專利名稱：改進(jìn)的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進(jìn)藍(lán)寶石襯底上剝離氮化鎵(GaN)的激光剝離技術(shù)，并同時(shí)降低獲得的無裂縫自支撐GaN襯底中應(yīng)力的方法和技術(shù)。
背景技術(shù)：
以GaN及InGaN、AlGaN合金材料為主的III-V族氮化物材料(又稱GaN基材料)是近幾年來國際上倍受重視的新型半導(dǎo)體材料，其1.9-6.2eV連續(xù)可變的直接帶隙，優(yōu)異的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，高飽和電子漂移速度，高擊穿場強(qiáng)和高熱導(dǎo)率等優(yōu)越性能使其成為短波長半導(dǎo)體光電子器件和高頻、高壓、高溫微電子器件制備的最優(yōu)選材料。
由于GaN本身物理性質(zhì)的限制，GaN體單晶的生長具有很大的困難，尚未實(shí)用化。然而，用GaN襯底進(jìn)行同質(zhì)外延獲得III族氮化物薄膜材料卻顯示出了極其優(yōu)越的性能，因此用低位錯密度襯底進(jìn)行GaN同質(zhì)外延是改善III族氮化物外延層質(zhì)量的較好辦法。
目前，大面積GaN襯底通常都是在異質(zhì)襯底(如藍(lán)寶石、SiC、Si等)上氣相生長GaN厚膜，然后將原異質(zhì)襯底分離后獲得的。藍(lán)寶石是目前生長GaN使用最普遍的異質(zhì)襯底。為了得到自支撐GaN襯底，必須除去藍(lán)寶石襯底。由于藍(lán)寶石極其穩(wěn)定，難以采用化學(xué)腐蝕方法。一般的方法是機(jī)械磨削，但因藍(lán)寶石很硬，不僅要消耗大量的金剛石磨料，成本很高而且速度極慢。激光輻照的方法，是利用激光對GaN厚膜和襯底的界面區(qū)加熱使之熔化，從而獲得自支撐的GaN襯底。激光剝離方法的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間快，藍(lán)寶石襯底可回收使用。
采用激光剝離方法，需要首先將樣品粘結(jié)在其他的襯底上，即GaN轉(zhuǎn)移技術(shù)。常用的粘結(jié)劑是有機(jī)膠(如硅橡膠，環(huán)氧樹脂等)或者金屬合金。但是在將藍(lán)寶石襯底去掉后，為了獲得自支撐的GaN襯底，還需要將有機(jī)膠或者合金去除。有機(jī)膠由于固化后，很難溶解于溶劑中；即使采用能夠溶解的有機(jī)膠(如有機(jī)玻璃)，在溶解的過程中，由于膠本身會發(fā)生體積變化，很容易使GaN碎裂，從而影響到GaN襯底的完整性。采用將有機(jī)膠氧化焚燒的方法，反應(yīng)過程中的體積變化和產(chǎn)生的氣體也會將GaN襯底碎裂，很難獲得完整的GaN襯底。而合金去除一般采用酸腐蝕的方法，過程中產(chǎn)生的氣體(如氫氣)同樣也會使得GaN碎裂，降低了產(chǎn)率。另外采用的黏附襯底(如硅片和藍(lán)寶石等)，也需要同時(shí)去掉，會增加工藝難度和成本。
在本發(fā)明中，我們采用激光掃描輻照技術(shù)，直接從藍(lán)寶石襯底上將GaN薄膜剝離下來，獲得自支撐無裂縫GaN襯底。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是無需采用襯底轉(zhuǎn)移的方法，而是用激光掃描輻照技術(shù)直接將GaN薄膜從藍(lán)寶石襯底上剝離下來，獲得無裂縫自支撐GaN襯底。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是改進(jìn)的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法，在650-800℃下空氣氣氛中直接用合適波長的紫外激光器透過藍(lán)寶石輻照GaN/藍(lán)寶石樣品，界面處的GaN被分解后，藍(lán)寶石可以很容易的被去掉，即可得到GaN自支撐襯底。在650-800℃只需要在普通空氣氣氛中溫度下加熱GaN/藍(lán)寶石襯底，采用激光輻照的方法，利用激光透過藍(lán)寶石襯底對GaN厚膜和藍(lán)寶石襯底的界面區(qū)加熱使界面處的GaN分解，就可以將GaN和藍(lán)寶石分離開來，從而獲得自支撐的GaN襯底。由于剝離在650℃以上的溫度下進(jìn)行，此時(shí)GaN中的應(yīng)力可以得到釋放，從而減少了自支撐GaN的翹曲，獲得平整無應(yīng)力的GaN襯底。這里的GaN薄膜厚度應(yīng)該不低于100微米，最好是在300微米以上，可以獲得幾乎百分之百的成功。
該方法也可以在800以上，如在800-900℃進(jìn)行，但由于GaN在這樣高的溫度下容易分解，所以此時(shí)激光輻照要在氨氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行。
