещенное сосредоточение травления в области, где и напряжения являются наибольшими. Это максимизирует возможность использования собственных напряжений структуры на стадии отделения второго слоя нитрида III группы от подложки для выращивания вдоль жертвенного слоя.The purpose of the holes is to enable the etching agent to reach the boundary region in order to enable said lateral etching, i.e. etching in the direction along the interface between the first layer of group III nitride and the growth substrate. Here, the boundary region is understood to mean a part of the first layer of group III nitride near the interface between the first layer of group III nitride and the growth substrate. The passage of holes to the boundary region is required in order to concentrate the subsequent lateral etching process in this region. The reason for the concentration of mechanical weakening of the structure using the specified lateral etching in this area, in turn, is that, throughout the deposited structure, the stresses, by their nature, are greatest at and near the specified interface. On the other hand, the dislocation density in the precipitated nitride is also, by its nature, the greatest near the interface between the nitride and the growth substrate. A higher dislocation density makes the boundary region more rapidly soluble than the upper regions of the first layer of group III nitride, thus, in fact, providing a self-aligned etching concentration in the region where the stresses are also greatest. This maximizes the possibility of using the structure's own stresses at the stage of separation of the second layer of group III nitride from the substrate for growing along the sacrificial layer.

Толщина граничной области, к которой должны проходить отверстия, т.е. толщина части первого слоя нитрида III группы, в которой концентрация напряжений является наибольшей и пик плотности дислокации наиболее сильный, зависит от используемых материалов и способов выращивания. В общем, данная граничная область ограничена нижней половиной первого слоя нитрида III группы, т.е. половиной этого слоя, прилегающей к подложке для выращивания. Однако чем толще первый слой нитрида III группы, тем меньше часть от общей толщины слоя, в которой эти два эффекта проявляются наиболее сильно, и следовательно, часть слоя, к которой должны проходить отверстия.The thickness of the boundary region to which the holes should pass, i.e. the thickness of the part of the first layer of group III nitride, in which the stress concentration is the highest and the peak dislocation density is the strongest, depends on the materials used and the methods of growth. In general, this boundary region is bounded by the lower half of the first layer of group III nitride, i.e. half of this layer adjacent to the substrate for growing. However, the thicker the first layer of group III nitride, the smaller the portion of the total thickness of the layer in which these two effects are most pronounced, and therefore the portion of the layer to which the holes should pass.

В результате латерального травления получают поры, т.е. пустые объемы, вокруг нижних частей отверстий в первой слое нитрида III группы в граничной области. Сеть таких пор ослабляет механическую прочность первого слоя нитрида III группы, тем самым приводя к образованию механически ослабленной области, т.е. механически ослабленного расходуемого слоя, указанного выше.As a result of lateral etching, pores are obtained, i.e. empty volumes around the lower parts of the holes in the first layer of group III nitride in the boundary region. A network of such pores weakens the mechanical strength of the first layer of group III nitride, thereby leading to the formation of a mechanically weakened region, i.e. mechanically weakened sacrificial layer specified above.

Оптимальная плотность отверстий и размер отдельных отверстий зависят от характеристик процесса латерального травления, например скорости травления, и эти параметры следует задавать, принимая в расчет следующие условия: (а) эффективная подача травильных агентов выбранного способа травления к граничной области через отверстия; (б) эффективное удаление продуктов реакции травления из граничной области и (в) эффективное и успешное заращивание на стадии осаждения второго слоя нитрида III группы. В общем, диаметр отдельного отверстия может составлять, например, от 1 до 10 мкм. Расстояние между соседними отверстиями обычно должно составлять менее 100 мкм, предпочтительно от 10 до 50 мкм.The optimal hole density and the size of individual holes depend on the characteristics of the lateral etching process, for example, etching speed, and these parameters should be set taking into account the following conditions: (a) the effective supply of etching agents of the selected etching method to the boundary region through the holes; (b) effective removal of the products of the etching reaction from the boundary region; and (c) effective and successful overgrowing at the stage of deposition of the second layer of group III nitride. In general, the diameter of a single hole may be, for example, from 1 to 10 microns. The distance between adjacent holes should usually be less than 100 microns, preferably from 10 to 50 microns.

Подход согласно настоящему изобретению, включающий указанное образование отверстий и латеральное травление в граничной области, обеспечивает большие преимущества, заключающиеся в обеспечении эффективного и, что, возможно, наиболее важно, хорошо регулируемого пути осуществления отделения второго слоя нитрида III группы от подложки для выращивания, с получением независимого кристалла нитрида, который служит в качестве подложки для дополнительного осаждения нитрида. Регулируемость получают в результате того, что можно свободно подбирать плотность, форму, поперечные размеры и фактическую глубину отверстий, а также параметры процесса латерального травления, также принимая в расчет фактические составы и условия обработки слоев нитрида и материала подложки для выращивания. Регулируемость позволяет создать такую структуру, в частности механически ослабленный жертвенный слой, что отделение происходит in situ в ходе охлаждения осажденной структуры от температуры осаждения второго слоя нитрида III группы. Кроме того, на стадии осаждения второго слоя нитрида III группы, рост может быть инициирован на необработанных областях поверхности первого слоя нитрида III группы, вне отверстий. Это существенно упрощает способ, например, по сравнению с осаждением на пористый первый слой нитрида в способе US 2007/0082465 А1.The approach according to the present invention, including said hole formation and lateral etching in the boundary region, provides great advantages in providing an effective and, most importantly, well-regulated way of separating the second layer of group III nitride from the growth substrate, to obtain an independent nitride crystal, which serves as a substrate for additional nitride deposition. Adjustability is obtained as a result of the fact that it is possible to freely select the density, shape, transverse dimensions and the actual depth of the holes, as well as the parameters of the lateral etching process, also taking into account the actual compositions and processing conditions of the nitride layers and the substrate material for growing. Adjustability allows you to create such a structure, in particular a mechanically weakened sacrificial layer that separation occurs in situ during cooling of the deposited structure from the deposition temperature of the second layer of group III nitride. In addition, in the deposition step of the second layer of group III nitride, growth can be initiated on the untreated areas of the surface of the first layer of group III nitride, outside the holes. This greatly simplifies the method, for example, compared with the deposition on the porous first layer of nitride in the method of US 2007/0082465 A1.

