[发明专利]一种自分离制备GaN单晶衬底的方法

说明书

本发明涉及一种自分离制备GaN单晶衬底的方法，其在GaN复合衬底的异质衬底上制造穿孔，将带有穿孔的GaN复合衬底浸没在金属镓与金属助溶剂的混合溶液中、并采用液相外延工艺生长得到GaN厚膜材料，生长过程中，金属助溶剂通过异质衬底的穿孔与GaN外延层界面层接触，一方面通过所述穿孔孔洞腐蚀与异质衬底相连的GaN外延层界面层，促使生长形成的GaN厚膜材料与异质衬底缓慢自分离，得到高质量和大尺寸的GaN单晶衬底，另一方面，金属助溶剂与氮形成中间体，该中间体为金属镓提供氮元素而促使GaN单晶生长，应用于钠流法技术制备时，改善钠流法制备技术中氮的溶解度低及不均匀的问题，提高GaN单晶的晶体质量与生长速率。

技术领域

本发明涉及半导体光电材料制备技术领域，特别是涉及一种自分离制备GaN单晶衬底的方法。

背景技术

作为重要的直接带隙宽禁带半导体材料，GaN基III-V族氮化物在发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和紫外光探测器等光电子器件，以及微波、电力电子等微电子功率器件领域中有着广泛的应用前景。

目前的GaN单晶衬底的制备方法一般以蓝宝石衬底、SiC、Si等为异质衬底材料制成复合衬底，再通过该复合衬底进行异质外延得到GaN厚膜材料，然后采用激光剥离技术或自分离技术去除异质衬底而获得GaN单晶衬底，但异质衬底与GaN材料间存在晶格与热胀参数的失配往往使GaN厚膜存在较大的残余应力，在激光剥离时受到GaN分解产生的冲击力而容易出现碎裂的问题，影响产品的良率与制造成本；而现有技术也有存在有如中国发明专利申请说明书CN201710691390.5提出的一种采用在异质衬底上制备GaN/氧化镓纳米柱阵列缓冲层，生长GaN厚膜后采用化学方法腐蚀缓冲层，从而去除异质衬底获得GaN单晶衬底的方法，但这种方法存在纳米柱的均匀性难以控制的问题，不适应大尺寸GaN单晶衬底的制备；如中国发明专利申请说明书CN201110134149.5提出在异质衬底上制备一层纳米薄膜，采用退火方式得到纳米颗粒，然后在其上外延生长GaN厚膜，采用机械方法去除异质衬底而得到GaN单晶衬底，但这种方法由于纳米颗粒的存在难以得到高质量的GaN单晶。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种自分离制备GaN单晶衬底的方法，其通过在GaN复合衬底的异质衬底上制造穿孔，实现GaN单晶衬底和异质衬底自分离，可制备大尺寸高质量GaN单晶衬底。

为解决上述目的，本发明采用的如下技术方案。

一种自分离制备GaN单晶衬底的方法，包括以下步骤：S1，在异质衬底上制备GaN外延层，以获得GaN复合衬底；S2，在上述GaN复合衬底的异质衬底上穿孔，所述穿孔连接至GaN外延层；S3，将步骤S2中有穿孔的GaN复合衬底置于装有金属镓与金属助溶剂混合溶液的坩埚中，坩埚置于高压反应釜内；S4，在步骤S3中的高压反应釜内通入高纯氮气，调整高压反应釜内温度和压强，采用外延生长工艺生长GaN厚膜材料，金属助溶剂通过所述穿孔与GaN外延层接触，异质衬底和GaN厚膜材料自分离，最终得到GaN单晶衬底。

优选地，在步骤S2的异质衬底上穿孔的步骤中，所述穿孔的深度需穿透异质衬底直至GaN外延层。

优选地，在步骤S2的异质衬底上穿孔的步骤中，可采用激光辐射穿孔和机械化学穿孔的一种或多种的组合。

优选地，在步骤S2的异质衬底上穿孔的步骤中，所述穿孔的形状包括圆形、方形、六角形、三角形、十字形、米字型和不规则形状的一种或多种的组合。

优选地，在步骤S3的金属助溶剂可为碱金属或碱土金属溶剂。

优选地，在步骤S1的GaN复合衬底的制备可采用MOCVD工艺或HVPE工艺的一种或多种的组合。

优选地，所述异质衬底为蓝宝石、SiC、硅或金刚石材料的一种或多种。

优选地，GaN外延层可为GaN单层结构或GaN与InGaAlN缓冲层结合的多层结构。