專(zhuān)利名稱(chēng)：獲得大面積高質(zhì)量GaN自支撐襯底的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及橫向外延技術(shù)、氫化物氣相外延(HVPE)厚膜技術(shù)以及激光剝離技術(shù)制備大面積自支撐氮化鎵(GaN)襯底的方法。
二、技術(shù)背景以GaN及InGaN、AlGaN合金材料為主的III-V族氮化物材料(又稱(chēng)GaN基材料)是近幾年來(lái)國(guó)際上倍受重視的新型半導(dǎo)體材料，是短波長(zhǎng)半導(dǎo)體光電子器件和高頻、高壓、高溫微電子器件制備的最優(yōu)選材料。
由于GaN本身物理性質(zhì)的限制，GaN體單晶的生長(zhǎng)具有很大的困難，尚未實(shí)用化。由于缺乏體單晶，GaN薄膜的獲得主要靠異質(zhì)外延。最常用的襯底材料是藍(lán)寶石(α-Al2O3)。巨大的晶格失配和熱失配導(dǎo)致了GaN外延層中高密度的位錯(cuò)，典型的可達(dá)1010/cm2，嚴(yán)重影響了器件的性能和壽命。目前降低位錯(cuò)密度的關(guān)鍵技術(shù)是采用橫向外延(Epitaxial-Lateral-Overgrown，ELO)的方法，位錯(cuò)密度可以降低4～5個(gè)量級(jí)以上。橫向外延就是在已經(jīng)獲得的GaN平面材料上淀積掩蔽材料(如SiO2、Si3N4、W等)并刻出特定的圖形窗口，再在其上進(jìn)行GaN的二次外延。由于符合“準(zhǔn)自由”生長(zhǎng)條件，且生長(zhǎng)方向垂直于原GaN位錯(cuò)的攀移方向，因而有很高的質(zhì)量。
大面積GaN襯底通常都是在異質(zhì)襯底(如藍(lán)寶石、SiC、Si等)上氣相生長(zhǎng)GaN厚膜，然后將原異質(zhì)襯底分離后獲得的。其中在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN最普遍，質(zhì)量也最高。為了得到自支撐GaN襯底，必須除去藍(lán)寶石襯底。由于藍(lán)寶石極其穩(wěn)定，難以采用化學(xué)腐蝕方法。一般的方法是機(jī)械磨削，但因藍(lán)寶石很硬，不僅要消耗大量的金剛石磨料，成本很高而且速度極慢。采用激光輻照的方法，利用激光對(duì)GaN厚膜和襯底的界面區(qū)加熱使之熔化，從而獲得自支撐的GaN襯底。仔細(xì)控制激光能量密度及掃描方式，可以獲得大面積無(wú)裂縫的GaN襯底。與其他方法相比，激光剝離方法的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間快，藍(lán)寶石襯底可回收使用。
GaN薄膜的生長(zhǎng)主要有金屬有機(jī)物氣相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氫化物氣相外延(HVPE)等。與MOCVD、MBE相比，HVPE技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)生長(zhǎng)速率很高，每小時(shí)可達(dá)幾十甚至幾百微米；高的橫向-縱向生長(zhǎng)率比；沒(méi)有孔洞和黃帶；可以生長(zhǎng)大面積薄膜等。結(jié)合ELO技術(shù)，可以生長(zhǎng)高質(zhì)量的GaN薄膜。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是在MOCVD、MBE或其他方法生長(zhǎng)GaN籽晶層上沉積、蝕刻掩模層圖形(SiO2、Si3N4、W等)；然后用HVPE方法進(jìn)行橫向外延生長(zhǎng)，得到GaN/藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)的厚膜。用激光掃描輻照技術(shù)將藍(lán)寶石襯底與GaN厚膜分離，獲得高質(zhì)量GaN自支撐襯底。
低位錯(cuò)密度GaN薄膜的生長(zhǎng)方法如下述在GaN籽晶層上沉積SiO2、Si3N4、W等薄膜，利用光刻方法蝕刻出一定的圖形，低位錯(cuò)密度GaN薄膜，圖形形狀主要有平行長(zhǎng)條狀和正六方形。對(duì)于平行長(zhǎng)條狀，掩摸區(qū)寬度2-20μm，GaN窗口區(qū)寬度0.2-20μm，平行長(zhǎng)條狀的開(kāi)口方向是沿GaN的[1ī00]取向。正六邊形的開(kāi)口，使GaN的[1ī00]取向垂直于正六邊形的邊，然后用MOCVD或HVPE方法外延生長(zhǎng)GaN，直至掩模層被GaN鋪滿(mǎn)，繼續(xù)生長(zhǎng)得到低位錯(cuò)密度氮化鎵薄膜。
激光剝離制備自支撐氮化鎵襯底時(shí)采用準(zhǔn)分子激光器激光波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的能量小于藍(lán)寶石帶隙能，但是大于GaN的帶隙能，激光輻照透過(guò)藍(lán)寶石襯底，輻照藍(lán)寶石-氮化鎵界面處的GaN，然后加熱或弱酸腐蝕，將GaN和藍(lán)寶石分離開(kāi)來(lái)，得到GaN自支撐襯底。
