一种GaN单晶自支撑衬底的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮化镓单晶自支撑衬底的制备方法，所述的方法包括应力释放的GaN籽晶模板制备和背部刻蚀剥离蓝宝石的方法。所述的应力释放的GaN籽晶模板是在蓝宝石上生长GaN籽晶，通过控制GaN籽晶的厚度和降温的条件，实现控制失配应力以裂纹的形式在蓝宝石上释放，同时保持GaN籽晶层表面无裂纹，可使整个GaN/蓝宝石外延层应力势能降低，进而降低厚膜GaN外延层的位错密度，避免厚膜GaN开裂；背部刻蚀剥离蓝宝石方法是在厚膜GaN生长结束后使用刻蚀剂透过蓝宝石背后的裂纹实现对厚膜GaN背面(N极性面)的刻蚀，通过背部刻蚀可降低GaN/蓝宝石界面的结合强度，使得蓝宝石更容易剥离，有效避免剥离造成的厚膜GaN开裂，有利于产业化。

【技术实现步骤摘要】
一种GaN单晶自支撑衬底的制备方法
本专利技术涉及一种GaN自支撑衬底的制备方法，具体涉及预释放应力的GaN籽晶模板制备技术及GaN厚膜与衬底的剥离技术。
技术介绍
以GaN为代表的第三代半导体材料，是最重要的宽带隙半导体材料之一。它们特有的带隙范围、优良的光、电学性质和优异的材料机械性质使其在从蓝绿到紫外波段的发光器件、紫外探测器、外空间和海底通讯、电子器件以及特殊条件下工作的半导体器件等领域有着广泛的应用前景。GaN器件的制备受制于外延衬底。通常，GaN基器件主要异质外延在蓝宝石、SiC等单晶衬底上，衬底与外延层之间巨大的晶格失配和热失配，会在外延层之间产生很高的应力和大量的位错，导致GaN基器件的性能下降。因此降低位错密度可以显著提高器件性能，延长器件寿命；若使用同质GaN衬底，则不会产生晶格失配和热失配。因此获得高性能的GaN基器件的关键是获得高质量的GaN同质外延衬底。GaN晶体可以通过使用GaN籽晶同质外延生长获得，也可以使用晶格常数相近的籽晶异质外延获得。由于外延生长的设备和GaN籽晶的限制，通常使用异质籽晶作为生长GaN厚膜的籽晶材料。GaN同质外延衬底的制备工艺中生长和剥离是关键的两个步骤。通常是GaN同质外延衬底的制备是在蓝宝石、SiC等单晶衬底上先使用氢化物气相外延、钠熔法、氨热法等方法外延生长出厚膜的GaN，然后通过剥离底部的单晶模板获得自支撑的GaN单晶衬底。在传统的GaN自支撑衬底的生长工艺中，由于异质模板和外延生长的GaN晶体之间存在较大的晶格失配和热失配，失配产生的应力会导致GaN晶体中位错密度增加，故要生长出高质量低位错密度GaN晶体，就必须降低失配产生的应力，因而需要对异质单晶模板进行图形化设计。如：美国专利US7928447B2,及文献“Self-SeparationofLargeFreestandingSemipolarfillUsingr-PlanePatternedSapphireSubstrates{11-22}GaNFilms”JapaneseJournalofAppliedPhysics52(2013)08JA09)所报道，通过图形化设计，可以使得异质单晶籽晶模板和GaN厚膜之间的应力集中于生长窗口区，进而降低横向外延过生长区域的厚膜GaN应力，最终使得整个GaN外延层的位错密度降低。要获得同质的GaN外延衬底，另一个重要的步骤就是剥离模板，即将厚膜GaN晶体从异质籽晶模板上剥离出来。通常剥离工艺可以通过激光剥离、自剥离、机械剥离、化学腐蚀剥离等技术实现。激光剥离技术常应用于分离蓝宝石衬底上生长的GaN，激光剥离对GaN晶体的平整度要求较高，且不易剥离较大尺寸的GaN晶体；自剥离技术利用热失配产生的应力作用于外延GaN晶体与异质单晶模板的特定连接处使得外延层和模板断裂分离，自剥离的过程中的热应力会往往会造成GaN外延层的破裂，或者外延层无法剥离，自剥离技术对GaN晶体的生长工艺、图形化衬底的设计及制作要求较高，自剥离获得完整的GaN晶体成品率较低；机械剥离使用机械研磨切削除去单晶模板，但是机械剥离适用于硬度较低且易碎的单晶衬底，化学腐蚀剥离应用能除去单晶模板且不易腐蚀GaN衬底的化学试剂除去背部的单晶衬底，化学剥离要求单晶衬底的热稳定好且易于腐蚀。综上，在异质模板上生长厚膜GaN晶体对生长工艺、图形化模板设计和制作、剥离工艺都提出较高的要求。苛刻的工艺条件对GaN同质外延衬底的产业化提出了挑战，因此如果能在不需要图形化的异质模板上生长出结晶质量较高的GaN晶体，并且容易实现剥离异质模板，将有利于简化GaN自支撑衬底的制备工艺，对其产业化具有重要的意义。从而引导出本专利技术的构思。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在蓝宝石模板上制备GaN自支撑衬底的方法，所述的方法包括预释放应力的GaN籽晶模板的制备及背部刻蚀剥离蓝宝石模板两个关键技术。