一种在蓝宝石衬底上生长自剥离氮化镓薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种在蓝宝石衬底上生长自剥离氮化镓薄膜的方法，利用MOCVD设备在r面蓝宝石衬底上以InGaN插入层和GaN低温缓冲层作为弱键合层生长a面氮化镓的自剥离薄膜，具体包括：取一蓝宝石衬底；在MOCVD设备中通入氨气，对蓝宝石衬底进行氮化，在其上生成一层氮化层；在MOCVD设备中利用载气通入铟源、镓源和氨气，使得在氮化层上得到InGaN层；在MOCVD设备中利用载气通入镓源和氨气，生长一层低温GaN缓冲层；在MOCVD设备中利用载气通入镓源和氨气，生长氮化镓外延层。本发明专利技术以InGaN插入层和低温GaN缓冲层做弱键合层，可以得到高结晶质量的自剥离GaN薄膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体
，特别是指ー种利用InGaN插入层和低温GaN缓冲层作为弱键合层使用MOCVD设备在r面蓝宝石衬底上生长自剥离a面GaN薄膜的方法。
技术介绍
氮化镓作为第三代宽禁带半导体材料的代表，可用于制作发光二极管、激光二极管，高电子迁移率晶体管等光电子器件。由于III族氮化物是六方纤锌矿结构，具有很大的自发极化和压电极化，沿C轴有很大的极化电场，此电场会严重影响发光器件的复合效率，发光波长也不稳定，因此亟待需要非极性面的材料生长。但得到的非极性面的氮化镓薄膜中往往存在很高浓度的堆垛层错和位错，造成目前氮化镓非极性面器件还不能达到应有的·要求。文献中报道的很多用来改善c面氮化镓缺陷的方法应用到非极性a面氮化镓薄膜中的效果并不理想。氮化镓的单晶生长困难，价格昂贵，大規模化的同质外延的生长目前仍没有可能；目前生长氮化镓外延膜大多仍采用异质外延，所选用的异质衬底有Si、碳化硅和蓝宝石。蓝宝石因具有热稳定性好，机械强度高，不吸收可见光，生长技术较为成熟，价格适中等优点，目前仍是最适合三族氮化物生长的衬底。但由于蓝宝石衬底本身的一些劣势，如，与外延膜晶格失配和热失配大，硬度高，导电性差，不易集成等，因此，在后续的エ艺中，蓝宝石的存在是ー个不容忽视的问题。现在最常用的剥离方法是用激光剥离技术把蓝宝石衬底以及GaN外延片在缓冲层的位置剥离开，此方法要精确控制激光波长以及脉冲时间，増加了エ艺的难度，也增加了制作成本。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题为了克服现有的非极性面氮化镓缺陷密度高，以及蓝宝石基氮化镓后续制作器件エ艺复杂的不足，本专利技术提供了一种采用InGaN插入层和低温GaN缓冲层作为弱键合层在蓝宝石衬底上生长自剥离a面氮化镓薄膜的方法，采用该方法能得到质量很好的GaN单晶薄膜。( ニ )技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了，该方法利用MOCVD设备在r面蓝宝石衬底上以InGaN插入层和GaN低温缓冲层作为弱键合层生长a面氮化镓的自剥离薄膜，具体包括以下步骤步骤I :取ー蓝宝石衬底；步骤2 :在MOCVD设备中通入氨气，对蓝宝石衬底进行氮化，在其上生成一层氮化层；步骤3:在MOCVD设备中利用载气通入铟源、镓源和氨气，使得在氮化层上得到InGaN 层；步骤4 :在MOCVD设备中利用载气通入镓源和氨气，生长ー层低温GaN缓冲层；步骤5 :在MOCVD设备中利用载气通入镓源和氨气，生长氮化镓外延层。上述方案中，步骤I和2中所述蓝宝石衬底为r面蓝宝石衬底。上述方案中，步骤3至5中所述载气为氮气或氢气。上述方案中，步骤3中所述生长InGaN时，MOCVD设备中的生长温度设定为750°C，反应室压强控制在200Torr，铟源和镓源的载气流量分别设定为65SCCM和10SCCM，生长时间为12分钟。上述方案中，步骤4中所述生长低温GaN缓冲层吋，MOCVD设备中的生长温度设定为550°C，反应室压强控制在200Torr，镓源的载气流量设定为20SCCM，生长时间为3分钟，然后升温到1100°C，并从升温时开始计时退火5分钟。 上述方案中，退火后的LT-GaN/InGaN弱键合层的表面形貌为条状的。上述方案中，步骤5中所述生长氮化镓外延层时，MOCVD设备中的生长温度设定为1100°c，反应室压强控制在50Torr，镓源载气流量设定为20SCCM。上述方案中，步骤5中所述生长氮化镓外延层的生长时间为60分钟。上述方案中，步骤5中所述生长氮化镓外延层的厚度为I. 2 μ m左右。(三)有益效果本专利技术与传统的缓冲层技木、图形衬底技术相比，采用InGaN插入层和低温GaN层作为弱键合层，具有更大的优势。InGaN在后续升温的过程中会发生分解，In释放出去，在蓝宝石衬底和GaN外延膜之间产生条状的弱键合层(如图2所示)，能够实现GaN的横向外延生长，外延膜在生长结束后的降温过程中，弱键合层断裂，实现了单晶高质量GaN薄膜的自剥离。弱键合层在生长过程中既起到了释放应力，提高晶体质量的作用；在降温的过程中又促进了 GaN外延膜的自动剥离。剥离的GaN薄膜和目前市场上的单晶GaN单晶片的顔色一致。与目前最常用的激光剥离技术相比，此方法由于是在生长完成后自动完成的，所以エ艺更为简单，也消除了激光剥离设备的花费。