專利名稱：一種原位制備自支撐氮化鎵襯底的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用低溫GaN HVPE緩沖層和特殊降溫工藝在藍(lán)寶石襯底上HVPE生長GaN 厚膜并原位獲得自支撐GaN襯底的方法和技術(shù)。
二背景技術(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. 9一6. 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(cuò)密度襯底進(jìn)行GaN同質(zhì)外延是改善ni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。其中在藍(lán)寶石襯底上生長GaN最普遍，質(zhì) 量也最高。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。采用激光輻照的方法，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。但是由于激光剝離的方法需要短波長激光器，并且剝離的時(shí)候 需要嚴(yán)格控制輻照功率和輻照方式，增加了成本和復(fù)雜程度。參見本申請人提出的 CN200510095245.8改進(jìn)的制備自支撐氮肥化鎵襯底的激光剝離的方法。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是:將藍(lán)寶石上HVPE生長的GaN薄膜在生長結(jié)束后降溫過程中原位剝離 下來，獲得自支撐GaN襯底。在本發(fā)明中，我們采用特殊工藝，在藍(lán)寶石襯底上HVPE 生長GaN厚膜前先生長低溫緩沖層，生長GaN厚膜完成后采用特殊控制的降溫方式，在 降溫的過程中使得GaN薄膜自動(dòng)原位剝離下來，獲得自支撐GaN襯底。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是原位制備自支撐氮化鎵襯底的方法，采用HVPE生長方式 在藍(lán)寶石上生長GaN緩沖層薄膜，反應(yīng)源材料為金屬鎵，高純HC1或三甲基鎵或其它有 機(jī)鎵源，載氣N2及NH3;生長溫度為550-750°C，緩沖層厚度在50nm-l u m;緩沖層生 長完成后，關(guān)閉HC1氣體或三甲基鎵氣體，在氨氣保護(hù)下開始升溫，升溫時(shí)間15 ±4 分鐘至1000-1100。C生長溫度，開始GaN生長直到所需要的厚度；
金屬鎵，高純HC1為鎵源(有機(jī)鎵源時(shí)關(guān)閉鎵源氣體)時(shí)，關(guān)閉HC1氣體，停止生 長，在氨氣保護(hù)下開始降溫。降溫速率維持在5-2(TC/分鐘；降溫方式溫度降至在650-75(TC之間時(shí)，在該溫度區(qū)間維持10-30分鐘；然后自然降溫至室溫，即可得到自 支撐GaN襯底。降溫過程也可以按照一定的速率從生長溫度直接降溫至室溫，但不如前 述降溫方式好。
本發(fā)明的機(jī)理是由于藍(lán)寶石和GaN的晶格和熱失配比較大，在降溫過程中會(huì)形成 應(yīng)力和應(yīng)變，這種熱應(yīng)力會(huì)使得GaN在降溫過程碎裂。但是通過采用低溫緩沖層和控制 降溫速率可以獲得無裂紋自支撐GaN，實(shí)現(xiàn)GaN薄膜的自動(dòng)剝離。主要原因是， 一般來 說HVPE低溫緩沖層由于控制較困難，生長質(zhì)量不高，和藍(lán)寶石襯底之間的粘附性較差。 GaN低溫HVPE緩沖層一方面起到了釋放GaN—藍(lán)寶石之間應(yīng)力的作用，另外一方面， 在降溫過程中，由于兩邊的高質(zhì)量GaN厚膜和藍(lán)寶石硬度都比較高且熱膨脹系數(shù)不同， 在熱應(yīng)力作用下，GaN低溫緩沖層發(fā)生斷裂，從而分離出自支撐的GaN襯底。
本發(fā)明方法的有益效果是，襯底和薄膜的分離是在反應(yīng)腔中原位進(jìn)行，生長結(jié)束降 溫過程中就使得藍(lán)寶石和GaN發(fā)生分離，直接得到自支撐GaN襯底，避免了機(jī)械拋光、 化學(xué)腐蝕的污染及激光剝離等方法對薄膜的二次破壞。在本發(fā)明中生長GaN厚膜完成后 采用特殊控制的降溫方式，在降溫的過程中使得GaN薄膜自動(dòng)原位剝離下來，獲得的自 支撐GaN襯底質(zhì)量好，生產(chǎn)過程中也不額外增加成本。
四

圖l為本發(fā)明藍(lán)寶石襯底上HVPE生長GaN的結(jié)構(gòu)示意圖。
