一种同质外延结构，其制备方法及剥离方法技术

本发明专利技术公开了一种同质外延结构，包括单晶衬底、生长于所述单晶衬底上的成核层以及生长于所述成核层上的插入层，所述插入层上具有与单晶衬底材料相同的外延层；其中，所述成核层和插入层材料相同，且所述成核层和插入层材料的禁带宽度小于所述单晶衬底材料的禁带宽度；所述单晶衬底的表面具有多个凹坑，所述成核层中的成核晶粒呈岛状分布于所述凹坑处及单晶衬底的表面。本发明专利技术还公开了所述同质外延结构的制备方法及剥离方法。与现有的同质外延层的剥离方法相比，本发明专利技术的同质外延结构的剥离方法更加高效，且易于实现工业化生产。且易于实现工业化生产。且易于实现工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种同质外延结构，其制备方法及剥离方法


[0001]本专利技术涉及半导体材料
，具体涉及一种同质外延结构，其制备方法及剥离方法。

技术介绍

[0002]在很多情况下，氮化物芯片的制作都需要用到外延层的剥离技术。比如，在GaN基LED的垂直结构的芯片中，需要将LED外延结构层从衬底上剥离下来，在下底面N型区制作N电极，从而完成上底面P电极下表面N电极的垂直结构。目前，GaN基LED器件是在蓝宝石衬底上异质外延GaN基材料而制作得到的，而目前通用的剥离方法是激光剥离技术，即利用高能脉冲激光束（一般激光波长<350nm）穿透蓝宝石基板，光子能量介于蓝宝石带隙和GaN带隙之间，对蓝宝石衬底与外延生长的GaN材料的交界面（这里一般是GaN缓冲层）进行扫描；界面GaN层就会大量吸收光子能量，并分解形成液态Ga和氮气，从而可以实现蓝宝石衬底和GaN薄膜或GaN基LED芯片的分离，使得几乎可以在不使用外力的情况下，实现蓝宝石衬底的剥离。
[0003]然而，随着近年来氮化物单晶衬底的逐渐成熟，更高性能的同质外延技术越来越被广泛的应用。但由于同质外延的衬底与外延层是同一材料，利用激光进行剥离时，无法找到界面层，故没办法实现衬底和外延层的剥离。对于同质外延氮化物器件，目前常用的方式是衬底的研磨减薄。公开号为CN109841497A的中国专利公开了一种同质外延生长氮化镓的方法，通过在氮化镓基底上设置单层石墨烯作为插入层，再于载有单层石墨烯的衬底上同质外延生长氮化镓材料；同质外延生长结束后，通过机械剥离的方法将生长的氮化镓外延层与单层石墨烯及衬底剥离开来。但是机械剥离法与传统工艺兼容性差，难以实现工业化需求。
[0004]由此可知，目前的衬底剥离技术严重阻碍了氮化物同质外延芯片器件的发展，同时也是对单晶衬底的一种极大的浪费，亟需提出一种新的氮化物同质外延层的剥离方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在克服同质外延层与衬底无界面、无法实现激光剥离这一技术问题，提出了一种同质外延结构及其剥离方法，通过在单晶衬底表面生长特定的成核层和插入层，以此成核层和插入层作为激光吸收的载体，从而实现了衬底和同质外延层之间的分离。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下的技术方案：本专利技术提供了一种同质外延结构，包括单晶衬底、生长于所述单晶衬底上的成核层以及生长于所述成核层上的插入层，所述插入层上具有与单晶衬底材料相同的外延层；其中，所述成核层和插入层材料相同，且所述成核层和插入层材料的禁带宽度小于所述单晶衬底材料的禁带宽度；所述单晶衬底的表面具有多个凹坑，所述成核层中的成核晶粒呈岛状分布于所述凹坑处及单晶衬底的表面。
[0007]进一步地，所述单晶衬底的厚度为1~2.5 μm，所述凹坑开口的直径和深度均为50~
200 nm。
[0008]进一步地，所述成核层的厚度为2~5 nm，所述插入层的厚度为5~100 nm。
[0009]进一步地，所述单晶衬底、成核层与插入层同为二元或多元的氮化物半导体、砷化物半导体、磷化物半导体或锑化物半导体。
[0010]进一步地，所述单晶衬底与外延层的材料为GaN，所述成核层和插入层的材料均为InGaN或InN。
[0011]本专利技术还提供了一种同质外延结构的制备方法，包括以下步骤：S1. 提供一单晶衬底；S2. 通过刻蚀的方法在所述单晶衬底的表面形成多个凹坑；S3. 在经步骤S2处理的单晶衬底表面生长成核层，所述成核层中的成核晶粒呈岛状分布于所述凹坑处及单晶衬底的表面；S4. 在所述成核层上生长插入层；S5. 在所述插入层上生长外延层；其中，所述成核层和插入层材料相同，且所述成核层和插入层材料的禁带宽度小于所述单晶衬底材料的禁带宽度；所述外延层与单晶衬底的材料相同。
[0012]进一步地，步骤S2中，所述凹坑是使用等离子体刻蚀所述单晶衬底的表面而得到的分布不均匀的凹坑。