本發(fā)明的機(jī)理和技術(shù)特點(diǎn)是在激光剝離技術(shù)中激光波長所對應(yīng)的能量小于藍(lán)寶石帶隙，但是大于GaN的帶隙。激光穿透藍(lán)寶石襯底到達(dá)藍(lán)寶石/GaN界面時(shí)，GaN吸收其能量，發(fā)生如下分解。
本發(fā)明的激光剝離技術(shù)是在高于650℃下進(jìn)行，遠(yuǎn)高于Ga熔點(diǎn)，GaN和藍(lán)寶石很容易就分離開來，從而得到GaN自支撐襯底。另外由于在不低于650℃下，藍(lán)寶石和襯底之間的應(yīng)力完全得到釋放，所以得到的GaN襯底平整無翹曲。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明方案主要包括下面步驟1、采用金屬有機(jī)物氣相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氫化物氣相外延(HVPE)或其他方法在藍(lán)寶石襯底上生長GaN薄膜。
2、將GaN薄膜/藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)放在加熱器上，GaN面朝下。在空氣氣氛下，加熱器溫度一般保持在不低于650℃，并且不高于800℃。在高于800℃時(shí)，要在氨氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行。
3、選擇合適的激光器，在激光掃描輻照時(shí)在計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)的掃描平臺上進(jìn)行，掃描平臺運(yùn)動的速率和激光輻照的頻率有關(guān)系。將具有一定能量密度的激光垂直入射穿過藍(lán)寶石，輻照藍(lán)寶石/GaN界面。激光波長所對應(yīng)的能量小于藍(lán)寶石帶隙，但是大于GaN的帶隙。如采用Lambda Physik LPX 205i KrF紫外光受激準(zhǔn)分子激光器(波長248nm，脈沖寬38ns)，激光能量密度從200～5000mJ/cm2變化。激光掃描輻照的時(shí)間按照一定的頻率和速度在一個(gè)步進(jìn)的掃描平臺上進(jìn)行(在計(jì)算機(jī)控制的二維掃描平臺上)。掃描平臺運(yùn)動的速率和激光輻照的頻率有關(guān)系，運(yùn)動的速率應(yīng)該小于每個(gè)激光光斑輻照的有效直徑。
4、激光輻照完畢，藍(lán)寶石襯底可以被很容易的清除掉。即可得到自支撐GaN襯底。
利用改進(jìn)的激光輻照剝離技術(shù)，我們成功地獲得了大尺寸(≥2英寸)平整、無裂縫自支撐GaN襯底。由于在高于650℃下，GaN中由藍(lán)寶石引起的應(yīng)力完全釋放，獲得的GaN襯底很平整，應(yīng)力引起的翹曲情況被極大地改善了。
權(quán)利要求
1.改進(jìn)的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法，其特征是在650-800℃空氣氣氛中直接用合適波長的紫外激光器透過藍(lán)寶石輻照GaN/藍(lán)寶石樣品，界面處的GaN被分解后，藍(lán)寶石可以很容易的被去掉，即可得到GaN自支撐襯底。
2.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法，其特征是在高于800℃時(shí)在氨氣氣氛保護(hù)下進(jìn)行激光器透過藍(lán)寶石輻照。
3.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法，其特征是激光剝離前，GaN薄膜厚度在100微米以上。
4.如權(quán)利要求3所述的改進(jìn)的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法，其特征是激光剝離前，GaN薄膜在300微米以上。
全文摘要
改進(jìn)的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法，在650－800℃空氣氣氛中直接用合適波長的紫外激光器透過藍(lán)寶石輻照GaN/藍(lán)寶石樣品，界面處的GaN被分解后，藍(lán)寶石可以很容易的被去掉，即可得到GaN自支撐襯底。在高于800℃時(shí)在氨氣氣氛保護(hù)下進(jìn)行激光器透過藍(lán)寶石輻照。本發(fā)明經(jīng)高于650℃激光剝離，GaN和藍(lán)寶石很容易就分離開來，從而得到GaN自支撐襯底。且藍(lán)寶石和襯底之間的應(yīng)力完全得到釋放，得到的GaN襯底平整無翹曲。
文檔編號H01L21/268GK1794419SQ20051009524
公開日2006年6月28日 申請日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者修向前, 張 榮, 陳琳, 謝自力, 韓平, 顧書林, 江若璉, 胡立群, 朱順明, 施毅, 鄭有炓 申請人:南京大學(xué)