由于蓝宝石晶体晶格参数与GaN接近，且蓝宝石的生产技术成熟、稳定性佳，能够运用在高温生长过程中，并且机械强度高，因此制备GaN自支撑衬底通常采用蓝宝石晶体作为模板。但蓝宝石与GaN之间存在较大的晶格失配(失配率约为16％)和热应力失配(蓝宝石和GaN的热膨胀系数分别为7.5×10-6/K和5.59×10-6/K)，所以在蓝宝石衬底上生长厚膜GaN需要采用缓冲层技术、横向外延过生长技术等降低外延层应力及位错密度，避免厚膜GaN开裂，进而改善晶体性能。即便如此，在蓝宝石模板的窗口区和横向外延层的交汇区仍然会残留大量的穿透位错，并且异质外延生长的材料仍然会存在残余应力，而穿透位错和残余应力会降低器件的性能和寿命。针对蓝宝石上生长的GaN晶体中会存在失配产生的应力，采用应力预释放技术制备GaN籽晶模板，并使用该模板上生长厚膜GaN，在生长厚膜GaN过程中，应力预释放模板可有效降低外延层和蓝宝石模板之间的由失配产生的应力。其中应力预释放技术是指在制备GaN/蓝宝石单晶模板的工艺中，在GaN/蓝宝石模板的的蓝宝石表面中引入微裂纹、或裂纹等能吸收应力的结构，外延生长厚膜GaN产生的失配应力可释放于上述结构，进而降低外延层的位错密度，避免厚膜GaN开裂。据报道，在GaN/蓝宝石之间的应力可以通过位错、缺陷、裂纹释放，其中裂纹是一种有效的应力释放方式(参考“CrackingofGaNfilm”，J.Appl.Phys.,Vol.89,No.2,15，January2001)。控制微裂纹或裂纹产生的位置是应力预释放技术制备GaN籽晶模板的关键所在。若微裂纹或裂纹产生在GaN晶体中，扩散至GaN籽晶表面则会影响后续GaN厚膜的外延生长；若裂纹或微裂纹产生在蓝宝石中或蓝宝石/GaN的界面处，则不会对后续的厚膜GaN外延层生长产生影响还可以释放热失配产生的应力。所以应控制微裂纹或裂纹仅限于在蓝宝石或蓝宝石/GaN的界面处，GaN外延层中应力主要来源于晶格失配和热失配，其中晶格失配应力在外延产生初期产生。以c面蓝宝石上外延GaN为例，外延生长GaN时由于晶格失配受到双轴拉应力的作用，并且应力所产生的弹性势能随外延层厚度的增大而逐渐积累，并通过在外延层中产生位错、裂纹逐渐弛豫。当外延层的厚度超过临界厚度时(30nm-10μm)，积累的弹性势能会在通过在GaN外延层中产生裂纹和穿透位错得以释放，再继续外延生长时，GaN晶体中产生的裂纹会逐渐被修复。热应力是造成外延层开裂的重要原因。在降温过程中，由于蓝宝石的热膨胀系数大于GaN的热膨胀系数，在蓝宝石和GaN厚膜外延层之间会产生热应力。热应力在开始降温时产生，随降温的温差增加而增加，当蓝宝石模板的厚度远大于GaN外延层的厚度时，GaN外延层受双轴压应力，而蓝宝石受到双轴拉应力。比较蓝宝石和GaN产生裂纹的条件，蓝宝石的抗拉强度为2.2GPa，而GaN抗压屈服应力为12Gpa,可以发现蓝宝石更容易被双轴拉应力拉裂，当蓝宝石开裂后，GaN所受的压应力降低。如图1所示，通过控制GaN外延层的厚度和降温的温度条件可以实现控制外延层中的应力分布，进而使得热失配产生的应力通过蓝宝石上的裂纹释放，整个GaN/蓝宝石外延层应力势能降低。基于上述机理，制备应力预释放的GaN籽晶模板，使用该模板外延生长厚膜GaN能有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaN单晶自支撑衬底的制备方法，其特征在于所述方法包括应力释放的GaN籽晶模板的制备和背部刻蚀剥离蓝宝石；其中，(一)预应力释放的GaN籽晶模板的制备步骤是：①在蓝宝石衬底上生长GaN籽晶；②通过控制GaN籽晶的厚度和降温的条件，实现控制失配的应力以裂纹的形式在蓝宝石上释放，同时保持GaN籽晶层表面无裂纹，使整个GaN/蓝宝石外延层应力势能降低，进而降低后续厚膜GaN外延层的位错密度，避免厚膜GaN开裂；(二)背部刻蚀剥离蓝宝石是在厚膜GaN生长结束后使用刻蚀剂透过蓝宝石背后的裂纹实现对厚膜GaN背面N极性面的刻蚀；背部刻蚀后，使用机械研磨工艺将残留的蓝宝石除去，获得无裂纹的GaN单晶自支撑衬底。

【技术特征摘要】
1.一种GaN单晶自支撑衬底的制备方法，其特征在于所述方法包括预应力释放的GaN/蓝宝石籽晶模板的制备和背部刻蚀剥离蓝宝石；其中，(一)预应力释放的GaN/蓝宝石籽晶模板的制备步骤是：①在蓝宝石衬底上生长GaN籽晶，获得GaN/蓝宝石衬底；②在所述GaN/蓝宝石衬底上生长厚度为50μm的GaN厚膜；③通过控制GaN籽晶的厚度和降温的条件，实现控制失配的应力以裂纹的形式在蓝宝石上释放，同时保持GaN籽晶表面无裂纹，获得预应力释放的GaN/蓝宝石籽晶模板，整...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，于广辉，赵志德，徐伟，张燕辉，陈志蓥，隋妍萍，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31