宽禁带半导体材料的生长和分离方法技术

一种宽禁带半导体材料的生长和分离方法。该方法相比化学法腐蚀衬底、激光剥离衬底等传统方法，可实现更加低成本和高效率的目的。本发明专利技术利用横向过生长所需的掩膜层，通过外部输入电压信号，使得缓冲层薄膜产生变化，实现了HVPE外延生长的氮化镓层与衬底分离的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体光电子领域，涉及半导体薄膜材料的外延生长和氢化物气相沉积(HVPE)
，尤其涉及一种利用氮化物的缓冲层的逆压电性实现外延生长层和衬底分离的方法。
技术介绍
以氮化镓、氮化铝和其合金为代表的宽禁带半导体，在蓝光及白光LED、氮化镓基激光器等光电子器件得到了广泛的应用，并在功率电子器件领域具有可观的应用前景。由于氮化镓的本征热力学因素(熔点达2800K，熔点附近的平衡蒸气压达4.5GPa)，自然界缺乏天然氮化镓晶体，且经液相人工制备单晶氮化镓的条件极其苛刻，目前的单晶氮化镓仍多以异质衬底上的气相外延沉积法为主流。由于异质衬底与氮化镓的晶格常数失配和热膨胀系数失配，异质外延生长常伴有氮化镓位错缺陷密度大、生长温度冷却至室温过程中晶片易开裂及晶圆翘曲严重等问题。目前氮化镓与衬底的人工分离方法有化学法腐蚀衬底、激光剥离衬底等传统的商业化方法。前者的缺点在于完全牺牲了衬底且用于腐蚀的强酸/碱溶液属于危险化学品，其安全使用与绿色处理会附加大量成本。后者的缺点是技术难度较大且激光器等设备的投入成本较高。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种外延生长氮化镓并随后分离氮化镓和衬底的方法。该方法相比化学法腐蚀衬底、激光剥离衬底等传统方法，可实现更加有效、低成本和高效率的目的。本专利技术方法技术方案表征为：一种宽禁带半导体材料的生长和分离方法，具体为氮化镓(GaN)的生长和分离方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)选择能导电的初始衬底，视为电极层；。关键在于对具有良好导电性的确定，该衬底还应具有可供外延生长等要求，属于本领域普通技术人员具备的常规知识。(2)在步骤(1)导电的衬底上外延生长中间层，该中间层的材料是绝缘的具有压电性。(3)在步骤(2)所得的中间层上沉积生长掩膜层，该掩膜层能导电。(4)在步骤(3)所得的导电的掩膜层表面刻蚀出呈间隔状分布的条形窗口和掩膜条，掩膜条之间通过导体连接，使得在通电后间隔状的掩膜层能为一体状的通电导体，视为第二电极层。(5)在步骤(4)所得蚀刻后的导电掩膜层上进行氮化镓的选择性外延生长，获得氮化镓外延层。(6)将步骤(5)所得样品的两端施加电压，其中导电的衬底和掩膜层分别作为正、负电极(或负、正极)接入电路中形成闭合回路。通过中间层的压电极化及由此产生可观的形变储能，使预埋在掩膜条上方的同数量的微米级的空洞(后文通称微空洞)在中间层和氮化镓层的异质界面处发生扩展，使得一部分相邻的微空洞互相连通形成较大的微空洞，并继续扩展和吞并相连的微空洞，从而实现了氮化镓层和衬底的分离。步骤(1)中，优选采用掺杂的碳化硅衬底，可以是n型掺杂的碳化硅衬底，也可以由硅、砷化镓等衬底来替代。步骤(1)中，所述导电的初始衬底，选择实现的方式是有：直接选择能具有导电性质的初始衬底；或者在具有介电性的初始衬底底部沉积或涂覆导电材料形成电极层，从而使介电性的初始衬底自身与压电性的中间层复合成为新的中间层，但此时要达到相同的电场强度则需要极大的增大输入的电压值。步骤(2)中，所述中间层优选采用氮化铝，其厚度可以为20-200nm。步骤(2)中，所述中间层的压电极化的方向与施加的电场方向平行为宜。步骤(4)中，优选实施方式：光刻区域为圆形区域，在圆周上留出边缘环状掩膜，该边缘环状掩膜将内部区域的条形掩膜群连接，形成一体状(如图)。步骤(6)中，所述闭合回路的信号可以是交流也可以是直流：直流时，需要增加中间层的厚度设计，以极化产生更大的形变储能；交流时，高频情形利用了压电谐振效应来显著增大形变储能，或低频情形下通过简单的交替应力以机械疲劳的原理实现微空洞的逐步积累扩展，实现最终分离的目的。步骤(6)中，所述的闭合回路优选为包含函数发生器和信号放大器的组合电路，通过函数发生器输出接近压电中间层材料的共振频率的交流电压，激发中间层产生共振，增加形变储能，从而实现氮化镓生长层和衬底之间更有效、快速分离。本专利技术技术方案巧妙选择具有导电性的初始衬底、掩膜层，将两者视为两个电极层，同时电极层间的缓冲层选择绝缘材料，视为压电层，如此构建平行板电容器模型；掩膜层刻蚀出间隔的掩膜条，掩膜条之间导线连接，在两个电极层上外加电压形成闭合回路。本专利技术技术方案之巧妙，实现方式之简单，保留了本领域氮化镓(GaN)生长的常规工艺，解决了异质衬底与氮化镓的分离成本。进一步说，技术方案步骤(6)中采用原位分离，即在冷却前建立闭合回路并实施加电压分离时，则从根本上彻底地解决了本领域长期一直困扰的异质衬底与氮化镓外延层的失配尤其是热失配的问题，同时降低异质衬底与氮化镓的分离成本，是走向高效生产低成本、大尺寸的氮化镓衬底的必由之路。附图说明图1是HVPE外延氮化镓的纵向生长和横向过生长的纵向截面示意图。图2是氮化铝模板上的光刻区内钨掩膜条及边缘环形未光刻区示意图。图3是氮化镓(GaN)生长结构示意图。图4是经典断裂理论中裂纹扩展基本形式之一的滑开型(II型)示意图。图5是氮化镓衬底的周期性结构受力示意图。图6是提供压电极化的电场信号的电路元件及回路示意图。图7是本专利技术方法构成的衬底构造的平行板电容器模型简示(其中灰色部分表示B层被极化的部分，白色箭头表示极化方向，黑色箭头表示电场方向。本图中，二者方向平行且相反)。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的氮化镓衬底的生长和剥离方式作进一步说明。实施方式仅用于说明本说明，并非用于限定本专利技术。本领域的技术人员，在不脱离本专利技术的精神和范围的情况下，可以对本专利技术做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本专利技术的范畴，本专利技术的专利保护范围应视权利要求书范围限定。图7所示了本专利技术方法构成的衬底构造模型及闭合回路。其中，A表示导电性良好的衬底，B表示绝缘的压电层，C表示导电性良好的掩膜层，B层材料具有压电性，在A、C之间加电压后，形成平行电容板结构，使得处于中间的B层发生扩张或收缩的变形(扩张或收缩取决于极化方向和电场方向的数量积的正负)。实施例1步骤(1)，本专利技术实施例1采用的初始衬底A是n型掺杂的2英寸4H-SiC衬底。本领域公知，当掺杂浓度大于某定值，随着载流子浓度的增加，SiC以至于所有的半导体衬底都可获得良好的导电性。本专利技术不保护选择的具体材料本身，技术方案的关键在于对材料应该具有导电性质的确定。具体应用时，材料同时还必须具备的其他特点，由本领域普通技术人员根据常规技术知识确定即可。步骤(2)，使用金属有机气相沉积系统(MOCVD)在衬底A表面外延生长AlN形核层/缓冲层，该层即为绝缘的压电层B，生长面是c面(0001)，因此极化方向平行于电场方向。生长温度为1100摄氏度，厚度是50nm。本实施例中，在衬底A表面也可以考虑生长AlGaN作为压电层B。本领域公知，未掺杂的AlN、AlGaN都有绝缘性，同时又能作为最终外延物GaN的形核层。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽禁带半导体材料的生长和分离方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)选择能导电的初始衬底，视为电极层；(2)在步骤(1)导电的衬底上外延生长中间层，该中间层的材料是绝缘的具有压电性。(3)在步骤(2)所得的中间层上沉积生长掩膜层，该掩膜层能导电。(4)在步骤(3)所得的导电的掩膜层表面刻蚀出呈间隔状分布的条形窗口和掩膜条，掩膜条之间通过导体连接，使得在通电后间隔状的掩膜层能为一体状的通电导体，视为第二电极层。(5)在步骤(4)所得蚀刻后的导电掩膜层上进行氮化镓的选择性外延生长，获得氮化镓外延层。(6)将步骤(5)所得样品的两端施加电压，其中导电的衬底和掩膜层分别作为正、负电极(或负、正极)接入电路中形成闭合回路。

