[发明专利]氮化物半导体自支撑衬底生长方法及专用设备

说明书

技术领域

本发明属于半导体制备技术领域，尤其涉及一种氮化物半导体自支撑衬底的生长方法及其专用设备。

背景技术

在第三代半导体材料中，GaN、AlN是当之无愧的明星，它们既可用于制作光电子器件，又可以制作微电子器件；GaN基器件不仅在民用方面已得到大量应用，拥有巨大的市场潜力，而且在军事上也有重大应用前景，受到各国军方的极大重视。GaN、AlN有诸多优点，例如禁带宽、又是直接带隙材料、电子饱和速率高、导热性能好、击穿电场高、介电常数小、热稳定性好、化学稳定性强等。GaN与InN、AlN及它们的固溶体组成一个直接带隙半导体体系，禁带宽度从0.7eV到6.2eV，覆盖从红外到紫外光谱范围。目前已经实现商品化的GaN基器件有：蓝光及紫外LED、白光LED、蓝光及紫外LD等。另外氮化镓晶体管(HBT、HEMT)、氮化镓紫外探测器也受到广泛关注。

由于GaN、AlN体单晶很难获得，现在大部分GaN基器件都是在异质衬底上制作的，由于存在晶格失配和热膨胀系数的失配，器件结构中往往存在较多的缺陷和较大的应力，大大影响了器件性能和可靠性。因此设法制备GaN、AlN等氮化物单晶衬底材料成为世界众多研究小组和大公司追求的目标。目前最广泛使用的方法是HVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延法)，普通的用于制备氮化物半导体自支撑衬底的HVPE反应器结构如图1所示，该HVPE反应器包括舟体(boat)1、异质衬底基座3、加热装置4、反应气体进气管路和尾气出口等。舟体1用于放置金属反应物5，该金属反应物与氯化氢气体在舟内反应生成金属氯化物气体，该金属氯化物气体被带到置于异质衬底基座3上的异质衬底2处，并与被带到该异质衬底2处的氨气反应生成氮化物，于是氮化物便在该异质衬底2上生长。

采用HVPE法制备氮化物半导体自支撑衬底，主要是利用HVPE法较高的生长速率，在异质衬底2上生长厚度200微米以上的氮化物单晶膜，然后再将异质衬底2用化学腐蚀、研磨、激光剥离等方法去掉，得到自支撑氮化物单晶衬底。但是由于异质衬底材料与氮化物之间存在着很大的热膨胀系数差别，所以在生长结束后降温过程中，晶片会因热应力产生严重弯曲和破裂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种氮化物半导体自支撑衬底的生长方法，采用该方法能够制备无裂的氮化物半导体自支撑衬底，为此本发明还要提供一种该方法采用的专用设备。

为解决上述技术问题，本发明氮化物半导体自支撑衬底的生长方法包括如下步骤：

步骤A、采用HVPE法开始在异质衬底上生长氮化物单晶膜；

步骤B、在氮化物单晶生长结束降温之前采用腐蚀性气体在高温下将所述异质衬底尽量腐蚀掉。

步骤A所述异质衬底优选易被腐蚀性气体所腐蚀的材料。例如铝酸锂、镓酸锂、硅、砷化镓。

在步骤B中，腐蚀性气体可以是经由一个专门的管路通到所述异质衬底并对其进行腐蚀的，该管路的结构应保证腐蚀性气体不会进入氮化物单晶的生长反应腔内，即不会影响氮化物单晶的正常生长。该专门的管路可以为HVPE反应器中所述异质衬底基座杆的中空内腔。

在步骤B中，可以在氮化物单晶生长结束后降温之前对所述异质衬底进行腐蚀；也可以在开始生长氮化物单晶的同时，即开始对所述异质衬底进行腐蚀；还可以先生长一薄层氮化物，然后在不中断氮化物生长的情况下开始腐蚀所述异质衬底。

为解决上述技术问题，本发明方法采用的专用设备是将普通的用于制备氮化物自支撑衬底的HVPE反应器至少增加腐蚀性气体的通路而形成的。所述腐蚀性气体的通路用于引入腐蚀性气体到异质衬底，以腐蚀该异质衬底。所述腐蚀性气体的通路应保证腐蚀性气体不会进入氮化物单晶的生长反应腔内。

具体地，所述腐蚀性气体的通路可以为在普通的用于制备氮化物自支撑衬底的HVPE反应器中的异质衬底基座杆内形成的中空内腔，在异质衬底被腐蚀前该中空内腔和氮化物单晶的生长反应腔通过异质衬底隔开。

所述异质衬底基座杆最好采用石英材料，以使其更加坚固。

本发明专用设备还可以进一步包括气压调控装置，该气压调控装置用于通过对所述腐蚀性气体的通路和/或氮化物单晶生长反应腔内的气压进行调控，进一步避免腐蚀性气体进入氮化物单晶生长反应腔内。

所述气压调控装置还用于维持所述腐蚀性气体的通路和所述氮化物单晶生长反应腔之间的气压平衡，以避免两者之间气压差过大而致氮化物晶片破裂。

本发明方法的有益效果为：