Минимальная толщина второго слоя нитрида III группы определяется латеральным заращиванием отверстий. Другими словами, данный слой, разумеется, должен быть достаточно толстым, чтобы отверстия в первом слое нитрида III группы полностью перекрывались латерально выращенным материалом. Другим параметром, который следует учитывать, является механическая прочность слоя. Эта прочность должна быть достаточно высокой, чтобы иметь возможность отделить второй слой III группы в качестве независимого слоя без растрескивания. В некоторых случаях может быть достаточно толщины несколько десятков микрон. Однако, в большинстве случаев, предпочтительной является толщина по меньшей мере 200 мкм, например, приблизительно от 300 до 500 мкм.The minimum thickness of the second layer of group III nitride is determined by lateral overgrowth of the holes. In other words, this layer, of course, must be thick enough so that the holes in the first layer of group III nitride are completely overlapped by the laterally grown material. Another parameter to consider is the mechanical strength of the layer. This strength should be high enough to be able to separate the second layer of group III as an independent layer without cracking. In some cases, a few tens of microns may be sufficient. However, in most cases, a thickness of at least 200 μm, for example, from about 300 to 500 μm, is preferred.

Предпочтительно второй слой нитрида III группы осаждают при температуре, большей или равной 700°C, чтобы облегчить отделение второго слоя нитрида III группы от подложки для выращивания вдоль жертвенного слоя, посредством термического напряжения, возникающего в ходе охлаждения полученной структуры от этой температуры. Другими словами, в данном воплощении обычно нежелательные напряжения, возникающие из-за несоответствия коэффициентов термического расширения нитридного материала и подложки для выращивания, преимущественно используют для разделения in situ подложки для выращивания и осажденного нитрида, чтобы получить независимый кристалл нитрида. При надлежащем расчете и выполнении отверстий и латерального травления может быть достигнуто даже полное самоотделение в ходе указанного охлаждения. Независимо от того, прикладывают ли также внешние силы для осуществления отделения, в любом случае отделение предпочтительно осуществляют перед тем, как температура осажденного состава снижается настолько, что термические напряжения достигают критического уровня, при котором могут образоваться трещины в осажденном нитриде.Preferably, the second layer of group III nitride is precipitated at a temperature greater than or equal to 700 ° C to facilitate the separation of the second layer of group III nitride from the substrate for growing along the sacrificial layer by thermal stress arising during cooling of the resulting structure from this temperature. In other words, in this embodiment, usually undesirable stresses arising from the mismatch of the thermal expansion coefficients of the nitride material and the growth substrate are mainly used for in situ separation of the growth substrate and precipitated nitride to obtain an independent nitride crystal. With proper design and execution of holes and lateral etching, even complete self-separation can be achieved during said cooling. Regardless of whether external forces are also applied to effect the separation, in any case, the separation is preferably carried out before the temperature of the deposited composition is reduced so that thermal stresses reach a critical level at which cracks in the deposited nitride can form.

Отверстия в первом слое нитрида III группы могут быть получены различными известными способами. Возможные варианты включают, по меньше мере, следующие: травление химически активными ионами (ТХАИ), травление индукционно-связанной плазмой (ИСП), абляция лазером, химическое влажное травление и химическое травление газом. Предпочтительными способами являются ТХАИ и ИСП, которые являются общепризнанными и надежными способами травления GaN и родственных материалов. Толщина первого слоя нитрида III группы должны быть ограничена так, чтобы обеспечить возможность образования отверстий, проходящих вниз к граничной области, с помощью выбранного способа. Также на стадии латерального травления первого слоя нитрида III группы могут быть использованы известные способы, такие как влажное химическое травление или химическое травление газом. В общем, как образование отверстий, так и латеральное травление необходимо осуществлять так, чтобы не препятствовать последующему осаждению второго слоя нитрида III группы и не снижать качество материала этого слоя. Другими словами, образование отверстий или латеральное травление не должно разрушать или загрязнять поверхность первого слоя нитрида III группы, или иным образом приводить к дефектам или искажениям во впоследствии выращенном втором слое нитрида III группы.Holes in the first layer of group III nitride can be obtained by various known methods. Possible options include, at least, the following: chemically active ion etching (TCAI), induction-coupled plasma etching (ICP), laser ablation, chemical wet etching and chemical gas etching. The preferred methods are TCAI and ICP, which are generally recognized and reliable methods of etching GaN and related materials. The thickness of the first layer of group III nitride should be limited so as to allow the formation of holes extending down to the boundary region using the selected method. Also at the stage of lateral etching of the first layer of group III nitride, known methods can be used, such as wet chemical etching or chemical gas etching. In general, both hole formation and lateral etching must be carried out so as not to impede the subsequent deposition of the second layer of group III nitride and not to reduce the quality of the material of this layer. In other words, hole formation or lateral etching should not destroy or contaminate the surface of the first layer of group III nitride, or otherwise lead to defects or distortions in the subsequently grown second layer of group III nitride.