附图说明为进ー步说明本专利技术的内容，以下结合具体实施例及附图对本专利技术做详细的描述，其中图I是本专利技术提供的在蓝宝石衬底上生长自剥离氮化镓薄膜的生长顺序示意图；图2是本专利技术提供的在蓝宝石衬底上生长的自剥离氮化镓薄膜的结构示意图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本专利技术进ー步详细说明。针对现在最常用的激光剥离技术将蓝宝石衬底以及GaN外延片在缓冲层的位置剥离开时要精确控制激光波长以及脉冲时间，增加エ艺的难度，也增加的制作成本的问题，本专利技术提供的a面氮化镓自剥离方法，在生长结束后降温的过程中，弱键合层会发生断裂，高质量的氮化镓外延膜从蓝宝石衬底上剥离下来，脱离了蓝宝石衬底。弱键合层在生长过程中起到了释放应力，提高晶体质量的作用；在降温的过程中又对GaN外延膜的自动剥离起到了关键的作用，此弱键合层是本专利技术的关键技术所在。此专利技术对于GaN厚膜的发展是很有意义的。如将此专利技术与HVPE结合，将会生长出高结晶质量的自剥离氮化镓厚膜。这将会是半导体材料领域的又一大突破。本专利技术采用以InGaN插入层和低温GaN缓冲层作为弱键合层，此层起到了柔性衬底的作用，不仅对外延层中的应カ起到了很大的释放作用，晶体质量得到了很大的提高，较其他的侧向外延生长更具有生长エ艺简单，易实现的优点。本专利技术的关键在于解决蓝宝石衬底上生长高质量的GaN薄膜以及外延膜剥离的问题。生长结构示意图如图I所示，生长过程包括以下步骤步骤I :取ー衬底，该衬底为r (1012)面蓝宝石； 步骤2 :在该衬底上通过MOCVD设备生长ー层InGaN插入层，以释放后续的外延GaN膜中的应力。生长温度设定在750°C，反应室压强控制在200Torr，生长时间为12分钟，铟源，镓源载气流量分别设定为65SCCM，10SCCM，氨气的流量为3SLM ；步骤3 生长ー薄层的低温GaN缓冲层，生长温度设定为550°C，反应室压强控制在200Torr，生长时间为3min，镓源的流量为20SCCM，氨气的流量为3SLM ；步骤4 :生长GaN外延层，生长温度设定为1100°C，反应室压强控制在50Torr，生长时间为60min，镓源的流量为20SCCM，氨气的流量为O. 8SLM。GaN作为新一代宽禁带半导体光电材料中的优秀ー员，如果能成功制备出高质量非极性的单晶薄膜，必将会在光学器件领域产生巨大的应用前景。然而，目前市场上的GaN单晶的制备价格都较为昂贵，并不能满足器件制作的需要，也不能满足大范围的同质外延生长。为了解决此问题，本专利技术中引入了由InGaN插入层和低温GaN缓冲层组成的弱键合层来实现GaN外延膜的自剥离，除了生长成本低，エ艺简单之外，本专利技术也得到了自剥离的高质量非极性a面GaN薄膜。该方法在未来的实际生产中必定会有很大的应用价值。以上所述的具体实施例，对本专利技术的目的、技术方案和有益效果进行了进ー步详细说明，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在蓝宝石衬底上生长自剥离氮化镓薄膜的方法，其特征在于，该方法利用MOCVD设备在r面蓝宝石衬底上以InGaN插入层和GaN低温缓冲层作为弱键合层生长a面氮化镓的自剥离薄膜，具体包括：步骤1：取一蓝宝石衬底；步骤2：在MOCVD设备中通入氨气，对蓝宝石衬底进行氮化，在其上生成一层氮化层；步骤3：在MOCVD设备中利用载气通入铟源、镓源和氨气，使得在氮化层上得到InGaN层；步骤4：在MOCVD设备中利用载气通入镓源和氨气，生长一层低温GaN缓冲层；步骤5：在MOCVD设备中利用载气通入镓源和氨气，生长氮化镓外延层。

【技术特征摘要】
1.一种在蓝宝石衬底上生长自剥离氮化镓薄膜的方法，其特征在干，该方法利用MOCVD设备在r面蓝宝石衬底上以InGaN插入层和GaN低温缓冲层作为弱键合层生长a面氮化镓的自剥离薄膜，具体包括 步骤I :取ー蓝宝石衬底； 步骤2 :在MOCVD设备中通入氨气，对蓝宝石衬底进行氮化，在其上生成ー层氮化层； 步骤3 :在MOCVD设备中利用载气通入铟源、镓源和氨气，使得在氮化层上得到InGaN层； 步骤4 :在MOCVD设备中利用载气通入镓源和氨气，生长ー层低温GaN缓冲层； 步骤5 :在MOCVD设备中利用载气通入镓源和氨气，生长氮化镓外延层。2.根据权利要求I所述的在蓝宝石衬底上生长自剥离氮化镓薄膜的方法，其特征在于，步骤I和2中所述蓝宝石衬底为r面蓝宝石衬底。3.根据权利要求I所述的在蓝宝石衬底上生长自剥离氮化镓薄膜的方法，其特征在于,步骤3至5中所述载气为氮气或氢气。4.根据权利要求I所述的在蓝宝石衬底上生长自剥离氮化镓薄膜的方法，其特征在于，步骤3中所述生长InGaN时，MOCVD设备中的生长温度设定为750°C，反应室压强控制在200Torr，铟源和...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建霞，李志伟，赵桂娟，桑玲，刘长波，魏鸿源，焦春美，杨少延，刘祥林，朱勤生，王占国，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：