CN101429650A - 一种原位制备自支撑氮化镓衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
原位制备自支撑氮化镓衬底的方法，采用HVPE生长方式在蓝宝石上生长GaN缓冲层薄膜，反应源材料为金属镓，高纯HCl或三甲基镓或其它有机镓源，载气N2及NH3；生长温度为550－750℃，缓冲层厚度在50nm－1μm；缓冲层生长完成后，关闭HCl气体或三甲基镓气体，在氨气保护下开始升温，升温时间15±4分钟至1000－1100℃生长温度，开始GaN生长直到所需要的厚度；关闭HCl气体，停止生长，在氨气保护下开始降温。降温速率维持在5－20℃/分钟；降温方式温度降至在650－750℃之间时，在该温度区间维持10－30分钟；然后自然降温至室温，即可得到自剥离的自支撑GaN衬底。
Description
一、技术领域
本发明涉及采用低温GaN HVPE缓冲层和特殊降温工艺在蓝宝石衬底上HVPE生长GaN厚膜并原位获得自支撑GaN衬底的方法和技术。
二、背景技术
以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料，其1.9—6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能使其成为短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备的最优选材料。
由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。然而，用GaN衬底进行同质外延获得III族氮化物薄膜材料却显示出了极其优越的性能，因此用低位错密度衬底进行GaN同质外延是改善III族氮化物外延层质量的较好办法。
目前，大面积GaN衬底通常都是在异质衬底(如蓝宝石、SiC、Si等)上气相生长GaN厚膜，然后将原异质衬底分离后获得的。其中在蓝宝石衬底上生长GaN最普遍，质量也最高。为了得到自支撑GaN衬底，必须除去蓝宝石衬底。由于蓝宝石极其稳定，难以采用化学腐蚀方法。一般的方法是机械磨削，但因蓝宝石很硬，不仅要消耗大量的金刚石磨料，成本很高而且速度极慢。采用激光辐照的方法，利用激光对GaN厚膜和衬底的界面区加热使之熔化，从而获得自支撑的GaN衬底。激光剥离方法的优点是时间快，蓝宝石衬底可回收使用。但是由于激光剥离的方法需要短波长激光器，并且剥离的时候需要严格控制辐照功率和辐照方式，增加了成本和复杂程度。参见本申请人提出的CN200510095245.8改进的制备自支撑氮肥化镓衬底的激光剥离的方法。
三、发明内容
本发明目的是：将蓝宝石上HVPE生长的GaN薄膜在生长结束后降温过程中原位剥离下来，获得自支撑GaN衬底。在本发明中，我们采用特殊工艺，在蓝宝石衬底上HVPE生长GaN厚膜前先生长低温缓冲层，生长GaN厚膜完成后采用特殊控制的降温方式，在降温的过程中使得GaN薄膜自动原位剥离下来，获得自支撑GaN衬底。
本发明的技术解决方案是：原位制备自支撑氮化镓衬底的方法，采用HVPE生长方式在蓝宝石上生长GaN缓冲层薄膜，反应源材料为金属镓，高纯HCl或三甲基镓或其它有机镓源，载气N2及NH3；生长温度为550-750℃，缓冲层厚度在50nm-1μm；缓冲层生长完成后，关闭HCl气体或三甲基镓气体，在氨气保护下开始升温，升温时间15±4分钟至1000-1100℃生长温度，开始GaN生长直到所需要的厚度；
金属镓，高纯HCl为镓源(有机镓源时关闭镓源气体)时，关闭HCl气体，停止生长，在氨气保护下开始降温。降温速率维持在5-20℃/分钟；降温方式温度降至在650-750℃之间时，在该温度区间维持10-30分钟；然后自然降温至室温，即可得到自支撑GaN衬底。降温过程也可以按照一定的速率从生长温度直接降温至室温，但不如前述降温方式好。
本发明的机理是：由于蓝宝石和GaN的晶格和热失配比较大，在降温过程中会形成应力和应变，这种热应力会使得GaN在降温过程碎裂。但是通过采用低温缓冲层和控制降温速率可以获得无裂纹自支撑GaN，实现GaN薄膜的自动剥离。主要原因是，一般来说HVPE低温缓冲层由于控制较困难，生长质量不高，和蓝宝石衬底之间的粘附性较差。GaN低温HVPE缓冲层一方面起到了释放GaN—蓝宝石之间应力的作用，另外一方面，在降温过程中，由于两边的高质量GaN厚膜和蓝宝石硬度都比较高且热膨胀系数不同，在热应力作用下，GaN低温缓冲层发生断裂，从而分离出自支撑的GaN衬底。