Предпочтительно, на стадии образования отверстий формируют металлический маскирующий слой на первом слое нитрида III группы и на него наносят рисунок с получением дырок, и первый слой нитрида III группы протравливают через эти дырки в металлическом маскирующем слое, чтобы образовать отверстия. Такой металлический маскирующий слой обеспечивает точный способ регулирования травления и, следовательно, образования отверстий. Кроме того, в одном из предпочтительных воплощений указанное латеральное травление первого слоя нитрида III группы в указанной граничной области включает электрохимическое травление с использованием металлического маскирующего слоя в качестве электрода, на который подают напряжение смещения постоянного тока (ПТ). Таким образом, в данном воплощении металлическая маска эффективно служит для двух разных целей.Preferably, at the stage of forming the holes, a metal masking layer is formed on the first layer of group III nitride and a pattern is formed on it to form holes, and the first layer of group III nitride is etched through these holes in the metal masking layer to form holes. Such a metal masking layer provides an accurate way to control etching and therefore hole formation. In addition, in one preferred embodiment, said lateral etching of a first group III nitride layer in said boundary region includes electrochemical etching using a metal mask layer as an electrode to which a DC bias voltage (DC) is applied. Thus, in this embodiment, the metal mask effectively serves two different purposes.

В еще одном предпочтительном воплощении селективность травления повышают путем того, что латеральное травление первого слоя нитрида III группы включает воздействие УФ излучения на граничную область, чтобы осуществить фотохимическое травление. Воздействие УФ дополнительно повышает селективность травления. Воздействие УФ требует прозрачной подложки для выращивания, такой как сапфир. Вследствие сильного поглощения УФ нитридами III группы, например GaN, УФ излучение, воздействующее на границу раздела между подложкой для выращивания и первым слоем нитрида III группы через прозрачную подложку для выращивания, поглощается нитридом III группы в тонком слое (обычно менее 1 мкм), вблизи границы раздела. Поглощение УФ излучения оказывает двойной эффект. Во-первых, увеличивается скорость реакции травления (фотохимический процесс). Во-вторых, поглощение УФ приводит к образованию электронно-дырочных пар, посредством чего слой, поглотивший УФ излучение, становится более проводящим, что, в свою очередь, улучшает электрохимическое травление. В этом смысле, в отношении граничной области, до которой должны проходить отверстия, в таких воплощениях с использованием УФ излучения при определении толщины граничной области также необходимо принимать в расчет толщину слоя, в котором поглощается УФ излучение. Другими словами, отверстия должны проходить настолько глубоко в первый слой нитрида III группы, чтобы указанные эффекты УФ поглощения способствовали травлению.In another preferred embodiment, the etching selectivity is increased by the fact that the lateral etching of the first layer of group III nitride involves the action of UV radiation on the boundary region to effect photochemical etching. Exposure to UV further enhances the selectivity of etching. Exposure to UV requires a transparent substrate for growing, such as sapphire. Due to the strong absorption of UV by group III nitrides, such as GaN, UV radiation acting on the interface between the growth substrate and the first layer of group III nitride through a transparent growth substrate is absorbed by group III nitride in a thin layer (usually less than 1 μm), near the interface section. UV absorption has a double effect. Firstly, the etching reaction rate increases (photochemical process). Secondly, UV absorption leads to the formation of electron-hole pairs, whereby the layer that absorbs UV radiation becomes more conductive, which, in turn, improves electrochemical etching. In this sense, with respect to the boundary region to which the holes should extend, in such embodiments using UV radiation, when determining the thickness of the boundary region, it is also necessary to take into account the thickness of the layer in which the UV radiation is absorbed. In other words, the holes should extend so deep into the first layer of group III nitride that these UV absorption effects contribute to etching.

Помимо механических и термических напряжений, также можно использовать термическое разложение нитрида III группы на стадии формирования механически ослабленного жертвенного слоя или на стадии отделения второго слоя нитрида III группы от подложки для выращивания. При воздействии достаточно высокой температуры, с поверхности кристалла III-нитрида начинает выделяться азот, что приводит к разложению нитридного материала. В механически ослабленном жертвенном слое, содержащем латерально протравленные поры, большая площадь поверхности пор приводит к тому, что термическое разложение нитрида происходит намного быстрее в данном подслое, чем в остальной многослойной структуре. Указанная достаточно высокая температура зависит от фактического состава нитрида III группы. GaN разлагается в широком диапазоне температур и, например, используют температуры от 1000 до 1200°C, чтобы осуществить разложение. Для AlGaN требуемый диапазон температур выше, тогда как для InGaN он ниже, чем диапазон, требующийся для GaN.In addition to mechanical and thermal stresses, it is also possible to use thermal decomposition of group III nitride at the stage of forming a mechanically weakened sacrificial layer or at the stage of separating the second layer of group III nitride from the substrate for growing. When exposed to a sufficiently high temperature, nitrogen begins to liberate from the surface of the III-nitride crystal, which leads to the decomposition of the nitride material. In a mechanically weakened sacrificial layer containing laterally etched pores, a large surface area of the pores leads to the fact that thermal decomposition of nitride occurs much faster in this sublayer than in the rest of the multilayer structure. The indicated rather high temperature depends on the actual composition of group III nitride. GaN decomposes over a wide temperature range and, for example, temperatures from 1000 to 1200 ° C are used to decompose. For AlGaN, the required temperature range is higher, while for InGaN it is lower than the range required for GaN.

