專(zhuān)利名稱(chēng)：一種制備三族氮化物襯底的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用氣相外延生長(zhǎng)的方法制備三族氮化物襯底的方法，用于獲得大面積的三族氮化物襯底，以及任何組分的III族氮化物厚膜襯底和自支撐單晶襯底。
背景技術(shù)：
對(duì)于III族氮化物材料的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)十多年的研究發(fā)展，相繼在藍(lán)光發(fā)光二極管、短波長(zhǎng)激光器、紫外探測(cè)器和LED白光照明光源等方面取得突破。目前器件性能的進(jìn)一步提高和一些新的器件的設(shè)計(jì)制作受到了襯底材料和器件結(jié)構(gòu)中外延膜質(zhì)量的限制。已經(jīng)報(bào)道有很多方法來(lái)提高外延膜的質(zhì)量，如側(cè)向外延，多緩沖層技術(shù)等。獲得高質(zhì)量GaN襯底一直是人們追求的目標(biāo)。目前生長(zhǎng)GaN襯底的主要方法有高壓釜氮?dú)馀c金屬鎵的直接反應(yīng)制備和鹵化物氣相外延生長(zhǎng)法(HVPE)。前一種方法難以獲得大尺寸晶體，而后一種方法為目前研究的主流。
鹵化物氣相外延生長(zhǎng)法(HVPE)是利用HCl氣體進(jìn)行氣相外延的方法，其過(guò)程為氣體HCl流經(jīng)金屬源，形成金屬鹵化物，然后與另一種氣體反應(yīng)生成所需的產(chǎn)物。一個(gè)典型的例子是用于III族氮化物的HVPE系統(tǒng)，氣體HCl流經(jīng)金屬(Ga，Al，In)，形成金屬鹵化物(GaCl，AlCl，InCl)，然后與V族源NH3反應(yīng)生成GaN、AlN、InN。HVPE設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)速度快，可以達(dá)到250μm/hr，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于材料生長(zhǎng)領(lǐng)域。由于獲得的氮化物外延膜通常被作為襯底使用，因而也被稱(chēng)為氮化物襯底。
上述制備方法中，氮化物外延膜通常生長(zhǎng)于藍(lán)寶石襯底上。其中存在的主要問(wèn)題是由于所用的襯底材料和外延膜的晶格和熱膨脹系數(shù)失配，當(dāng)外延膜達(dá)到幾十微米時(shí)就會(huì)因應(yīng)力而發(fā)生開(kāi)裂，不能得到大尺寸自支撐的襯底晶片，特別是在如何將外延膜(如GaN)從藍(lán)寶石襯底上剝離的問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決。激光剝離的方法、側(cè)向外延生長(zhǎng)掩膜的方法等實(shí)施起來(lái)并不方便，而且成品率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種制備三族氮化物襯底的方法，以解決應(yīng)力造成的開(kāi)裂、變形等影響，獲得平整的、較大厚度的氮化物襯底。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種制備三族氮化物襯底的方法，包括下列步驟(1)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)三族氮化物薄膜，薄膜厚度在50納米到50微米之間；(2)用高能量激光從襯底背面入射輻照，使三族氮化物薄膜和藍(lán)寶石襯底不完全剝離，分離面積為總面積的10％到99％之間，所述高能量激光的光子能量在三族氮化物與藍(lán)寶石的帶寬之間；(3)對(duì)處理后的三族氮化物及藍(lán)寶石襯底采用鹵化物氣相外延生長(zhǎng)法繼續(xù)進(jìn)行三族氮化物薄膜生長(zhǎng)，至所需厚度，即獲得所需的三族氮化物襯底。
上述技術(shù)方案中，所述步驟(1)中，既可以采用氣相化學(xué)沉積方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一層三族氮化物薄膜后，即進(jìn)入步驟(2)，也可以在采用氣相化學(xué)沉積方法生長(zhǎng)薄膜后，接著采用鹵化物氣相外延生長(zhǎng)法使薄膜厚度增加至10微米至50微米之間，再進(jìn)入步驟(2)，即步驟(1)采用的方法是現(xiàn)有技術(shù)。所述步驟(2)中，采用的高能量激光在穿透藍(lán)寶石襯底時(shí)沒(méi)有吸收，而激光的能量為三族氮化物薄膜完全吸收，在襯底和薄膜的界面處實(shí)現(xiàn)局部熔化分解，造成薄膜和藍(lán)寶石襯底間的不完全剝離。
