制备自支撑GaN衬底的自分离方法技术

本发明专利技术公开了一种制备自支撑氮化镓衬底的自分离方法，其步骤包括：在蓝宝石衬底上生长厚度范围在0.1‑1微米且分布均匀的氧化镓薄膜；在氨气气氛中对薄膜进行全部氮化，形成网格状分布的多孔氮化镓薄膜；在该多孔氮化镓薄膜上进行氮化镓厚膜的卤化物气相外延生长，获得低应力高质量氮化镓厚膜；外延完成后，降温至室温，外延氮化镓厚膜与蓝宝石衬底之间自然分离，得到自支撑氮化镓厚膜。

【技术实现步骤摘要】
制备自支撑GaN衬底的自分离方法
本专利技术涉及到一种制备自支撑GaN衬底的自分离方法，属于半导体材料

技术介绍
以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。GaN基材料是直接带隙宽禁带半导体材料，具有1.9—6.2eV之间连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能，在短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备等方面具有重要的应用，可用于制造比如蓝、紫、紫外波段发光器件，探测器件，高温、高频、高场大功率器件，场发射器件，抗辐射器件，压电器件等。GaN单晶的熔点高达2300℃，分解点在900℃左右，生长需要极端的物理环境，而且大尺寸GaN单晶无法用传统晶体生长的方法得到。所以大多数的GaN薄膜都是在异质衬底上外延得到的。目前应用于半导体技术的GaN主要是采用异质外延方法在蓝宝石、SiC或Si等衬底上制备。在异质外延中，由于GaN材料和异质衬底之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配，而且无论采用机械抛光或者激光剥离去除异质衬底，应力仍然会存在于GaN材料中，得到的GaN外延层中会有应力并产生处于108-109/cm2量级的位错密度，这些缺陷降低了外延层的质量，限制了GaN材料的热导率、电子饱和速度等参数，大大影响了器件的可靠性、成品率，而且巨大的应力会造成GaN厚膜和异质衬底裂成碎片，因而无法应用。因此采用同质外延，有利于降低外延薄膜中的应力，提高质量和成品率。GaN衬底生长主要有气相法和液相法。液相法包括高压氮气溶液法、钠助熔剂法和氨热法等；气相法有气相输运法和卤化物气相外延法等。目前获得高质量GaN自支撑衬底并将实现量产的主要方法是采用横向外延、悬挂外延等方法，辅以卤化物气相外延法高速率外延技术生长厚膜，最后将原衬底去除，从而获得位错密度较低的自支撑GaN衬底材料。迄今为止，采用各种技术工艺并辅以卤化物气相外延生长得到的自支撑GaN衬底，位错密度低于106cm-2，面积已经达到2英寸。但是仍然远远不能满足实际应用的需求。氧化镓(Eg＝4.8-4.9eV)作为新型超宽禁带半导体，具有高导电率、高击穿场强等优点，在可见光和紫外光区域都具有高透明性。β-Ga2O3的(100)解离面在高温NH3气氛的氮化作用下会进行表面重建现象，表面重建产生与GaN晶格相匹配的表面，可以作为缓冲层进行后续外延生长GaN厚膜。这种同质衬底外延生长会显著降低厚膜中的应力和位错密度，提高GaN材料质量。
技术实现思路
本专利技术的目的是实现自支撑氮化镓衬底的自分离方法。本专利技术采取的技术方案为：一种制备自支撑GaN衬底的自分离方法，其步骤包括：(1)在蓝宝石衬底上用卤化物气相外延生长厚度范围在0.1-1微米且分布均匀的Ga2O3薄膜；(2)在氨气气氛中对Ga2O3薄膜进行完全氮化，形成多孔网格状单晶GaN薄膜；(3)在多孔网格状GaN单晶薄膜上进行GaN厚膜的卤化物气相外延生长，获得GaN厚膜；(4)外延完成后，降温至室温，外延GaN厚膜与衬底之间自然分离，得到自支撑GaN厚膜。优选的，步骤(2)中，将步骤(1)制得的的Ga2O3薄膜置于高温管式炉中，在氨气气氛下氮化1-3h，温度范围900-1100℃；得到多孔网格状的GaN薄膜；氨气流量：200-1000sccm。优选的，步骤(1)中，将衬底置于卤化物气相外延生长系统，在低温区，金属Ga与HCl或Cl2反应生成GaCl作为镓源，温度为850-900℃；在高温生长区，O2作为氧源，GaCl和O2混合发生反应，得到Ga2O3薄膜，高温区温度为850-1050℃，压力为1个大气压，O2/Ga输入流量比为1.5-15。优选的，步骤(1)中分布均匀是指氧化镓薄膜的厚度均匀性在90％以上。优选的，步骤(3)中将生长有GaN/Ga2O3复合薄膜的衬底置于卤化物气相外延生长系统中，在低温区，金属Ga与HCl或Cl2反应生成GaCl作为镓源，温度为850-900℃；在高温生长区，氨气作为氮源，GaCl和NH3混合发生反应，得到GaN厚膜，高温区温度为950-1100℃，压力为1个大气压。一般而言，GaN厚膜的生长时间在0.5h以上，厚度在10微米以上。优选的，若步骤(4)中降至室温后，外延GaN厚膜与衬底之间没有完全分离，则采用短波长激光辅助扫描的方法，从蓝宝石背面扫描外延薄膜和蓝宝石界面，实现外延薄膜和蓝宝石衬底之间的完整分离，获得GaN自支撑衬底。检测样品的X射线衍射，测不到氧化镓的信号即为表面层完全氮化。本专利技术将Ga2O3薄膜的厚度控制在0.1-1微米，完全氮化后，可形成多孔网格化的单晶GaN薄膜。当氧化镓薄膜厚度大于1微米时，完全氮化更困难，形成的是GaN/Ga2O3复合结构薄膜，高温下，氧容易持续扩散至外延层中去，形成高非故意掺杂浓度，降低材料质量。HF酸腐蚀获得单晶网状GaN薄膜，也是为了去除氧的影响；GaN/Ga2O3复合结构薄膜也可以实现自分离，分离不完整时用HF酸腐蚀得到自支撑衬底，相比GaN/Ga2O3复合结构薄膜而言，本专利技术生长工艺上更简单、成本更低。本专利申请的专利，全部工艺可以在卤化物气相外延生长系统中完成，避免外部工艺的污染，优化后可以更好的控制成本和质量。在上述含有GaN单晶薄膜的衬底上进行厚膜GaN的卤化物气相外延生长，可获得低应力高质量的GaN厚膜材料。氧化镓薄膜完全氮化形成氮化物是可以作为氮化镓的同质外延层，同时也可以防止后续卤化物气相外延时氧扩散至GaN中降低材料质量。由于氮化镓形成的网格结构降低了与蓝宝石衬底之间的接触及氮化镓内部应力得到释放，外延完成后，降温至室温，即可实现GaN厚膜与蓝宝石衬底的自分离从而获得自支撑GaN衬底材料。外延薄膜和蓝宝石若未完全分离，可以进一步采用氢氟酸腐蚀的辅助方法得到自支撑GaN厚膜。上述氧化镓薄膜的HVPE生长、氮化、GaN厚膜的HVPE生长可以在HVPE系统中原位完成；也可以先进行氧化镓的HVPE生长，取出样品后在退火炉中氮化，氮化后再放入HVPE系统中进行GaN厚膜生长，降温后即可得到自支撑GaN厚膜。上述原位外延氧化镓、氮化和再外延的工艺，工艺简单，一次完整，也有利于防止引入不必要的杂质等。本专利中形成的多孔网格状GaN单晶薄膜，放置在卤化物气相外延反应腔中外延GaN厚膜，类似于横向外延生长，具体实施方式可参考专利：《横向外延技术生长高质量氮化镓薄膜》，专利号ZL021113084.1)，可得到高质量低位错密度GaN厚膜，而且更容易实现自剥离。本专利技术所称GaN厚膜，是指厚度在10微米以上的GaN膜。附图说明图1为本专利技术实施例1氧化镓薄膜氮化后的表面形貌SEM图。图2为本专利技术实施例1示意图，氧化镓氮化后形成的网格状GaN单晶薄膜衬底上卤化物气相外延生长GaN厚膜剖面SEM图。在蓝宝石和GaN厚膜之间有一个明显的多孔界面层，此种结构的出现有利于GaN的自分离。具体实施方式实施例1本制备自支撑GaN衬底的自分离方法，其步骤包括：(1)清洗处理衬底蓝宝石，在蓝宝石衬底上用卤化物气相外延生长分布均匀的Ga2O3薄膜，反应系统主要包含两个温区，在低温区，金属镓与HCl反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备自支撑GaN衬底的自分离方法，其步骤包括：(1)在蓝宝石衬底上用卤化物气相外延生长厚度范围在0.1‑1微米且分布均匀的Ga2O3薄膜；(2)在氨气气氛中对Ga2O3薄膜进行完全氮化，形成多孔网格状单晶GaN薄膜；(3)在多孔网格状GaN单晶薄膜上进行GaN厚膜的卤化物气相外延生长，获得GaN厚膜；(4)外延完成后，降温至室温，外延GaN厚膜与衬底之间自然分离，得到自支撑GaN厚膜。