藍(lán)寶石襯底l、緩沖層2、在降溫過程中，GaN厚膜3會(huì)從緩沖層位置和藍(lán)寶石自動(dòng) 分離。
五具體實(shí)施方式
本發(fā)明方案主要包括下面步驟-
采用氫化物氣相外延(HVPE)在藍(lán)寶石襯底上生長低溫GaN緩沖層薄膜。生長溫度 550-75(TC，緩沖層厚度在50nm-l"m。反應(yīng)源材料為金屬鎵，高純HC1，鎵源也可以采 用三甲基鎵或其它有機(jī)鎵源，載氣N2及NH3等；
緩沖層生長完成后，關(guān)閉HC1氣體或三甲基鎵氣體，在氨氣保護(hù)下開始升溫，升溫 時(shí)間約15分鐘至生長溫度(1000-110(TC)。開始GaN生長直到所需要的厚度。
關(guān)閉HC1氣體，停止生長，在氨氣保護(hù)下開始降溫。降溫速率維持在5-20'C/分鐘。 可以自然直接降溫也可以采用步驟4方式。
降溫方式溫度降至在650-75(TC之間時(shí)，在該溫度區(qū)間維持10-30分鐘。 自然降溫至室溫，即可得到自剝離的自支撐GaN襯底。 利用HVPE低溫GaN緩沖層和降溫控制技術(shù)，我們成功獲得了無裂縫自支撐GaN襯底。 仔細(xì)地控制緩沖層厚度和降溫條件，我們可以實(shí)現(xiàn)大面積(直徑〉2英寸)的GaN薄膜 的剝離。
生長條件采用常規(guī)的工藝金屬有機(jī)鎵源為三甲基鎵流為1-50sccm。載氣流量為 2-8slm。載氣，H2或N2或H2和N2混合氣體作為稀釋氣體，NH3氣作為氮源。ft或N2或H2和N2混合氣稀釋氣流量2500-3500sccm; N仏氣200-700 sccm，尤其是500-700 sccm。 V/III比為200-3000,指N與Ga之摩爾比。(引自謝老師的一件申請條件？) 實(shí)施例1
臥式HVPE系統(tǒng)，緩沖層生長溫度70(TC，緩沖層生長時(shí)間1分鐘。緩沖層生長條件， 氨氣和HC1為氣源，NPU荒量為1000sccm,氨氣載氣流量為500sccm，HCl流量為10sccm， HC1載氣流量為200sccm，總氮?dú)饬髁繛?000sccm。升溫至1050。C，生長GaN厚膜，時(shí) 間約2小時(shí)，厚度200-300微米。生長條件NH3流量為1000sccm，氨氣載氣流量為 500sccm， HC1流量為20sccm， HC1載氣流量為200sccm，總氮?dú)饬髁繛?500sccm。
生長完成后開始降溫，采用直接降溫的方式，降溫速率約為1(TC/分鐘。最終得到 近2英寸，200多微米厚的GaN自支撐襯底。
權(quán)利要求
1、原位制備自支撐氮化鎵襯底的方法，其特征是采用HVPE生長方式在藍(lán)寶石上生長GaN緩沖層薄膜，反應(yīng)源材料為金屬鎵，高純HCl或三甲基鎵或其它有機(jī)鎵源，載氣N2及NH3；生長溫度為550-750℃，緩沖層厚度在50nm-1μm；緩沖層生長完成后，關(guān)閉HCl氣體或三甲基鎵氣體，在氨氣保護(hù)下開始升溫，升溫時(shí)間15±4分鐘至1000-1100℃生長溫度，開始GaN生長直到所需要的厚度；關(guān)閉HCl氣體，停止生長，在氨氣保護(hù)下開始降溫。降溫速率維持在5-20℃/分鐘；降溫方式溫度降至在650-750℃之間時(shí)，在該溫度區(qū)間維持10-30分鐘；然后自然降溫至室溫，即可得到自剝離的自支撐GaN襯底。
2、 原位制備自支撐氮化鎵襯底的方法，其特征是降溫方式為，當(dāng)溫度降至在650-750 'C之間時(shí)，采用直接降溫至室溫方式。
全文摘要
原位制備自支撐氮化鎵襯底的方法，采用HVPE生長方式在藍(lán)寶石上生長GaN緩沖層薄膜，反應(yīng)源材料為金屬鎵，高純HCl或三甲基鎵或其它有機(jī)鎵源，載氣N₂及NH₃；生長溫度為550-750℃，緩沖層厚度在50nm-1μm；緩沖層生長完成后，關(guān)閉HCl氣體或三甲基鎵氣體，在氨氣保護(hù)下開始升溫，升溫時(shí)間15±4分鐘至1000-1100℃生長溫度，開始GaN生長直到所需要的厚度；關(guān)閉HCl氣體，停止生長，在氨氣保護(hù)下開始降溫。降溫速率維持在5-20℃/分鐘；降溫方式溫度降至在650-750℃之間時(shí)，在該溫度區(qū)間維持10-30分鐘；然后自然降溫至室溫，即可得到自剝離的自支撐GaN襯底。
文檔編號(hào)H01L21/00GK101429650SQ20081023527
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者修向前, 華雪梅, 榮 張, 毅 施, 朱順明, 胡立群, 謝自力, 鄭有炓, 海 陸, 平 韓, 顧書林 申請人:南京大學(xué)