專利名稱：降低氮化鎵單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電材料和器件領(lǐng)域，尤其涉及一種降低GaN單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體材料由于具有很寬的禁帶寬度、良好的光電學(xué)性能(較高的載流子濃度、遷移率、電子飽和速度、擊穿電場與較低的介電常數(shù)等)和物理化學(xué)性能(耐高溫、耐腐蝕等)，被譽(yù)為是繼第一代Si、Ge元素半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料，或“后硅器件時(shí)代材料”的主要代表，是制作高頻、高溫、高壓、大功率集成電路(IC)用微電子器件和短波長、大功率光電子器件的理想材料。
由于GaN材料極高的熔解溫度和較高的氮?dú)怙柡驼魵鈮?，通過常規(guī)的方法制備GaN體單晶相當(dāng)困難，因此目前GaN基合金材料多生長在異質(zhì)基底上，如藍(lán)寶石、硅、GaAs、SiC等，尤其是以經(jīng)濟(jì)便宜的藍(lán)寶石居多，但是由于藍(lán)寶石與GaN晶格失配較大并且熱膨脹系數(shù)相差較大，一方面造成GaN晶體中缺陷密度高，當(dāng)前在藍(lán)寶石上生長的GaN晶體缺陷密度一般在1010/cm2左右，即便采用側(cè)向外延、多緩沖層等技術(shù)目前最好也只能到106/cm2，距離在同質(zhì)基底上生長的GaAs材料系的晶體質(zhì)量相差還很遠(yuǎn)，這使得GaN基材料的優(yōu)異性能得不到充分的發(fā)揮，相應(yīng)的GaN基光電子、微電子器件的性能受到了很大的限制。
為降低GaN外延層中的應(yīng)力，提高晶體質(zhì)量或減少開裂，很多公司和研究機(jī)構(gòu)采用了側(cè)向外延技術(shù)、多緩沖層技術(shù)、各種插入層技術(shù)或各種圖形基底工藝，并申請了相關(guān)專利，這些專利所涉及的技術(shù)方案各有千秋，每一個(gè)既有它的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)本身也存在難以逾越的難點(diǎn)，尤其是在如何有效的降低GaN膜層中的應(yīng)力方面還存在很多問題，這也是生長高質(zhì)量GaN單晶厚膜的關(guān)鍵技術(shù)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用激光輻照降低GaN單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的方法。
本發(fā)明具體技術(shù)方案如下一種降低GaN單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的方法，其步驟如下1)在異質(zhì)基底上生長GaN薄膜；2)采用激光透過異質(zhì)基底，輻照在GaN薄膜上，在GaN薄膜底部獲得預(yù)分解態(tài)層，該預(yù)分解態(tài)層降低了GaN膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力。
步驟2進(jìn)一步包括采用的高能量激光光子能量范圍在GaN和異質(zhì)基底帶隙之間。
步驟2進(jìn)一步包括控制激光輻照的能量密度在200-500mJ/cm2之間，在GaN底部上形成一預(yù)分解態(tài)層，該預(yù)分解態(tài)層降低GaN外延層與基底之間的化學(xué)鍵的聯(lián)系。
步驟2進(jìn)一步包括該預(yù)分解態(tài)層呈網(wǎng)狀或點(diǎn)狀分布，改變GaN外延層與基底之間的連結(jié)強(qiáng)度，其厚度范圍在100納米以內(nèi)。
在異質(zhì)基底上利用MOCVD或MBE等技術(shù)生長GaN薄膜，GaN薄膜的厚度在10μm以內(nèi)。
所述異質(zhì)基底為藍(lán)寶石、碳化硅、鎳酸鋰或硅。
本發(fā)明有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)(1)激光輻照在藍(lán)寶石和GaN界面處形成的預(yù)分解態(tài)層，可降低生長過程中由于藍(lán)寶石等異質(zhì)基底和GaN單晶之間的應(yīng)力作用，可以減少外延層與基底間的失配應(yīng)力，導(dǎo)致更高晶體質(zhì)量的材料生長。
(2)激光輻照在藍(lán)寶石和GaN界面處形成的預(yù)分解態(tài)層，可降低生長過程中由于藍(lán)寶石等異質(zhì)基底和GaN單晶之間的應(yīng)力作用，緩解由于應(yīng)力而導(dǎo)致的GaN單晶開裂問題。
(3)本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)激光能量、激光光斑大小、掃描間距等得到合適的預(yù)分解狀態(tài)，工藝可控性強(qiáng)，重復(fù)性高，適合于產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)地說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例一示意圖；其中，圖1a 異質(zhì)基底上生長的GaN薄膜；圖1b 激光輻照制備GaN預(yù)分解態(tài)；圖1c GaN薄膜上GaN單晶厚膜的快速生長；圖1d GaN薄膜厚膜從基底上自動分離，獲得GaN單晶厚膜。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出一種用于降低GaN單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的技術(shù)方法，該方法可以和HVPE、MOCVD等GaN生長技術(shù)結(jié)合合在一起，制備高質(zhì)量GaN單晶厚膜。本發(fā)明的核心是通過激光輻照的方法減少藍(lán)寶石等異質(zhì)基底和GaN單晶厚膜之間的應(yīng)力作用，采用光子能量大于GaN的帶隙而小于藍(lán)寶石等基底帶隙的激光從藍(lán)寶石一側(cè)入射，藍(lán)寶石對激光全部透過，而GaN材料對激光強(qiáng)烈吸收，因此藍(lán)寶石與GaN界面處的GaN就因?yàn)閷す夤庾拥奈掌渚植繙囟瓤焖偕?，隨著溫度的升高可導(dǎo)致界面處100納米以內(nèi)GaN的分解或處于預(yù)分解狀態(tài)，控制激光的能量密度，可實(shí)現(xiàn)GaN單晶膜與藍(lán)寶石等異質(zhì)基底間應(yīng)力的降低。
