基于HVPE的自支撑氮化镓单晶及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于HVPE的自支撑氮化镓单晶制备方法，包括以下步骤：(1)提供衬底，并对所述衬底表面进行原位清洗；(2)于所述衬底表面低温生长GaN晶核，同时HCl和NH3形成NH4Cl固体，与GaN晶核竞争覆盖所述衬底；(3)温度提升至1000℃以上进行退火处理，提升GaN晶核质量；(4)于所述GaN晶核上中高温二维生长GaN层；(5)于所述GaN层上高温持续成长GaN单晶；降温、将GaN单晶自所述衬底上剥离，形成自支撑晶体。本发明专利技术通过HVPE为自支撑维氮化镓生长提供了高质量的成核点，同时因为空隙释放了应力，降低了翘曲在生长结束降温时消除了开裂，提高了自支撑氮化镓生长的良率。

【技术实现步骤摘要】
基于HVPE的自支撑氮化镓单晶及其制备方法
本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种自支撑氮化镓单晶及其制备方法。
技术介绍
GaN是第三代宽禁带半导体的典型代表，已被广泛应用于半导体照明、微波功率器件和电力电子器件等方面，展现出巨大的应用前景。用于氮化镓生长的最理想衬底自然是氮化镓单晶材料，这样的同质外延(即外延层和衬底是同一种材料)可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是氮化镓单晶生长困难，价格昂贵，大规模化同质外延生长目前仍然没有可能。因此，目前氮化镓单晶制备仍然采用异质外延，如硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底等。目前基本上所有的商业化GaN衬底(晶圆，基片)都是通过HVPE制造的。但是其尺寸通常还是局限在2寸，更大的尺寸比如4英寸受到了曲率半径的限制。而HVPE由于采用异质外延，晶格常数和热膨胀数造成的应力会引起氮化镓在长厚时或冷却时开裂。现有的解决方法是在蓝宝石表面先用MOCVD生长几微米GaN薄膜并进行界面处理形成各种掩模，一方面减少生长时的起始缺陷并形成应力屈服型衬底，从而使GaN生长的临界厚度尽可能大比如达到几百微米甚至几个毫米；另一方面是制造弱界面，这样可以在降温时由于热膨胀数不同引入的切应力来造成GaN和蓝宝石或其他衬底的自动剥离。这种方法的本质是通过插入一个在异质衬底界面上的过渡层，达到降低生长时的位错和应力的目的，并使生长的氮化镓在降温时与蓝宝石容易剥离。然而此类方法存在不足：1、成本高，需要昂贵的设备和指标过程如光刻机或MOCVD；2、需要额外的设备及工序，从而使过程控制性能差，良率降低；3、吸收应力的效果不是非常显著。目前工业上的氮化镓自支撑衬底最大在4寸左右，远没有达到异质衬底如硅、蓝宝石、碳化硅的尺寸比如8寸甚至更大。
技术实现思路
本专利技术针对以上问题以及现有技术缺点，做出研究改进，提供一种基于HVPE的自支撑氮化镓单晶制备方法。本专利技术提出的所有的步骤，均基于HVPE工艺，在同一台HVPE反应器内完成。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于HVPE的自支撑氮化镓单晶制备方法，包括以下步骤：(1)提供衬底，并对所述衬底表面进行原位清洗。(2)于所述衬底表面低温生长GaN晶核，同时HCl和NH3形成NH4Cl固体，与GaN晶核竞争覆盖所述衬底；(3)温度提升至1000℃以上进行退火处理，提升GaN晶核质量；(4)于所述GaN晶核上中高温二维生长GaN层；(5)于所述GaN层上高温持续成长GaN单晶；(6)降温，将GaN单晶自所述衬底上剥离，形成自支撑晶体。作为本专利技术的优选设置，所述衬底包括但不限于蓝宝石衬底、SiC、GaAs、ScAlMgO4、ZnO、Si衬底等。作为本专利技术的优选设置，步骤(1)在高温1000～1100℃下进行，包括使用H2和N2混合气对衬底表面进行清洗。作为本专利技术的优选设置，若衬底为蓝宝石，还需要使用NH3对衬底表面进行氮化处理。作为本专利技术的优选设置，NH3分压为0.05～0.5，氮化处理时间为0.2～5min。作为本专利技术的优选设置，步骤(2)低温范围为300～500℃，所述GaN晶核覆盖率低于70％，其厚度为50～2000nm。作为本专利技术的优选设置，步骤(4)所述GaN层在800～1100℃中高温下进行二维生长，V/III小于20，生长速度小于50um/hr，厚度为1～20um。作为本专利技术的优选设置，步骤(4)所述GaN层在800～1100℃中高温下进行二维生长，V/III小于5，生长速度小于20um/hr，厚度为5～10um。作为本专利技术的优选设置，步骤(5)进一步还包括维持GaN单晶厚膜继续生长与形貌的方法：①不断增加温度，增加幅度为GaN单晶厚膜每增长1mm温度增加1～10℃；②不断增加NH3；增加幅度为GaN单晶厚膜每增长1mmNH3(或相应的V/III)增加5％～50％。本专利技术还提供一种基于HVPE的自支撑氮化镓单晶，所述基于HVPE的自支撑氮化镓单晶采用如权利要求1～权利要求6任一所述的制备方法制备得到。本专利技术具有的有益效果：1)GaN晶核在低温范围下成核并升温做退火处理，具有很高的质量，位错很低；2)GaN晶核成核时工艺温度低,与GaN晶核同步生成的NH4Cl固体不会升华，因此部分衬底表面会被固体NH4Cl覆盖，这样大大降低了成核密度，有效提高了晶体质量；3)升温后NH4Cl分解升华，此时衬底表面只存在GaN晶核，高温环境下GaN并不在衬底上生长或很少生长，而是选择性地在GaN晶核上生长，衬底与氮化镓晶体之间会形成空隙，有效降了应力作用；4)在降温时，由于衬底与晶体之间的空隙，衬底和氮化镓晶体不同的热胀系数造成的应力可以使氮化镓和衬底更易剥离。相比于现有技术，本专利技术具有成本低、良率高、应力吸收明显的优点。附图说明图1是本专利技术实施例步骤(1)结构示意图。图2是本专利技术实施例步骤(2)结构示意图。图3是本专利技术实施例步骤(3)结构示意图。图4是本专利技术实施例步骤(4)结构示意图。图5是本专利技术实施例步骤(5)结构示意图。图6是本专利技术实施例步骤(6)结构示意图。其中，100-衬底；101-GaN晶核；102-固体NH4Cl；103-GaN层；104-GaN单晶厚膜。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本专利技术作进一步地详细说明。本专利技术提供的一种基于HVPE的自支撑氮化镓单晶，其核心是减少异质衬底与GaN单晶厚膜之间的应力作用，正是因为这种应力作用，导致了GaN单晶在制备过程中发生翘曲、开裂。在本专利技术中，在低温环境下，GaN晶核与NH4Cl固体同步覆盖氮化后的衬底表面，之后升温致使NH4Cl固体升华，有效降低成核密度，同时成核在上面的GaN层位错很低，而且通过GaN的二维侧向生长进一步减低了位错；另一方面，因为界面处大量空隙的存在，形成了屈服衬底，在生长时吸收了应力，低位错和应力吸收能有效地减少翘曲。最后，衬底界面的空隙在生长结束降温时更有利于剥离。实施例1根据图1～5，本专利技术提供一种基于HVPE的自支撑氮化镓单晶，所述基于HVPE的自支撑氮化镓单晶的制备方法，包括如下步骤：(1)提供衬底，并对所述衬底表面进行清洗以及氮化处理。(2)于所述衬底表面低温生长GaN晶核，同时HCl和NH3形成NH4Cl固体，与GaN晶核竞争覆盖所述衬底；(3)温度提升至1000℃以上进行退火处理，提升GaN晶核质量；(4)于所述GaN晶核上中高温二维生长GaN层；(5)于所述GaN层上高温持续成长GaN单晶；(6)降温、剥离，将GaN单晶自所述衬底上剥离，形成自支撑晶体。作为本专利技术的一种优选方案，所述衬底为蓝宝石衬底。...