【技术特征摘要】
1.一种宽禁带半导体材料的生长和分离方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选择能导电的初始衬底，视为电极层；
(2)在步骤(1)导电的衬底上外延生长中间层，该中间层的材料是绝缘
的具有压电性。
(3)在步骤(2)所得的中间层上沉积生长掩膜层，该掩膜层能导电。
(4)在步骤(3)所得的导电的掩膜层表面刻蚀出呈间隔状分布的条形窗
口和掩膜条，掩膜条之间通过导体连接，使得在通电后间隔状的掩膜层能为一体
状的通电导体，视为第二电极层。
(5)在步骤(4)所得蚀刻后的导电掩膜层上进行氮化镓的选择性外延生
长，获得氮化镓外延层。
(6)将步骤(5)所得样品的两端施加电压，其中导电的衬底和掩膜层分
别作为正、负电极(或负、正极)接入电路中形成闭合回路。
2.如权利要求1所述的宽禁带半导体材料的生长和分离方法，其特征在于，
步骤(1)中，所述具有导电能力的初始衬底，采用掺杂的碳化硅衬底、掺杂的
硅衬底、或掺杂的砷化镓衬底。
3.如权利要求1所述的宽禁带半导体材料的生长和分离方法，其特征在于，
步骤(1)中，所述导电的初始衬底，选择实现的方式是有：
直接选择能具有导电性质的初始衬底；或者
在具有介电性的初始衬底底部沉积或涂覆导电材料形成电极层。
4.如权利要求1所述的宽禁带半导体材料的生长和分离方法，其特征在于，
步骤(2)中，所述中间层其压电极化的方向与施...

【专利技术属性】
技术研发人员：王嘉，秦宇航，
申请(专利权)人：上海澜烨材料技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31