下面參照本發(fā)明的附圖，更詳細(xì)的描述出本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
參考圖1，本發(fā)明采用激光輻照降低在藍(lán)寶石等異質(zhì)基底1上GaN膜層的應(yīng)力，制備大面積GaN高質(zhì)量單晶厚膜2。
在藍(lán)寶石等異質(zhì)基底上利用MOCVD或MBE等技術(shù)生長高質(zhì)量GaN薄膜，厚度在10m之內(nèi)，如圖1a；選擇光子能量在GaN和藍(lán)寶石等基底帶隙之間的激光(如KrF準(zhǔn)分子激光等)從藍(lán)寶石一側(cè)輻照，局域性地加熱藍(lán)寶石界面處100納米范圍GaN膜層，使得100納米范圍GaN經(jīng)歷高溫而處于局部的預(yù)分解狀態(tài)，釋放GaN膜層中的應(yīng)力應(yīng)變，獲得GaN底部的弱連接層3。
激光輻照所用的樣品臺由一套四維的可通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動控制的高精度電控平移臺和旋轉(zhuǎn)臺構(gòu)成，激光光斑的位置保持不動，其位置由激光器輸出光路決定，通過電腦控制樣品臺的移動實(shí)現(xiàn)激光光斑在樣品上的自動掃描。掃描的方式可以是逐行掃描方式或旋轉(zhuǎn)式掃描，詳細(xì)技術(shù)方法可參見本發(fā)明人已申請的申請?zhí)?00410009840.0專利。通過控制激光光斑(一般在2mm以內(nèi))在樣品上掃描的間隔可獲得呈網(wǎng)狀或點(diǎn)狀分布的預(yù)分解態(tài)層，如圖1b所示；GaN的預(yù)分解態(tài)層釋放了GaN膜層中的應(yīng)力應(yīng)變，降低GaN膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力。
把經(jīng)過激光輻照處理過的具有弱連接的GaN/藍(lán)寶石等異質(zhì)基底，進(jìn)行二次生長之前的表面處理，包括有機(jī)清洗和氧化層的去除；將清洗干凈的具有弱連接的GaN/藍(lán)寶石等異質(zhì)基底在HVPE等快速生長設(shè)備中進(jìn)行GaN單晶厚膜生長的二次生長，在GaN單晶厚膜生長過程中，由于預(yù)分解的弱連接緩解了GaN單晶厚膜與基底的熱失配和晶格失配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免彎曲、開裂，獲得大面積的高質(zhì)量的GaN單晶厚膜4，如圖1c；本發(fā)明還可以用來制備自支撐GaN基底，如上述實(shí)施例，在獲得大面積的高質(zhì)量的GaN單晶厚膜4之后的步驟中，當(dāng)GaN單晶厚膜厚度為0.1毫米以上，生長結(jié)束時(shí)，在降溫過程中，由于GaN材料和藍(lán)寶石材料的熱膨脹系數(shù)的不同，產(chǎn)生的法向力，使得GaN單晶厚膜從具有預(yù)分解狀態(tài)的GaN和藍(lán)寶石弱連接層上自動分離，獲得GaN單晶基底，圖1d。
上述實(shí)施例只是本發(fā)明的舉例，盡管為說明目的公開了本發(fā)明的最佳實(shí)施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種降低GaN單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的方法，其步驟如下1)在異質(zhì)基底上生長GaN薄膜；2)采用激光透過異質(zhì)基底，輻照生長在基底上的GaN薄膜，在GaN薄膜底部獲得預(yù)分解態(tài)層，該預(yù)分解態(tài)層降低了GaN膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力。
2.如權(quán)利要求1所述的降低GaN單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的方法，其特征在于步驟2進(jìn)一步包括采用激光的光子能量范圍在GaN和異質(zhì)基底帶隙之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的降低GaN單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的方法，其特征在于步驟2進(jìn)一步包括控制激光輻照的能量密度在200-500mJ/cm2之間。
4.如權(quán)利要求1或2所述的降低GaN單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的方法，其特征在于步驟2進(jìn)一步包括所述預(yù)分解態(tài)層呈網(wǎng)狀或點(diǎn)狀，其厚度范圍在100納米之間。
5.如權(quán)利要求1所述的降低GaN單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的方法，其特征在于在異質(zhì)基底上利用MOCVD或MBE等技術(shù)生長GaN薄膜。
6.如權(quán)利要求1或5所述的降低GaN單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的方法，其特征在于GaN薄膜的厚度在10μm之內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的降低GaN單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的方法，其特征在于所述異質(zhì)基底為藍(lán)寶石、碳化硅、鎳酸鋰或硅。
全文摘要
本發(fā)明提供一種降低GaN單晶膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的方法，屬于光電材料和器件領(lǐng)域。該方法包括在藍(lán)寶石等異質(zhì)基底上生長GaN薄膜，采用激光透過藍(lán)寶石等異質(zhì)襯底，輻照生長在基底上的GaN薄膜，在GaN薄膜底部獲得預(yù)分解態(tài)層，實(shí)現(xiàn)了釋放GaN膜層中的應(yīng)力應(yīng)變，降低GaN膜與異質(zhì)基底間應(yīng)力的目的。本發(fā)明緩解由于應(yīng)力而導(dǎo)致的GaN單晶開裂問題，可導(dǎo)致更高晶體質(zhì)量的材料生長。
文檔編號H01L21/268GK101017775SQ20061016760
公開日2007年8月15日 申請日期2006年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月19日
發(fā)明者康香寧, 張國義, 吳潔君, 趙璐冰, 童玉珍, 楊志堅(jiān) 申請人:北京大學(xué)