[发明专利]制备大尺寸GaN自支撑衬底的方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用氢化物气相外延等方法制备大尺寸GaN自支撑衬底的方法。

背景技术

以GaN及其合金为代表的第三代半导体材料是近十几年来国际上倍受重视的新型半导体材料，它具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、导热性能好、结构稳定等诸多优异性能，在光电子和微电子技术领域都具有巨大的应用前景。光电子领域中，由于III族氮化物的禁带宽度在0.7-6.2eV范围内连续可调，覆盖了从红光到紫外的波段，可制作绿色、蓝色乃至紫外波段发光器件以及白光照明。此外，最近兴起的紫外光LED在丝网印刷、聚合物固化、环境保护也显示了特殊的用途，极大的激发了研究人员的研究兴趣。GaN激光器在信息存储领域也大有作为，还可应用在医疗诊断、海底探潜和通讯等各个方面。

GaN体单晶的制备比较困难，难以得到大尺寸和质量比较好的体单晶GaN衬底，所以GaN的外延生长通常是以异质外延的方式进行的。但理论和实验都表明，采用GaN作衬底同质外延器件时，器件性能得到大幅度提高。因此制造自支撑GaN衬底成为人们关注的焦点。

目前大面积的GaN自支撑衬底通常都是通过在异质衬底上气相生长GaN厚膜，然后将原异质衬底分离后得到的。其中蓝宝石衬底是最常用的衬底。为了得到自支撑衬底，必须将蓝宝石衬底去除。蓝宝石质地坚硬，化学性质稳定，因此很难通过化学腐蚀或机械打磨的方法去除。目前常使用激光剥离的方法将GaN和蓝宝石衬底分离。但是激光剥离技术成本昂贵；并且在激光剥离的过程中，界面处GaN高温分解后产生的高压气体容易对制备的GaN自支撑衬底造成损伤，轻则在GaN自支撑衬底上产生大量的位错和微裂纹从而影响以后器件的质量，重则使GaN自支撑衬底完全碎裂从而大大降低成品率。

发明内容

本发明目的是：采用ZnO膜和氢化物气相外延系统相结合的技术，通过自剥离制备高质量、大尺寸的GaN自支撑衬底。

本发明的解决方案是：

本发明提供一种制备大尺寸GaN自支撑衬底的方法，包含以下步骤：

步骤1：首先在衬底上生长一层ZnO膜；

步骤2：在ZnO膜上生长低温缓冲层，形成样品；

步骤3：在氢化物气相外延系统中，在低温缓冲层的上面高温生长GaN厚膜；

步骤4：在氢化物气相外延系统中高温生长后，因氢化物气相外延系统中的HCl和NH₃等腐蚀性气体，将ZnO膜2腐蚀，使GaN厚膜直接从衬底上脱离下来形成大尺寸的GaN自支撑衬底。

其中所述的用来外延自支撑GaN厚膜的衬底的材料为：蓝宝石、尖晶石、GaN、AlN、GaAs、Si、SiC、LiAlO₂、LiGaO₂、ZrB₂或HfB₂中的一种。

其中ZnO膜的生长，是采用金属源气相外延的方法，该方法中采用的源材料是金属锌和去离子水，金属锌和去离子水的反应方程式为：

其中生长ZnO膜，除了采用金属源气相外延的方法，还可以采用金属有机化学气相沉积、分子束外延、原子层外延、溅射、脉冲激光沉积、喷雾热解或溶胶-凝胶的方法。

其中ZnO膜是单晶薄膜或是多晶或非晶的ZnO薄膜，该ZnO膜的生长厚度为0.3-50μm。

其中所述低温缓冲层的材料为GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN或AlN。

其中低温缓冲层的生长温度在400-800℃，低温缓冲层是采用液相外延、金属有机化学气相沉积、封闭空间气相传送或氢化物气相外延的方法来制备。

其中低温缓冲层的厚度为0.3-100μm，并且低温缓冲层完全覆盖了ZnO膜的表面。

其中GaN厚膜的生长温度为900-1150℃，生长时间大于30min，生长厚度为0.05-50mm。

本发明的技术特点是：

1、使用ZnO膜作为牺牲层，ZnO膜在作为自剥离的牺牲层的同时也可以起到成核层的作用。

2、在ZnO膜上采用液相外延、金属有机化学气相沉积、封闭空间气相传送或氢化物气相外延的方式生长一层低温缓冲层，缓冲层的生长的温度应低于800℃，从而避免ZnO膜遭到破坏。

3、最后在氢化物气相外延系统中高温生长高质量的GaN厚膜，氢化物气相外延系统中存在的HCl或NH3等腐蚀性气体可以从侧面腐蚀ZnO膜，但不能从正面腐蚀ZnO膜，因为正面已经生长上一层低温缓冲层。缓冲层的材料比ZnO膜的材料稳定的多，所以不会被腐蚀。