【技术保护点】
1.一种基于HVPE的自支撑氮化镓单晶制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)提供衬底，并对所述衬底表面进行原位清洗。/n(2)于所述衬底表面低温生长GaN晶核，同时HCl和NH3形成NH4Cl固体，与GaN晶核竞争覆盖所述衬底；/n(3)温度提升至1000℃以上进行退火处理，提升GaN晶核质量；/n(4)于所述GaN晶核上中高温二维生长GaN层；/n(5)于所述GaN层上高温持续成长GaN单晶；/n(6)降温，将GaN单晶自所述衬底上剥离，形成自支撑晶体。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于HVPE的自支撑氮化镓单晶制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供衬底，并对所述衬底表面进行原位清洗。
(2)于所述衬底表面低温生长GaN晶核，同时HCl和NH3形成NH4Cl固体，与GaN晶核竞争覆盖所述衬底；
(3)温度提升至1000℃以上进行退火处理，提升GaN晶核质量；
(4)于所述GaN晶核上中高温二维生长GaN层；
(5)于所述GaN层上高温持续成长GaN单晶；
(6)降温，将GaN单晶自所述衬底上剥离，形成自支撑晶体。


2.如权利要求1所述的基于HVPE的自支撑氮化镓单晶制备方法，其特征在于，所述衬底包括但不限于蓝宝石衬底、SiC、GaAs、ScAlMgO4、ZnO、Si衬底等。


3.如权利要求1所述的基于HVPE的自支撑氮化镓单晶制备方法，其特征在于，步骤(1)在高温1000～1100℃下进行，包括使用H2和N2混合气对衬底表面进行清洗。


4.如权利要求3所述的基于HVPE的自支撑氮化镓单晶制备方法，其特征在于，若衬底为蓝宝石，还需要使用NH3对衬底表面进行氮化处理。


5.如权利要求2所述的基于HVPE的自支撑氮化镓单晶制备方法，其特征在于，NH3分压为0.05～0.5，氮化处理时间为0.2～5m...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘良宏，庞博，许彬，张海涛，
申请(专利权)人：无锡吴越半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32