[发明专利]利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法

说明书

技术领域

本发明涉及氮化物基光电器件，尤其是涉及一种利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法。

背景技术

近几年，III族氮化物InN、GaN、AlN作为宽禁带直接半导体而备受关注，而GaN基半导体又因具有优越的热稳定、化学稳定、高导热成为最具开发潜力和发展前景的材料，已经广泛应用于发光二极管、激光器以及光探测器制备材料。经过过去几十年的研究，氮化物材料已取得新的突破，但是目前氮化物薄膜普遍采用异质生长，很大程度上阻碍III族氮化物晶体质量的提高。制备高质量的氮化物外延层成为氮化物基光电器件的关键科学问题和难题之一。

由于氮化镓基光电器件普遍采用蓝宝石衬底，使得氮化镓与蓝宝石之间存在较大的晶格和热失配，而这些失配很容易导致残余应变，以至于导致了大量的位错，甚至出现了肉眼可见的裂缝与极大的压力场。同时，高位错的氮化镓又制约了制备高晶体质量的AlGaN外延层，这些问题严重制约了(Al)GaN基异质结构质量和性能的进一步快速发展。

为了克服异质生长所引起的一系列问题，近年来的研究工作报道，通过缓冲层来减少应变，衬底剥离技术(H.Amano,N.Sawaki,I.Akasaki,and Y.Toyoda,Applied Physics Letters48,353(1986))、激光剥离技术(中国专利2005100952458)、湿法化学刻蚀(K.Y.Zang,D.W.C.Cheong,H.F.Liu,H.Liu,J.H.Teng,and S.J.Chua,Nanoscale Research Letters5,1051(2010))以及在条纹晶种侧向外延生长法来分离GaN与蓝宝石或硅衬底以及近来Kobayashi和他的同事(Y.Kobayashi,K.Kumakura,T.Akasaka,and T.Makimoto,Nature484,223(2012))通过在蓝宝石和GaN之间插入六角BN的微机械分离法来获得分离的GaN，然而以上方法不仅程序复杂，而且也不可避免地给界面带来位错甚至削弱了晶体质量。如何简易获得高质量自支撑的氮化镓成为了技术上的难题。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法。

本发明包括以下步骤：

1)GaN层晶的第一性原理方法模拟计算：

采用基于密度泛函理论的VASP程序包，电子-离子相互作用采用投影缀加波赝势法(PAW)描述，平面波的截断动能取550eV，采用8×8×1的Monkhorst-Pack k点网格方法，计算模型的基本单元由11层原子薄层组成，同时用的真空来保证GaN表面模型上下表面无相互影响，周期性的超晶胞的表面为未吸附原子的情况，保留悬挂键以了解表面局域电子态的性质，为了确定分离能，定义表面分离能公式：其中Es是弛豫的超晶胞的总能，E_b是体材料GaN的总能，A是表面面积，n代表在超晶胞内的GaN原胞的数量；

2)制样前对蓝宝石衬底预处理：

首先将蓝宝石衬底置于MOCVD反应室后升至高温1200℃，在H₂气氛环境下去除表面的沾污，净化表面，然后将温度控制在1200～1500℃，对蓝宝石衬底预退火处理；

3)GaN缓冲层的生长：

该过程分成低温生长和高温生长两部分，首先将温度降至550℃后，反应区通入三甲基镓(TMGa)与氨气(NH₃)，使用H₂和N₂作为反应物质的载气，沉积GaN第一缓冲层，再将温度升高至1050℃，沉积GaN第二缓冲层；

4)GaN外延生长制备：

通过HVPE方法在GaN第二缓冲层上生长GaN，得利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底。

在步骤2)中，所述净化表面的时间可为10min；所述预退火处理的时间可为2h。

在步骤3)中，所述GaN第一缓冲层的厚度可为20nm；所述沉积GaN第二缓冲层可在200Torr低压下沉积GaN第二缓冲层，GaN第二缓冲层的厚度可为2μm；缓冲层的插入可以大大减少外延层的位错密度，为高质量的GaN厚膜提供较好的基础。