[发明专利]氮化镓单晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术，更具体地说，涉及一种氮化镓单晶的制备方法。

背景技术

第三代半导体材料由于能量禁带一般大于3.0电子伏，又被称为宽禁带半导体。相比于传统的硅基和砷化镓基半导体材料，宽禁带半导体，例如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)及氮化铟(InN)等，由于其特有的禁带范围、优良的光、电学性质和优异的材料性能，能够满足大功率、高温高频和高速半导体器件的工作要求，在汽车及航空工业、医疗、军事和普通照明方面具有十分广泛的应用前景。

氮化镓是一种优异的宽禁带半导体材料，是制作可以发射蓝绿光和紫外光的发光二极管和激光器、太阳目眩探测器、高能量凝聚态开关和整流器以及高能量密度微波晶体管的理想材料，对以氮化镓为代表的第三代半导体材料及器件的研究和开发，已成为半导体领域的一个热点。

由于没有高质量低错位的氮化物作为晶种，通常采用单片的方法生产氮化镓单晶，即在异质衬底(如蓝宝石或碳化硅)上生长氮化镓单晶。

目前，主要采用HVPE(Hydride vapor phase epitaxy，氢化物气相外延法)的方法制备单晶氮化镓。通常地，HVPE制备单晶氮化镓在HVPE反应器中进行，通过在反应器中通入生长材料得到氮化镓单晶并沉积在异质衬底上外延形成氮化镓厚膜。目前，主要是利用液态镓与盐酸反应生成氯化镓，由载气传输到衬底表面与氨气反应生成氮化镓并沉积在蓝宝石或碳化硅的衬底表面，外延生长形成氮化镓厚膜。

而后，在从生长温度冷却到室温前、后或者冷却过程中，将异质衬底同氮化镓厚膜剥离，形成自支撑的氮化镓厚膜，在进一步进行研磨和抛光等加工后，作为器件生长的氮化镓单晶衬底。

然而，上述形成氮化镓厚膜的问题在于，在将异质衬底同氮化镓厚膜剥离时，通常采用离线的方法，也就是说，在异质衬底上生长一定厚度的氮化镓单晶后，通过其他工艺手段，例如激光剥离法等，将氮化镓从异质衬底上剥离，这些离线方法的制造方法，需要特定的设备及特定的工艺来完成，制造成本非常高，也不利于大规模工业化生产。

发明内容

本发明实施例提供一种氮化镓单晶的制备方法，实现氮化镓单晶与异质衬底的自剥离，降低制造成本。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种氮化镓单晶的制备方法，包括：

提供异质衬底；

对所述异质衬底进行氮化；

在所述异质衬底上形成钝化层，所述钝化层具有多个暴露异质衬底的岛状部分；

在所述岛状部分上生长氮化镓晶柱，所述氮化镓晶柱高于所述钝化层，以形成柱状网络的应力屈服层；

在所述氮化镓晶柱的上部形成氮化镓薄膜，以使氮化镓晶柱的上部合并；

在所述氮化镓薄膜上生长氮化镓厚膜；

进行冷却，在热应力作用下应力屈服层裂开。

可选地，在HVPE反应器中进行。

可选地，所述钝化层为SiN_x、WN_x或TiN_x。

可选地，形成SiN_x的钝化层的方法为：通入SiH₄和NH₃，SiH₄的流量为50sccm，NH₃的流量为1000sccm，温度为800℃。

可选地，在进行氮化之后，形成钝化层之前，还包括步骤：在所述异质衬底上生长氮化镓缓冲层；则形成钝化层的步骤为：在所述氮化镓缓冲层上形成钝化层，所述钝化层具有多个暴露所述氮化镓缓冲层的岛状部分。

可选地，所述氮化镓缓冲层、氮化镓晶柱、氮化镓薄膜以及氮化镓厚膜中的氮化镓的形成方法为：镓同HCl反应得到氯化镓，氯化镓同NH₃反应，沉积后得到氯化镓单晶。

可选地，形成氮化镓晶柱时，HCl的流量为10sccm，NH₃的流量为5000sccm，温度为600℃。

可选地，在形成氮化镓薄膜时，HCl的流量为10sccm，NH₃的流量为500sccm，温度为1100℃。

可选地，在形成氮化镓厚膜时，HCl的流量为100sccm，NH₃的流量为2000sccm，温度为1000℃。

可选地，在形成氮化镓缓冲层时，HCl的流量为20sccm，NH₃的流量为6000sccm，温度为800℃。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：