本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)是本發(fā)明結(jié)合了三種不同技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)橫向外延技術(shù)可以獲得高質(zhì)量的位錯(cuò)密度的GaN薄膜；氫化物氣相外延技術(shù)可以快速生長(zhǎng)大面積的幾十甚至幾百微米厚的GaN厚膜；而激光剝離技術(shù)可以快速地?zé)o損傷的將GaN薄膜從藍(lán)寶石襯底上分離開(kāi)來(lái)。所以采用激光剝離技術(shù)，將氫化物氣相外延生長(zhǎng)的橫向外延GaN薄膜從藍(lán)寶石襯底上剝離下來(lái)，就可以獲得大面積高質(zhì)量的自支撐GaN襯底。
具體實(shí)施例方式
具體步驟如下1、獲得MOCVD、MBE或其他方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN籽晶層。
在步驟1的GaN籽晶層上進(jìn)行橫向外延生長(zhǎng)，直至GaN薄膜覆蓋整個(gè)掩摸區(qū)，得到ELO-GaN/掩模層/GaN/藍(lán)寶石薄膜結(jié)構(gòu)。掩模層采用柔性襯底如SiO2、Si3N4、W等薄膜。掩膜圖形可以采用平行長(zhǎng)條狀和六方形，圖形形狀主要有平行長(zhǎng)條狀和正六方形。對(duì)于平行長(zhǎng)條狀，掩摸區(qū)寬度2-20μm，GaN窗口區(qū)寬度0.2-20μm，平行長(zhǎng)條狀的開(kāi)口方向是沿GaN的[1ī00]取向。正六邊形的開(kāi)口，使GaN的[1ī00]取向垂直于正六邊形的邊。一般地，掩模區(qū)都大于GaN窗口區(qū)。
2、在步驟2中的ELO GaN薄膜上進(jìn)行氫化物氣相外延生長(zhǎng)，直至所需要的厚度。
3、激光剝離獲得GaN自支撐薄膜。選擇合適的激光器，將具有一定能量密度的激光垂直入射穿過(guò)藍(lán)寶石，按照一定的方式，掃描輻照藍(lán)寶石/GaN界面，將藍(lán)寶石襯底和GaN厚膜分離開(kāi)來(lái)。激光波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的能量小于藍(lán)寶石帶隙能，但是大于GaN的帶隙能。激光能量密度依采用激光波長(zhǎng)的不同，有一定的適合使用的范圍。本實(shí)施例采用KrF紫外光受激準(zhǔn)分子激光器(波長(zhǎng)248nm，脈沖寬38ns)。
4、將步驟4得到的GaN自支撐薄膜進(jìn)行表面拋光等加工處理，就可以獲得大面積、低位錯(cuò)密度、自支撐GaN襯底。
權(quán)利要求
1.獲得大面積高質(zhì)量GaN自支撐襯底的方法，其特征是首先在藍(lán)寶石襯底上橫向外延獲得低位錯(cuò)密度GaN薄膜；然后在ELO GaN薄膜上進(jìn)行氫化物氣相外延，獲得大面積、低位錯(cuò)密度的GaN厚膜；采用激光掃描輻照剝離技術(shù)，將GaN厚膜從藍(lán)寶石襯底上剝離下來(lái)，再進(jìn)行表面拋光處理，就可以獲得高質(zhì)量GaN自支撐襯底。
2.由權(quán)利要求1所述的獲得大面積高質(zhì)量GaN自支撐襯底的方法，其特征是低位錯(cuò)密度GaN薄膜的生長(zhǎng)方法如下述在GaN籽品層上沉積SiO2、Si3N4、W等薄膜，利用光刻方法蝕刻出一定的圖形，低位錯(cuò)密度GaN薄膜，圖形形狀主要有平行長(zhǎng)條狀和正六方形。對(duì)于平行長(zhǎng)條狀，掩摸區(qū)寬度2-20μm，GaN窗口區(qū)寬度0.2-20μm，平行長(zhǎng)條狀的開(kāi)口方向是沿GaN的[1ī00]取向。正六邊形的開(kāi)口，使GaN的[1ī00]取向垂直于正六邊形的邊，然后用MOCVD或HVPE方法外延生長(zhǎng)GaN，直至掩模層被GaN鋪滿(mǎn)，繼續(xù)生長(zhǎng)得到低位錯(cuò)密度氮化鎵薄膜。
3.由權(quán)利要求1所述的獲得大面積高質(zhì)量GaN自支撐襯底的方法，其特征是激光剝離制備自支撐氮化鎵襯底時(shí)采用準(zhǔn)分子激光器激光波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的能量小于藍(lán)寶石帶隙能，但是大于GaN的帶隙能，激光輻照透過(guò)藍(lán)寶石襯底，輻照藍(lán)寶石-氮化鎵界面處的GaN，然后加熱或弱酸腐蝕，將GaN和藍(lán)寶石分離開(kāi)來(lái)，得到GaN自支撐襯底。
全文摘要
獲得大面積高質(zhì)量GaN自支撐襯底的方法,首先在藍(lán)寶石襯底上橫向外延獲得低位錯(cuò)密度GaN薄膜;然后在ELO GaN薄膜上進(jìn)行氫化物氣相外延,獲得大面積、低位錯(cuò)密度的GaN厚膜;采用激光掃描輻照剝離技術(shù),將GaN厚膜從藍(lán)寶石襯底上剝離下來(lái),再進(jìn)行表面拋光處理,就可以獲得高質(zhì)量GaN自支撐襯底。本發(fā)明結(jié)合了三種不同技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):獲得高質(zhì)量的位錯(cuò)密度的GaN薄膜;可以快速生長(zhǎng)大面積GaN厚膜;可以快速地?zé)o損傷的將GaN薄膜從藍(lán)寶石襯底上分離開(kāi)來(lái)。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1381870SQ02113080
公開(kāi)日2002年11月27日 申請(qǐng)日期2002年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月31日
發(fā)明者張 榮, 修向前, 徐劍, 顧書(shū)林, 盧佃清, 畢朝霞, 沈波, 劉治國(guó), 江若璉, 施毅, 朱順明, 韓平, 胡立群 申請(qǐng)人:南京大學(xué)