Термическое разложение может происходить уже в ходе роста второго слоя нитрида III группы. Это является дополнительной причиной для осаждения этого слоя при температуре, большей или равной 700°C. Более того, способ согласно настоящему изобретению дополнительно включает отдельную стадию отжига осажденной структуры, т.е. блока, состоящего из подложки для выращивания и первого и второго слоев нитрида III группы, при температуре осуществления термического разложения нитрида первого слоя нитрида III группы в граничной области.Thermal decomposition can occur already during the growth of the second layer of group III nitride. This is an additional reason for the deposition of this layer at a temperature greater than or equal to 700 ° C. Moreover, the method according to the present invention further includes a separate step of annealing the deposited structure, i.e. block, consisting of a substrate for growing and the first and second layers of group III nitride, at a temperature of thermal decomposition of nitride of the first layer of group III nitride in the boundary region.

Скорость термического разложения нитридов III группы снижается в атмосфере аммиака. В предпочтительном воплощении настоящего изобретения это используют посредством обеспечения в ходе указанной стадии отжига атмосферы аммиака, окружающей осажденную структуру. Давление, используемое в ходе указанного отжига, может составлять, например, от 0,01 до 0,1 МПа (от 0,1 до 1 бар), а подходящая концентрация аммиака может составлять от 10 до 100% (на практике эти параметры обычно ограничены характеристиками оборудования для выращивания). Аммиак может достигать только внешней поверхности осажденного кристалла и не проникать через первый и второй слои нитрида III группы в поры механически ослабленного жертвенного слоя. Тогда скорость разложения жертвенного слоя намного больше, чем скорость разложения на внешней поверхности кристалла.The rate of thermal decomposition of group III nitrides decreases in the atmosphere of ammonia. In a preferred embodiment of the present invention, this is used by providing an ammonia atmosphere surrounding the deposited structure during said annealing step. The pressure used during said annealing can be, for example, from 0.01 to 0.1 MPa (0.1 to 1 bar), and a suitable ammonia concentration can be from 10 to 100% (in practice, these parameters are usually limited characteristics of equipment for growing). Ammonia can reach only the outer surface of the deposited crystal and not penetrate through the first and second layers of group III nitride into the pores of a mechanically weakened sacrificial layer. Then, the decomposition rate of the sacrificial layer is much greater than the decomposition rate on the outer surface of the crystal.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Настоящее изобретение далее описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, где на Фиг.1 показан принцип способа в соответствии с одним из предпочтительных воплощений настоящего изобретения; на Фиг.2 показан рисунок маски, подходящий для использования в способе согласно Фиг.1, и на Фиг.3 показано устройство для травления, подходящее для использования в способе согласно Фиг.1.The present invention is further described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows the principle of a method in accordance with one preferred embodiment of the present invention; figure 2 shows a mask pattern suitable for use in the method according to figure 1, and figure 3 shows an etching device suitable for use in the method according to figure 1.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Способ, проиллюстрированный на Фиг.1, начинают с обеспечения подложки 101 для выращивания на стадии (a). Подложка для выращивания выполнена из сапфира, широко используемого в качестве подложки для эпитаксиального роста нитридов III группы. Однако, подложка для выращивания также может быть выполнена из другого материала, подходящего для такого эпитаксиального роста и позволяющего применять УФ излучение, как описано ниже. На стадии (b) формируют первый слой 102 из GaN на подложке для выращивания путем осаждения посредством ЭПФМО. Толщина данного первого слоя нитрида составляет менее 10 мкм, чтобы избежать образования трещин вследствие механических и термических напряжений, возникающих из-за различия постоянных решетки и коэффициентов термического расширения сапфира и GaN, и обеспечить возможность эффективного травления через слой на стадии (д). Затем, на стадии (c), осаждают металлический слой 103 на первый слой GaN. Этот металлический слой может быть образован, например, из пленки титана толщиной 1 мкм, осажденной путем электронно-лучевого напыления. На стадии (d) наносят рисунок на металлический слой 103 с помощью фотолитографии, обеспечивающий дырки 104 в этом слое. Дырки могут быть обеспечены, например, в соответствии с геометрией маски, показанной на Фиг.2. В соответствии с геометрией маски, показанной на Фиг.2, дырки 104 диаметром 5 мкм расположены с образованием гексагональной сетки, имеющей длину стороны шестиугольника 15 мкм, причем сетка также содержит дырки в центрах шестиугольников. Затем, на стадии (e), первый слой 102 GaN селективно протравливают посредством ИСП или ТХАИ, используя металлический слой в качестве маски, чтобы получить вертикальные отверстия 105, проходящие вниз к границе 109 раздела между подложкой 101 для выращивания и первым слоем 102 нитрида.The method illustrated in FIG. 1 begins by providing a growth substrate 101 in step (a). The growth substrate is made of sapphire, which is widely used as a substrate for the epitaxial growth of group III nitrides. However, the growth substrate can also be made of another material suitable for such epitaxial growth and allowing the use of UV radiation, as described below. In step (b), a first GaN layer 102 is formed on a growth substrate by deposition by EPFMO. The thickness of this first nitride layer is less than 10 μm, in order to avoid cracking due to mechanical and thermal stresses arising from the difference between the lattice constants and the thermal expansion coefficients of sapphire and GaN, and to enable efficient etching through the layer in step (e). Then, in step (c), the metal layer 103 is deposited on the first GaN layer. This metal layer can be formed, for example, from a titanium film 1 μm thick deposited by electron beam sputtering. In step (d), a pattern is applied to the metal layer 103 by photolithography, providing holes 104 in this layer. Holes can be provided, for example, in accordance with the geometry of the mask shown in FIG. 2. In accordance with the geometry of the mask shown in FIG. 2, holes 104 with a diameter of 5 μm are arranged to form a hexagonal mesh having a side length of the hexagon of 15 μm, the mesh also containing holes in the centers of the hexagons. Then, in step (e), the first GaN layer 102 is selectively etched with ICP or TCAI using a metal layer as a mask to obtain vertical holes 105 extending down to the interface 109 between the growth substrate 101 and the first nitride layer 102.