本发明方法的有益效果是，衬底和薄膜的分离是在反应腔中原位进行，生长结束降温过程中就使得蓝宝石和GaN发生分离，直接得到自支撑GaN衬底，避免了机械抛光、化学腐蚀的污染及激光剥离等方法对薄膜的二次破坏。在本发明中生长GaN厚膜完成后采用特殊控制的降温方式，在降温的过程中使得GaN薄膜自动原位剥离下来，获得的自支撑GaN衬底质量好，生产过程中也不额外增加成本。
四、附图说明
图1为本发明蓝宝石衬底上HVPE生长GaN的结构示意图。
蓝宝石衬底1、缓冲层2、在降温过程中，GaN厚膜3会从缓冲层位置和蓝宝石自动分离。
五、具体实施方式
本发明方案主要包括下面步骤：
采用氢化物气相外延(HVPE)在蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层薄膜。生长温度550-750℃，缓冲层厚度在50nm-1μm。反应源材料为金属镓，高纯HCl，镓源也可以采用三甲基镓或其它有机镓源，载气N2及NH3等；
缓冲层生长完成后，关闭HCl气体或三甲基镓气体，在氨气保护下开始升温，升温时间约15分钟至生长温度(1000-1100℃)。开始GaN生长直到所需要的厚度。
关闭HCl气体，停止生长，在氨气保护下开始降温。降温速率维持在5-20℃/分钟。可以自然直接降温也可以采用步骤4方式。
降温方式温度降至在650-750℃之间时，在该温度区间维持10-30分钟。
自然降温至室温，即可得到自剥离的自支撑GaN衬底。
利用HVPE低温GaN缓冲层和降温控制技术，我们成功获得了无裂缝自支撑GaN衬底。仔细地控制缓冲层厚度和降温条件，我们可以实现大面积(直径>2英寸)的GaN薄膜的剥离。
生长条件采用常规的工艺：金属有机镓源为三甲基镓流为1-50sccm。载气流量为2-8slm。载气，H2或N2或H2和N2混合气体作为稀释气体，NH3气作为氮源。H2或N2或H2和N2混合气稀释气流量2500-3500sccm；NH3气200-700sccm，尤其是500-700sccm。V/III比为200-3000，指N与Ga之摩尔比。(引自谢老师的一件申请条件？)
实施例1
卧式HVPE系统，缓冲层生长温度700℃，缓冲层生长时间1分钟。缓冲层生长条件，氨气和HCl为气源，NH3流量为1000sccm，氨气载气流量为500sccm，HCl流量为10sccm，HCl载气流量为200sccm，总氮气流量为1000sccm。升温至1050℃，生长GaN厚膜，时间约2小时，厚度200-300微米。生长条件NH3流量为1000sccm，氨气载气流量为500sccm，HCl流量为20sccm，HCl载气流量为200sccm，总氮气流量为2500sccm。
生长完成后开始降温，采用直接降温的方式，降温速率约为10℃/分钟。最终得到近2英寸，200多微米厚的GaN自支撑衬底。
Claims (2)
1、原位制备自支撑氮化镓衬底的方法，其特征是采用HVPE生长方式在蓝宝石上生长GaN缓冲层薄膜，反应源材料为金属镓，高纯HCl或三甲基镓或其它有机镓源，载气N2及NH3；生长温度为550-750℃，缓冲层厚度在50nm-1μm；缓冲层生长完成后，关闭HCl气体或三甲基镓气体，在氨气保护下开始升温，升温时间15±4分钟至1000-1100℃生长温度，开始GaN生长直到所需要的厚度；关闭HCl气体，停止生长，在氨气保护下开始降温。降温速率维持在5-20℃/分钟；降温方式温度降至在650-750℃之间时，在该温度区间维持10-30分钟；然后自然降温至室温，即可得到自剥离的自支撑GaN衬底。
2、原位制备自支撑氮化镓衬底的方法，其特征是降温方式为，当温度降至在650-750℃之间时，采用直接降温至室温方式。
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2008
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