【技术特征摘要】
1.一种制备自支撑GaN衬底的自分离方法，其步骤包括：(1)在蓝宝石衬底上用卤化物气相外延生长厚度范围在0.1-1微米且分布均匀的Ga2O3薄膜；(2)在氨气气氛中对Ga2O3薄膜进行完全氮化，形成多孔网格状单晶GaN薄膜；(3)在多孔网格状GaN单晶薄膜上进行GaN厚膜的卤化物气相外延生长，获得GaN厚膜；(4)外延完成后，降温至室温，外延GaN厚膜与衬底之间自然分离，得到自支撑GaN厚膜。2.根据权利要求1所述的制备自支撑GaN衬底的自分离方法，其特征在于：步骤(2)中，将步骤(1)制得的的Ga2O3薄膜置于高温管式炉中，在氨气气氛下氮化1-3h，温度范围900-1100℃；得到多孔网格状的GaN薄膜；氨气流量：200-1000sccm。3.根据权利要求2所述的制备自支撑GaN衬底的自分离方法，其特征在于：步骤(1)中，将衬底置于卤化物气相外延生长系统，在低温区，金属Ga与HCl或Cl2反应生成GaCl作为镓源，温度为850-900℃；在高温生长区，O2作为氧源，GaCl和O2混合发生...

【专利技术属性】
技术研发人员：修向前，李悦文，张荣，华雪梅，谢自力，陈鹏，刘斌，施毅，郑有炓，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32