На стадии (f) образец, полученный на стадиях (a) - (e), погружают в жидкий электролит, например водный раствор КОН, положительное напряжение смещения прикладывают к пленке 102 GaN, используя металлическую пленку в качестве электрода, и осуществляют УФ излучение через подложку 101 из сапфира к границе 109 раздела между подложкой 101 для выращивания и первым слоем 102 нитрида (подача напряжения смещения и осуществление УФ излучения не показано на Фиг.1). Устройство, используемое на данной стадии, может быть, например, таким, как показано на Фиг.3. Устройство, показанное на Фиг.3, включает цилиндр 111, к нижней части которого прикрепляют подложку для выращивания из сапфира с первым слоем нитрида III группы на ней, обращенным внутрь цилиндра. Сформированный таким образом контейнер наполняют электролитом 113. Отрицательное смещение подают на платиновую сетку 112, погруженную в электролит. Жидкий электролит перемешивают с помощью механической мешалки 114.In step (f), the sample obtained in steps (a) to (e) is immersed in a liquid electrolyte, for example, an aqueous KOH solution, a positive bias voltage is applied to the 102 GaN film using a metal film as an electrode, and UV radiation is applied through the substrate 101 from sapphire to the interface 109 between the substrate 101 for growing and the first layer 102 of nitride (applying bias voltage and the implementation of UV radiation is not shown in Figure 1). The device used in this step may, for example, be as shown in FIG. The device shown in FIG. 3 includes a cylinder 111, to the bottom of which a substrate for growing from sapphire is attached with a first layer of group III nitride on it facing the inside of the cylinder. The container thus formed is filled with electrolyte 113. A negative bias is applied to the platinum grid 112 immersed in the electrolyte. The liquid electrolyte is mixed using a mechanical stirrer 114.

В результате фотохимического травления, осуществляемого таким образом, GaN вблизи границы 109 раздела частично растворяется, и в результате этого образуются поры 106, проходящие латерально от дна каждого отверстия. Травление самосовмещается с граничной областью вблизи границы 109 раздела, благодаря высокой плотности дислокации в этой области по сравнению с верхним частями первого слоя 102 GaN. Сеть таким образом сформированных пор 106 в первом слое 102 GaN механически ослабляет соединение первого слоя 102 GaN и подложки 101 для выращивания. Другими словами, механически ослабленный слой 110 формируют в первом слое 102 GaN на уровне пор 106. После указанной стадии фотохимического травления остаток металлического слоя 103 удаляют.As a result of photochemical etching carried out in this way, GaN near the interface 109 partially dissolves, and as a result, pores 106 are formed, extending laterally from the bottom of each hole. The etching is self-aligned with the boundary region near the interface 109 due to the high dislocation density in this region as compared with the upper parts of the first GaN layer 102. The network of pores 106 thus formed in the first GaN layer 102 mechanically weakens the bonding of the first GaN layer 102 and the growth substrate 101. In other words, a mechanically weakened layer 110 is formed in the first GaN layer 102 at a pore level of 106. After this photochemical etching step, the remainder of the metal layer 103 is removed.

Затем, на стадии (g), образец загружают в реактор для выращивания посредством ЭПФГ и второй слой 107 монокристалла GaN осаждают на первый слой 102 GaN, причем эпитаксиальный рост начинается на непротравленных участках первого слоя 102 GaN. В ходе данной стадии, отверстия 105 в первом слое 102 GaN латерально заращивают с получением непрерывного слоя с плоской поверхностью. Второй слой 107 GaN выращивают с получением требуемой толщины (обычно более 300 мкм). В некоторых случаях, вместо осаждения посредством ЭПФГ с получением полной толщины данного слоя, может быть преимущественным объединенный способ, при котором осаждение начинают посредством ХОПФМО, а затем оставшуюся часть слоя осаждают посредством ЭПФГ, поскольку формирование непрерывного слоя, начинающегося на несплошной подложке, обычно проще осуществлять посредством ХОПФМО.Then, in step (g), the sample is loaded into the growth reactor by means of EPPG and a second GaN single crystal layer 107 is deposited on the first GaN layer 102, where epitaxial growth begins in the non-etched areas of the first GaN layer 102. During this step, holes 105 in the first GaN layer 102 are laterally overgrown to form a continuous layer with a flat surface. The second layer 107 GaN is grown to obtain the desired thickness (usually more than 300 microns). In some cases, instead of deposition by means of EPFG to obtain the full thickness of a given layer, it may be advantageous to combine the method in which deposition is started by HOPFMO and then the remaining part of the layer is deposited by means of EPFG, since the formation of a continuous layer starting on a non-continuous substrate is usually simpler by HOPFMO.