上述技術(shù)方案中，所述步驟(2)中，輻照分離的部位構(gòu)成斑點(diǎn)狀陣列，所述每一斑點(diǎn)的尺寸在0.1毫米至5毫米之間；所述步驟(3)中獲得的產(chǎn)物是與藍(lán)寶石襯底局部連接的三族氮化物襯底。
或者，所述步驟(2)中，輻照分離的部位呈條狀分布，條紋寬度在0.1毫米至5毫米之間；所述步驟(3)中，在三族氮化物薄生長(zhǎng)至所需厚度時(shí)，從弱連接的藍(lán)寶石襯底上自動(dòng)分離，獲得自支撐的外延薄膜。
其中，所述條狀圖案選自直條紋、同心圓、同心橢圓、螺旋線(xiàn)或多邊形中的一種。
本發(fā)明通過(guò)上述技術(shù)方案，提出了一種原位實(shí)現(xiàn)三族氮化物厚膜從藍(lán)寶石襯底上剝離分開(kāi)的方法，并且可以用于制備生長(zhǎng)溫度在600℃以上所有組分的III族氮化物襯底。
以氮化鎵為例，本方法在GaN膜層和藍(lán)寶石襯底之間形成弱連接，通過(guò)生長(zhǎng)應(yīng)力的積累或者在升降溫度過(guò)程中應(yīng)力變化來(lái)實(shí)現(xiàn)GaN和襯底的分離。
首先利用在藍(lán)寶石(sapphire)襯底上生長(zhǎng)50納米到50微米左右的GaN薄膜，利用高能量激光在從襯底背面入射輻照，將GaN薄膜和藍(lán)寶石襯底不完全剝離，即呈部分分離，分離面積達(dá)到10％到99％之間。具體方法是選擇光子能量在GaN和藍(lán)寶石帶寬之間的高能量激光(例如KrF準(zhǔn)分子激光)，局域性地加熱藍(lán)寶石/GaN界面處的GaN，使界面處的GaN經(jīng)歷高溫而局部分解，實(shí)現(xiàn)GaN外延層和藍(lán)寶石襯底的弱連接、釋放GaN膜層中的應(yīng)力應(yīng)變。然后把經(jīng)過(guò)激光輻照處理的GaN/藍(lán)寶石樣品在HVPE中繼續(xù)生長(zhǎng)，當(dāng)GaN生長(zhǎng)到一定厚度時(shí)，由于應(yīng)力作用，GaN外延膜就會(huì)從弱連接的襯底上自動(dòng)分離，從而實(shí)現(xiàn)GaN自支撐薄膜的外延生長(zhǎng)。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明利用高能量激光的局部輻射，實(shí)現(xiàn)薄膜和襯底的弱連接，解決了外延薄膜和襯底之間的應(yīng)力問(wèn)題，避免了在制備過(guò)程中薄膜出現(xiàn)開(kāi)裂或彎曲變形，提供了利用鹵化物氣相外延生長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)三族氮化物襯底制備的新方法，可用于制備1英寸以上大面積的III族氮化物襯底；2.本發(fā)明采用網(wǎng)格狀或斑點(diǎn)狀的不連續(xù)圖形實(shí)現(xiàn)不完全剝離時(shí)，可以有效釋放應(yīng)力，保證獲得薄膜的平整度；3.本發(fā)明采用條紋狀圖形實(shí)現(xiàn)不完全剝離時(shí)，可以通過(guò)應(yīng)力積累，在薄膜達(dá)到所需厚度時(shí)實(shí)現(xiàn)薄膜與藍(lán)寶石襯底的原位自動(dòng)分離，從而獲得所需厚度的自支撐外延薄膜。


附圖1為實(shí)施例一中GaN在HVPE中生長(zhǎng)示意圖；附圖2為實(shí)施例一中用激光器輻照的示意圖；附圖3為實(shí)施例一中薄膜與襯底斑點(diǎn)狀脫離的圖案示意圖；
附圖4為實(shí)施例三中薄膜與襯底條紋狀脫離的圖案示意圖。
其中1、襯底；2、薄膜；3、激光。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一參見(jiàn)附圖1至附圖3所示，厚度大于10微米的GaN在藍(lán)寶石襯底上的生長(zhǎng)。
如附圖1所示，首先用HVPE在藍(lán)寶石襯底1上生長(zhǎng)一層2微米厚度的GaN，生長(zhǎng)方式也可以采用MOCVD或者M(jìn)BE方法。然后降溫取出樣品，如圖2采用高能量激光3從襯底背面入射，通過(guò)掃描方式在界面掃描出如圖3所示的圖形，其方式是，利用短波長(zhǎng)激光器從襯底背面輻照GaN和襯底界面，激光器的波長(zhǎng)范圍為光子能量介于藍(lán)寶石和薄膜材料帶寬之間，這樣在激光穿透襯底時(shí)沒(méi)有吸收，而激光的能量為薄膜2完全吸收，在襯底和薄膜界面實(shí)現(xiàn)局部熔化分解。附圖3中，斑點(diǎn)部位為局部熔化脫離的部位，其面積占總面積的10％～99％。因?yàn)橐r底和薄膜在局部脫開(kāi)，中間以金屬鎵連接，然后將經(jīng)過(guò)這樣處理的樣品重新生長(zhǎng)，就可以解決厚膜GaN襯底晶片的彎曲問(wèn)題。因?yàn)閼?yīng)力被局部釋放，在不需要復(fù)雜的側(cè)向生長(zhǎng)工藝情況下，將GaN薄膜生長(zhǎng)到100微米以上。采用光學(xué)顯微鏡放大50倍進(jìn)行觀(guān)察，沒(méi)有經(jīng)過(guò)激光處理的GaN/sapphire直接生長(zhǎng)到100微米厚，GaN膜布滿(mǎn)裂紋；而采用本實(shí)施例方法處理后的GaN薄膜生長(zhǎng)到100微米，照片中GaN膜層沒(méi)有裂紋。
