[发明专利]一种异质外延生长氮化镓（GaN）的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子领域，涉及半导体薄膜材料的外延生长和氢化物气 相沉积(HVPE)技术领域，尤其涉及一种利用竖直放置衬底实现衬底双面同时生 长氮化镓(GaN)的方法。

背景技术

以第三主族氮化物为代表的宽禁带半导体，在蓝光及白光LED、蓝紫及超紫 外激光器等光电子器件领域得到了广泛的商业应用，并在功率电子器件领域具有 可观的应用前景。

不同于硅和砷化镓等半导体材料，从氮化镓熔体中直接制备单晶氮化镓目前 尚无法实现(理论上需要约四万大气压的高压和两千五百摄氏度的高温)，并且 经高温高压的溶液制备单晶氮化镓的方法如氨热法等极其困难和昂贵(在不少国 家如我国还存在安全生产相关的法律限制)，目前的单晶氮化镓仍以异质衬底(即 非氮化镓衬底)上的气相外延沉积法为主。由于异质衬底与氮化镓的热膨胀系数 失配(即材料热胀冷缩的程度不同)，异质外延的氮化镓由生长温度降至常温过 程中产生的热应力常引发晶片开裂及晶圆翘曲严重等问题。

在气相外延的方法中，氢化物气相外延法(HVPE)因其很快的生长速度、很 高的性价比等优点成为了目前制备氮化镓衬底最常用的手段，不同于金属有机物 气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)等外延生长手段(生长的薄膜厚度通常 在几微米内)，由HVPE可以生长较厚的氮化镓(几百微米以上)，该厚膜与衬底 分离后可以用作优良的自支撑原质衬底进行后续生长。然而，由于外延薄膜越厚， 热应力越大，HVPE法生长的氮化镓厚膜和异质衬底的热膨胀系数失配引发的热 应力问题会更加严重，使生长室内的氮化镓外延膜发生翘曲。严重翘曲的氮化镓 不能直接用于MOCVD或MBE进行后续生长。通常的做法是通过化学机械抛光(CMP) 进行研磨、抛光，得到符合条件的GaN衬底。然而这种方法获得的衬底的有效面 积有限，仅能在中心区域获得质量较高的，接近单一低指数晶面的衬底表面，而 外围区域则由许多高指数的晶面构成(图1)。

因此，解决异质衬底与氮化镓外延层的失配尤其是热失配问题，需要新的生 长技术方案来克服，这对氮化镓基光电子器件和功率电子器件的性能提升以及生 产良率的提高具有重要的意义和实用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种外延生长氮化镓的方法。该方法不 仅操作简便，成本低廉，还能够显著降低外延膜因热应力产生的翘曲度，以获得 接近零翘曲的GaN外延层。

本发明需要保护的技术方案表征为：

概括说，本发明首次提出在双面抛光的衬底两面利用氢化物气相外延(HVPE) 系统同时生长氮化镓外延膜。

具体实施，将托盘上原本水平放置的衬底通过支架倾斜静置在托盘上。。

具体实施，在生长炉内竖直放置衬底。

具体实施，为了使衬底竖直放置，设计了样品夹持器具，该器具包括基座和 夹持部，基座用于放置于外延系统内的托盘上，所述基座通过其立柱撑起的夹持 部的基部，所述夹持部还包括开口的夹持片。

进一步改装夹持部，增加旋转驱动部件和动力源，使得衬底在夹持部上能在 竖直状态下旋转，或者夹持部带着衬底“一体式”竖直状态地整体旋转。

优化，所述样品夹持器具还包括扇叶，扇叶与夹持部两者共轴或者同轴，基 座通过其立柱撑起扇叶与夹持部。

进一步优化限定保护范围，所述夹持部设计成外凸的弧形夹子。

进一步优化限定保护范围，所述扇叶与夹持部两者处于异侧，两者的轴安装 于立柱顶部，使衬底在夹持部上保持竖直悬空状态。

具体实施，优选的实施例方法为：

(1)先取双面抛光的衬底的任意一面，平放于托盘上，在上层生长氮化 铝(AlN)形核生长层；

(2)将步骤(1)所得的衬底倒置一下，在同样条件和生长参数下对另一 面进行氮化铝形核生长层，从而完成预外延的准备步骤；

(3)在步骤(2)所得的衬底在保持竖直状态，其两面上同时进行外延生 长，获得对称分布的两个GaN外延膜。

不同于常规的水平放置衬底的方法，在生长炉内竖直/或者非接触式的倾斜 放置的衬底的两个侧面因同时处于相同的瞬时生长环境，可生长出结构和形貌处 处对称的外延膜，从而使系统冷却过程中因外延膜和衬底的热膨胀系数失配产生 的热应力造成的外延膜翘曲效因大小相等、方向相反而抵消，从而获得了翘曲度 极低的氮化镓外延膜。