В ходе осаждения второго слоя 107 GaN, используют температуру роста, превосходящую 700°C, например, приблизительно 1000°C. После фактической фазы осаждения, температуру поддерживают на уровне температуры осаждения или немного выше, например, приблизительно 1100°C, и подают аммиак в реактор для выращивания, чтобы обеспечить атмосферу аммиака, окружающую осаждаемую структуру. В ходе такого отжига, повышенная температура приводит к разложению GaN на поверхности пор 106, что дополнительно ослабляет соединение между подложкой для выращивания и осажденными слоями GaN. На внешней поверхности образца такое разложение предотвращают благодаря наличию атмосферы аммиака.During the deposition of the second GaN layer 107, a growth temperature in excess of 700 ° C, for example, approximately 1000 ° C, is used. After the actual precipitation phase, the temperature is maintained at or slightly higher than, for example, approximately 1100 ° C, and ammonia is fed to the growth reactor to provide an ammonia atmosphere surrounding the deposited structure. During such annealing, an elevated temperature leads to the decomposition of GaN on the surface of pores 106, which further weakens the connection between the growth substrate and the deposited GaN layers. On the outer surface of the sample, such decomposition is prevented by the presence of an ammonia atmosphere.

После завершения осаждения второго слоя 107 GaN, на стадии (h), образец охлаждают. Из-за большого снижения температуры возникают высокие термические напряжения, обусловленные различными коэффициентами термического расширения сапфира и GaN, причем напряжения являются наибольшими на границе 109 раздела между подложкой 101 из сапфира и первым слоем 102 GaN и вблизи нее. Такие напряжения приводят к растрескиванию образца вдоль механически ослабленного слоя 110. При надлежащем количестве и размере пор 106 это может привести к полному самоотделению второго слоя 107 GaN от подложки 101 для выращивания. Альтернативно, к образцу может быть приложена незначительная сила для обеспечения полного отделения. В любом случае отделение завершают при достаточно высокой температуре, чтобы предотвратить образование трещин во втором слое 107, из-за указанных термических напряжений. В результате получают независимую подложку 100 из нитрида GaN, не содержащую трещин и подходящую для последующего гомоэпитаксиального осаждения. Наконец, можно выполнять шлифовку и/или полировку или другую чистовую обработку обычно неровной и шероховатой нижней поверхности таким образом полученной подложки, образовавшейся после отделения второго слоя нитрида III группы от подложки для выращивания по механически ослабленному жертвенному слою 110 (не показано на Фиг.1).After the deposition of the second GaN layer 107 is completed, in step (h), the sample is cooled. Due to a large decrease in temperature, high thermal stresses arise due to different coefficients of thermal expansion of sapphire and GaN, and the stresses are greatest at the interface 109 between the sapphire substrate 101 and the first GaN layer 102 and near it. Such stresses lead to cracking of the sample along the mechanically weakened layer 110. With an appropriate number and pore size 106, this can lead to complete self-separation of the second GaN layer 107 from the substrate 101 for growing. Alternatively, little force may be applied to the sample to ensure complete separation. In any case, the separation is completed at a sufficiently high temperature to prevent cracking in the second layer 107, due to the indicated thermal stresses. The result is an independent substrate 100 of GaN nitride, not containing cracks and suitable for subsequent homoepitaxial deposition. Finally, it is possible to perform grinding and / or polishing or other finishing processing of the usually uneven and rough bottom surface of the thus obtained substrate formed after separation of the second layer of group III nitride from the substrate for growing on a mechanically weakened sacrificial layer 110 (not shown in FIG. 1) .

Далее другой пример способа по настоящему изобретению описан по стадиям:Further, another example of the method of the present invention is described in stages:

I) Выращивание тонкого слоя GaN на сапфире посредством ХОПФМОI) Growing a thin layer of GaN on sapphire by HOPFMO

1. Загрузка подложки из сапфира (или Al₂O₃) с ориентацией в с-плоскости в реактор для ХОПФМО.1. Loading the substrate of sapphire (or Al ₂ O ₃ ) with orientation in the c-plane into the reactor for HOPFMO.

2. Нагревание до температуры 1100°C и отжиг в течение 10 мин в атмосфере водорода.2. Heating to a temperature of 1100 ° C and annealing for 10 min in a hydrogen atmosphere.

3. Охлаждение до температуры 550°C.3. Cooling to 550 ° C.

4. Осаждение слоя GaN толщиной 30 нм посредством проведения реакции аммиака (NH₃) и триметилгаллия (ТМГ).4. The deposition of a GaN layer with a thickness of 30 nm through the reaction of ammonia (NH ₃ ) and trimethylgallium (TMG).