實(shí)施例二、厚度大于10微米的AlGaN襯底在藍(lán)寶石襯底上的生長(zhǎng)。
首先用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一層1微米厚度的GaN。然后降溫取出樣品，如圖2采用高能量激光從襯底背面入射，通過(guò)掃描方式在界面掃描出如圖3所示的圖形。然后在HVPE中將樣品加熱到1100℃直接生長(zhǎng)AlGaN，其中金屬成份中，Al的重量比可以是從0％到100％的任意組分。根據(jù)Al的組分和需要生長(zhǎng)的厚度，上述方法可以多次使用。
實(shí)施例三、GaN自支撐同質(zhì)襯底的生長(zhǎng)。
首先用HVPE在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一層2微米厚度的GaN，生長(zhǎng)方式也可以在MOCVD中或者用MBE方法。然后降溫取出樣品，如圖2采用高能量激光從襯底背面入射，通過(guò)掃描方式在界面掃描出條紋狀圖形。附圖4中顯示了一種可以實(shí)現(xiàn)GaN薄膜在原位生長(zhǎng)過(guò)程中和藍(lán)寶石襯底剝離分開(kāi)的激光掃描圖形。將GaN薄膜生長(zhǎng)到100微米以上就在生長(zhǎng)應(yīng)力的作用下，實(shí)現(xiàn)了GaN薄膜和襯底的完全分離。分離后連續(xù)生長(zhǎng)，就能夠得到GaN自支撐同質(zhì)襯底。
權(quán)利要求
1.一種制備三族氮化物襯底的方法，其特征在于，包括下列步驟(1)在藍(lán)寶石襯底1上生長(zhǎng)三族氮化物薄膜2，薄膜厚度在50納米到50微米之間；(2)用高能量激光3從襯底背面入射輻照，使三族氮化物薄膜和藍(lán)寶石襯底不完全剝離，分離面積為總面積的10％到99％之間，所述高能量激光的光子能量在三族氮化物與藍(lán)寶石的帶寬之間；(3)對(duì)處理后的三族氮化物及藍(lán)寶石襯底采用鹵化物氣相外延生長(zhǎng)法繼續(xù)進(jìn)行三族氮化物薄膜生長(zhǎng)，至所需厚度，即獲得所需的三族氮化物襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備三族氮化物襯底的方法，其特征在于所述步驟(2)中，輻照分離的部位構(gòu)成斑點(diǎn)狀陣列，所述每一斑點(diǎn)的尺寸在0.1毫米至5毫米之間；所述步驟(3)中獲得的產(chǎn)物是與藍(lán)寶石襯底局部連接的三族氮化物襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備三族氮化物襯底的方法，其特征在于所述步驟(2)中，輻照分離的部位呈條狀分布，條紋寬度在0.1毫米至5毫米之間；所述步驟(3)中，在三族氮化物薄生長(zhǎng)至所需厚度時(shí)，從弱連接的藍(lán)寶石襯底上自動(dòng)分離，獲得自支撐的外延薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備三族氮化物襯底的方法，其特征在于所述條狀圖案選自直條紋、同心圓、同心橢圓、螺旋線(xiàn)或多邊形中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種制備三族氮化物襯底的方法，其特征在于，包括下列步驟(1)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)三族氮化物薄膜，薄膜厚度在50納米到50微米之間；(2)用高能量激光從襯底背面入射輻照，使三族氮化物薄膜和藍(lán)寶石襯底不完全剝離，分離面積為總面積的10％到99％之間，所述高能量激光的光子能量在三族氮化物與藍(lán)寶石的帶寬之間；(3)對(duì)處理后的三族氮化物及藍(lán)寶石襯底采用鹵化物氣相外延生長(zhǎng)法繼續(xù)進(jìn)行三族氮化物薄膜生長(zhǎng)，至所需厚度，即獲得所需的三族氮化物襯底。本發(fā)明能保證獲得薄膜的平整度，也可實(shí)現(xiàn)薄膜與藍(lán)寶石襯底的原位自動(dòng)分離，從而獲得所需厚度的自支撐外延薄膜。
文檔編號(hào)C30B25/14GK101086083SQ20071002355
公開(kāi)日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月8日
發(fā)明者徐科, 楊輝, 王建峰, 張寶順 申請(qǐng)人:蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所