[0013]进一步地，步骤S2中，所述凹坑是将具有分布均匀开口的掩模覆盖于单晶衬底的表面，再使用等离子体进行刻蚀而形成的分布均匀的凹坑。
[0014]进一步地，所述等离子体刻蚀以惰性等离子体为气体源。
[0015]本专利技术还提供了一种同质外延结构的剥离方法，包括以下步骤：S1. 提供所述的同质外延结构；S2. 利用特定波段的激光从单晶衬底侧照射所述同质外延结构，使成核层和插入层热分解，从而实现单晶衬底与外延层之间的剥离；其中，所述特定波段的激光为光子能量介于成核层和插入层材料的禁带宽度与单晶衬底材料的禁带宽度之间的波段的激光。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1. 本专利技术提出了一种同质外延结构的剥离方法，通过在单晶衬底表面生长特定的成核层和插入层材料，该成核层和插入层材料的禁带宽度小于单晶衬底材料的禁带宽度，再于插入层之上生长同质外延层。当利用特定波段的激光从单晶衬底一侧对插入层进行定向扫描时，成核层和插入层会吸收光子能量发生热分解，从而实现了衬底与同质外延层之间的分离；同时，设置的成核层和插入层也不会影响外延层的结晶质量。与现有技术相比，本专利技术的剥离方法无需额外的制备工艺（如光刻、曝光、蚀刻等复杂工艺），同时剥离的效果好，且易于实现工业化生产。
[0017]2. 本专利技术的同质外延结构的剥离方法中，先对衬底进行表面处理，使得单晶衬底的表面形成多个凹坑，多个凹坑可以均匀分布，也可以无规律的分布，这些凹坑能够在后续激光照射过程中对激光光束进行散射，使激光束照射更发散，激光束照射面积更大，从而有利于提高剥离的效率；另外，在激光照射过程中，光线会在凹坑中进行多次散射，导致凹坑处很容易聚集热量，使得凹坑上的成核层和插入层吸收热量更多，从而能够更好地分解成核层和插入层，进一步提高了激光剥离的效果。
[0018]3. 本专利技术的同质外延结构的剥离方法中，在单晶衬底上依次形成了成核层和插入层，其中成核层中的成核晶粒呈岛状分布，晶粒之间的间隙可以很好地释放衬底的应力；在形成插入层时，提高了形成温度，在较高的温度下能够使插入层具有较好的结晶质量，可以提高外延层的结晶质量。
[0019]4. 本专利技术的同质外延结构的剥离方法中，在确保插入层材料的禁带宽度小于单晶衬底材料的禁带宽度这一前提下，通过选择合适的插入层材料，使得插入层材料与单晶衬底、外延层材料具有相匹配的晶格常数，有利于提高插入层及外延层薄膜的生长质量，为后续高质量LED器件的生长提供了基础。
[0020]5. 本专利技术的同质外延结构的剥离方法中，成核层、插入层材料与单晶衬底、外延层材料可选择同一体系的材料，例如当单晶衬底和外延层为GaN时，插入层材料可选择InGaN，因此整个沉积过程可在同一外延设备中进行，无需在沉积过程中转移腔室，这样可以减少沉积过程中可能污染的风险。
附图说明
[0021]图1为本专利技术一实施方式中同质外延结构的制备及剥离的工艺流程图；图2为在氮化镓单晶衬底上同质外延生长GaN基Micro
‑
LED并激光剥本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同质外延结构，其特征在于，包括单晶衬底、生长于所述单晶衬底上的成核层以及生长于所述成核层上的插入层，所述插入层上具有与单晶衬底材料相同的外延层；其中，所述成核层和插入层材料相同，且所述成核层和插入层材料的禁带宽度小于所述单晶衬底材料的禁带宽度；所述单晶衬底的表面具有多个凹坑，所述成核层中的成核晶粒呈岛状分布于所述凹坑处及单晶衬底的表面。2.根据权利要求1所述的一种同质外延结构，其特征在于，所述单晶衬底的厚度为1~2.5 μm，所述凹坑开口的直径和深度均为50~200 nm。3.根据权利要求1所述的一种同质外延结构，其特征在于，所述成核层的厚度为2~5 nm，所述插入层的厚度为5~100 nm。4.根据权利要求1所述的一种同质外延结构，其特征在于，所述单晶衬底、成核层与插入层同为二元或多元的氮化物半导体、砷化物半导体、磷化物半导体或锑化物半导体。5.根据权利要求4所述的一种同质外延结构，其特征在于，所述单晶衬底与外延层的材料均为GaN，所述成核层和插入层的材料均为InGaN或InN。6.一种同质外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1. 提供一单晶衬底；S2. 通过刻蚀的方法在所述单晶衬底的表面形成多个凹坑；S3. 在经步骤S2处理的单晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国斌，李增林，
申请(专利权)人：江苏第三代半导体研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：