5. Прекращение подачи ТМГ, нагревание до температуры 1050°C в потоке аммиака и водорода.5. Stopping the supply of TMG, heating to a temperature of 1050 ° C in a stream of ammonia and hydrogen.

6. Возобновление подачи ТМГ, выращивание слоя GaN толщиной ~ 1,5 мкм6. The resumption of the supply of TMG, growing a GaN layer with a thickness of ~ 1.5 μm

7. Прекращение подачи ТМГ, охлаждение до комнатной температуры.7. Stopping the supply of TMG, cooling to room temperature.

8. Выгрузка пластины из камеры для выращивания8. Unloading the plate from the chamber for growing

II) ФотолитографияII) Photolithography

1. Очистка пластины в растворителях/деионизированной (ДИ) воде, отжиг при температуре 120°C для удаления влаги.1. Cleaning the plate in solvents / deionized (DI) water, annealing at 120 ° C to remove moisture.

2. Нанесение грунтовочного слоя на поверхность пластины, затем удаление избытка грунтовочного слоя центрифугированием.2. Application of the primer layer to the surface of the plate, then the removal of excess primer layer by centrifugation.

3. Нанесение центрифугированием фоторезиста Shipley 1813 толщиной 1,3 мкм на пластину при скорости 5000 об/мин.3. Application by centrifugation of a Shipley 1813 photoresist with a thickness of 1.3 μm onto the plate at a speed of 5000 rpm.

4. Мягкий отжиг фоторезиста при температуре 115°C в течение 60 с.4. Soft annealing of the photoresist at a temperature of 115 ° C for 60 s.

5. Селективное экспонирование фоторезиста через маску.5. Selective exposure of the photoresist through the mask.

6. Проявление фоторезиста, промывка в ДИ воде и сушка, в результате чего фоторезист остается в местах, предназначенных для вертикальных отверстий (см. n.V ниже),6. The manifestation of the photoresist, rinsing in DI water and drying, as a result of which the photoresist remains in the places intended for vertical holes (see n.V below),

7. Отжиг при температуре 120°C в течение 5 мин.7. Annealing at a temperature of 120 ° C for 5 min.

III) Осаждение металлаIII) Precipitation of metal

1. Осаждение слоя титана толщиной 300 нм с использованием электронно-лучевого напыления.1. The deposition of a titanium layer with a thickness of 300 nm using electron beam spraying.

IV) Обращенная литография металлаIv) Inverted lithography of metal

1. Селективное удаление слоя титана путем обращенной литографии в горячем (70°C) средстве для удаления фоторезиста.1. Selective removal of the titanium layer by reverse lithography in a hot (70 ° C) photoresist remover.

V) Травление вертикальных каналовV) Etching vertical channels

1. Протравливание, посредством способа с индукционно-связанной плазмой (ИСП) в атмосфере аргона-хлора, вертикальных отверстий в слое GaN, направленных вниз к подложке из сапфира, с использованием оставшегося слоя титана в качестве маски.1. Etching, using an induction coupled plasma (ICP) method in an argon-chlorine atmosphere, of vertical holes in a GaN layer directed downward to a sapphire substrate using the remaining titanium layer as a mask.

VI) Фотостимулированное электрохимическое травлениеVI) Photostimulated electrochemical etching

1. Установка пластины в устройство для травления согласно Фиг.3 (сторона GaN направлена внутрь).1. Insertion of the wafer into the etching device according to FIG. 3 (GaN side facing inward).

2. Заполнение полученного таким образом цилиндра раствором КОН в Н20, имеющим концентрацию 0,5-2,5 М (моль/л).2. Filling the cylinder thus obtained with a solution of KOH in H20 having a concentration of 0.5-2.5 M (mol / L).

3. Соединение слоя титана с положительным электродом и платиновой сетки с отрицательным электродом.3. The connection of the titanium layer with a positive electrode and a platinum grid with a negative electrode.

4. Перемешивание раствора с помощью мешалки.4. Mixing the solution with a stirrer.

5. Облучение нижней стороны (со стороны сапфира) пластины УФ излучением, имеющим энергию фотонов больше, чем ширина запрещенной зоны GaN; подходящая интенсивность составляет несколько Вт/см².5. Irradiation of the lower side (from the sapphire side) of the wafer with UV radiation having a photon energy greater than the band gap of GaN; suitable intensity is a few W / cm ² .

6. Приложение напряжения смещения ПТ между электродами для инициирования прохождения тока через раствор электролита.6. Application of the bias voltage of the PT between the electrodes to initiate the passage of current through the electrolyte solution.

8. Прекращение травления по достижении требуемого протравливания; требуемое время травления изменяется в зависимости, например, от концентрации электролита, температуры, интенсивности УФ излучения, плотности тока и свойств слоя GaN.8. Stopping the pickling upon reaching the desired pickling; the required etching time varies depending, for example, on the electrolyte concentration, temperature, UV radiation intensity, current density and properties of the GaN layer.

VII) Удаление слоя титанаVII) Removal of the titanium layer

1. Удаление оставшегося слоя титана в растворе HF:H₂O1. Removal of the remaining titanium layer in a solution of HF: H ₂ O

VIII) Заращивание GaNVIII) GaN Growth

1. Загрузка пластины в реактор для ХОПФМО.1. Loading the plate into the reactor for HOPFMO.

2. Нагревание до температуры 1050°C в атмосфере аммиака и азота.2. Heating to a temperature of 1050 ° C in an atmosphere of ammonia and nitrogen.

