[发明专利]采用自剥离用于生产氮化镓单晶衬底的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生产无支撑(free-standing)氮化镓单晶衬 底的方法，该方法在基础衬底(base substrate)上生长氮化镓(GaN) 单晶并从基础衬底上剥离所生长的氮化镓单晶以获得无支撑氮化 镓单晶衬底。

背景技术

氮化镓(GaN)是具有纤锌矿型结构的氮化物半导体，在室温 下具有对应于可见光中蓝光波长范围的3.4eV直接跃迁型带隙，与 InN和AlN形成均相固溶体以控制禁带宽度，并在均相固溶体的整 个组成范围内表现出直接跃迁型半导体的特性。因此，GaN最广泛 地用作蓝色显示和发光器件的材料。

通常，GaN单晶通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或氢 化物气相外延(HVPE)在由蓝宝石(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)或硅 (Si)制成的基础衬底上形成。然而，基础衬底和GaN膜具有不同 的晶格常数和热膨胀系数，而由此晶格失配使之很难在基础衬底上 外延生长GaN膜。

为了克服这个问题，已经提出了一种技术，以在相对低的温度 下在基础衬底上形成具有相似晶格常数的缓冲层，并且在缓冲层上 生长GaN单晶层，以便减轻晶格应变。然而，该技术需要高成本基 础衬底和用于形成缓冲层的生长装置。而且，虽然该技术能够外延 生长GaN单晶层，但是在GaN单晶层中表现出了高位错密度，由 此限制了在激光二极管或发光二极管中的应用。

根据现代技术，GaN单晶层能够相对容易地在蓝宝石基础衬底 上形成，但是GaN单晶层应该从蓝宝石基础衬底上剥离以获得无支 撑GaN单晶衬底。

GaN单晶层从蓝宝石基础衬底上的剥离，采用蓝宝石基础衬底 的机械抛光或激光剥离(laser lift-off)。机械抛光对蓝宝石基础衬底 进行抛光以使蓝宝石基础衬底变薄，这会导致GaN单晶层生长之后 立即达到的平衡的破坏，并因此在蓝宝石基础衬底中产生裂纹。裂 纹传播到GaN单晶层，使之很难获得高质量大面积GaN单晶衬底。 同时，激光剥离在蓝宝石基础衬底上照射紫外激光以在蓝宝石基础 衬底和GaN单晶层之间的界面上将氮化镓热分解成镓和氮气。然 而，激光剥离具有耗时和低产率的缺点。

可替换地，硅衬底可以用作基础衬底。这种方法能够以低成本 生产大面积衬底，而可以仅仅选择性地蚀刻和除去硅基础衬底。因 此，优点是比使用蓝宝石基础衬底更容易剥离衬底。然而，在硅基 础衬底上生长GaN层仍然是很难的，并且在GaN层生长期间硅基 础衬底可能会被蚀刻。而且，尽管GaN层生长于硅基础衬底上，但 是由于在硅基础衬底和GaN层之间的热膨胀系数和晶格常数的差 异会导致硅基础衬底发生弯折和开裂。

发明内容

因此，本发明设计用于解决以上提及的问题，因此本发明的一 个目的是提供一种用于生产氮化镓单晶衬底的方法，其能够容易地 从基础衬底上剥离氮化镓单晶层并生产大面积衬底。

为了实现上面所提及的目的，本发明并不采用用于吸收基础衬 底材料和GaN之间的热膨胀系数和晶格常数差异的缓冲层，而是积 极地利用基础衬底材料和GaN之间的热膨胀系数的差异以弯折基 础衬底并在GaN膜中产生裂纹。在冷却工艺过程中，生长在产生裂 纹的GaN膜上的GaN单晶层与基础衬底自然地相互剥离。

也就是说，根据本发明一方面的用于生产氮化镓单晶衬底的方 法包括(a)在由具有比氮化镓更小热膨胀系数的材料制成的平坦 基础衬底上生长氮化镓膜并冷却氮化镓膜以使基础衬底和氮化镓 膜向上凸起弯曲，同时在氮化镓膜中产生裂纹；(b)在位于向上凸 起的基础衬底上的产生裂纹的氮化镓膜上生长氮化镓单晶层；以及 (c)冷却具有长成的氮化镓单晶层的向上凸起的所得产品以使向 上凸起的所得产品变平或使向上凸起的所得产品向下凸起弯曲并 同时使基础衬底和氮化镓单晶层在插入其间的产生裂纹的氮化镓 膜处相互自剥离。

优选地，在步骤(a)中，通过MOCVD(金属有机化学气相 沉积)将氮化镓膜生长至在2.5μm到3.5μm之间的厚度。

优选地，在步骤(a)中在氮化镓膜中产生的裂纹平行于基础 衬底的表面延伸或相对于基础衬底的表面倾斜地延伸。

优选地，在步骤(b)中，通过HVPE(氢化物气相外延)将 氮化镓单晶层生长至在50μm到300μm之间的厚度。

优选地，步骤(b)在990℃到1030℃之间的温度下实施。