3. Начало выращивания GaN путем подачи ТМГ и водорода в реактор.3. Start growing GaN by feeding TMG and hydrogen to the reactor.

4. Выращивание GaN до полного зарастания вертикальных каналов.4. Growing GaN to the complete overgrowing of vertical channels.

5. Отключение подачи ТМГ и водорода, охлаждение до комнатной температуры в потоке аммиака.5. Turn off the supply of TMG and hydrogen, cooling to room temperature in an ammonia stream.

IX) Наращивание толстого слоя GaNIX) The growth of a thick layer of GaN

1. Загрузка пластины в реактор ЭПФГ.1. Loading the plate into the EPFG reactor.

2. Нагревание до температуры 1050°C в потоке аммиака и азота.2. Heating to a temperature of 1050 ° C in a stream of ammonia and nitrogen.

3. Подача GaCl в зону роста для начала осаждения GaN.3. Feeding GaCl into the growth zone to begin the deposition of GaN.

4. Прекращение осаждения по достижении требуемой толщины GaN, обычно >300 мкм.4. Termination of deposition upon reaching the desired GaN thickness, typically> 300 μm.

5. Охлаждение до комнатной температуры в потоке аммиака, в котором осажденный GaN самопроизвольно отделяется от подложки из сапфира вследствие термических напряжений.5. Cooling to room temperature in an ammonia stream in which precipitated GaN spontaneously separates from the sapphire substrate due to thermal stresses.

X) Очистка, шлифование и полированиеX) Cleaning, grinding and polishing

1. Очистка независимой пластины GaN в смеси азотной и соляной кислот (NHO₃:HCl)1. Cleaning an independent GaN plate in a mixture of nitric and hydrochloric acids (NHO ₃ : HCl)

2. Шлифование и полирование поверхности GaN согласно стандартным методикам.2. Grinding and polishing the surface of GaN according to standard methods.

В свете представленного описания, специалисту в данной области техники очевидно множество альтернатив, модификаций и изменений способа по настоящему изобретению. Предполагается, что объем защиты настоящего изобретения определен прилагаемой формулой изобретения, а не представленным описанием, и все такие альтернативы, модификации и изменения, которые представляют совместный объединенный эквивалент, включены в сущность и объем данной формулы изобретения. Более того, в отношении представленного выше подробного описания изобретения следует отметить, что, поскольку изобретение может быть реализовано во множестве воплощений, без выхода за пределы области формулы изобретения, следует понимать, что представленные выше примеры и чертежи приведены только с целью иллюстрации, и их не следует рассматривать как определение границ изобретения.In light of the above description, a person skilled in the art will recognize many alternatives, modifications and variations of the method of the present invention. It is intended that the scope of protection of the present invention be defined by the appended claims, and not by the description, and all such alternatives, modifications, and changes that represent a joint combined equivalent are included within the spirit and scope of this claims. Moreover, with respect to the above detailed description of the invention, it should be noted that, since the invention can be implemented in many embodiments, without going beyond the scope of the claims, it should be understood that the above examples and drawings are for illustrative purposes only and are not should be construed as defining the scope of the invention.

Claims

1. A method of obtaining an independent substrate (100) from group III nitride, comprising the following stages:
- deposition of the first layer (102) of group III nitride on a substrate (101) for growing;
- the formation of a mechanically weakened sacrificial layer (110) in the structure thus obtained;
- deposition of the second layer (107) of group III nitride on the first layer (102) of group III nitride and
- separation of the second layer (107) of group III nitride from the substrate (101) for growing along a mechanically weakened sacrificial layer (110),
characterized in that the step of forming a mechanically weakened sacrificial layer (110) includes:
- the formation of vertical holes (105) extending downward from the free surface of the first layer (102) of group III nitride to the interface (109) between the first layer (102) of group III nitride and the substrate (101) for growing, and
- lateral etching, through the holes (105), of the first layer (102) of group III nitride in the specified boundary region (109);
and in the deposition step of the second layer (107) of group III nitride, lateral overgrowth of holes (105) is provided to provide a continuous layer.

2. The method according to p. 1, in which the second layer (107) of group III nitride is deposited at a temperature greater than or equal to 700 ° C, to facilitate the separation of the second layer (107) of group III nitride from the substrate (101) for growing on the sacrificial layer (110) by thermal stress arising during cooling of the resulting structure from the specified deposition temperature.

3. The method according to p. 1 or 2, in which, with the specified formation of holes (105), a metal masking layer (103) is formed on the first layer (102) of group III nitride and a pattern is applied onto it to produce holes (104) in it and the first layer (102) of group III nitride is etched through holes (104) in the metal mask layer (103).

4. The method according to claim 3, wherein said lateral etching of the first layer of group III nitride in said boundary region (109) comprises electrochemical etching using a metal mask layer (103) as an electrode to which a DC bias voltage is applied.

5. The method according to claim 4, wherein said lateral etching of the first layer of group III nitride in the specified boundary region (109) includes the action of UV radiation on the boundary region (109) to effect photochemical etching.

6. The method according to any one of paragraphs. 1-4, comprising the step of annealing the layers (102, 107) on the substrate (101) at a temperature of thermal decomposition of the nitride of the first layer (102) of group III nitride in the boundary region.

7. The method according to p. 6, in which during the annealing stage provide an atmosphere of ammonia surrounding the layers (102, 107) on the substrate (101).