[发明专利]制备低应力GaN薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种制备低应力GaN薄膜的方法，在双面抛光的蓝宝石衬底正反两面同时用卤化物气相外延法进行GaN薄膜的生长，控制生长条件，使双面外延GaN薄膜的厚度基本相同，得到低应力的GaN薄膜。本发明利用双面抛光蓝宝石衬底在正反两面同时外延GaN薄膜，控制生长条件使得两面外延的氮化镓厚度相近、分布均匀，这样两面氮化镓对于蓝宝石的应力减弱或相互抵消，从而得到低应力高质量的GaN薄膜的方法。本发明方法步骤简单，不仅可以实现低应力氮化镓薄膜外延，而且可以实现多片同时生长，提高产量，且在现有HVPE反应器中即可进行，无需对设备进行大的改进。双面外延并不会增加源气体的用量，且任一面都可以用做后续的外延晶面。

技术领域

本发明涉及到一种制备低应力GaN薄膜的方法，属于半导体材料技术领域。

背景技术

以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。GaN基材料是直接带隙宽禁带半导体材料，具有1.9—6.2eV之间连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能，在短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备等方面具有重要的应用，用于制造比如蓝、紫、紫外波段发光器件、探测器件，高温、高频、高场大功率器件，场发射器件，抗辐射器件，压电器件等。

GaN单晶的熔点高达2300℃，分解点在900℃左右，生长需要极端的物理环境，而且大尺寸GaN单晶无法用传统晶体生长的方法得到。所以大多数的GaN薄膜都是在异质衬底上外延得到的。目前应用于半导体技术的GaN主要是采用异质外延方法在蓝宝石、SiC或Si等衬底上制备。在异质外延中，由于GaN材料和异质衬底之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配，得到的GaN外延层中会有应力并产生处于10⁸-10⁹/cm²量级的位错密度，这些缺陷降低了外延层的质量，限制了GaN材料的热导率、电子饱和速度等参数，大大影响了器件的可靠性、成品率，而且巨大的应力会造成GaN厚膜和异质衬底裂成碎片，因而无法应用。

蓝宝石上外延氮化镓时要经历升温-外延-降温的过程，外延失配起源于蓝宝石和氮化镓晶格常数的不同产生的晶格失配，热失配起源于外延过程中升温或降温时因为二者热膨胀系数的不同导致的热应力。无论是采用何种异质外延设备，高温条件下外延完成后，氮化镓薄膜从大于1000℃的高温降至室温的过程中产生的热失配应力，远大于初始高温条件下外延时产生的晶格失配。因此，生长氮化镓厚膜后降温过程会导致氮化镓薄膜产生裂纹甚至碎裂。理论分析表明，在界面处大部分区域垂直面内为压应力，但是在靠近界面边缘处因为降温初始温度不同，表现为张应力，这会导致样品变形氮化镓薄膜产生裂纹，如图1所示。而对于面内剪切应力，其中在蓝宝石一侧为面内张应力，氮化镓一侧为面内压应力。剪切应力在垂直方向呈分层变化，会导致裂缝进行扩展，最终可能导致样品碎裂。

控制蓝宝石上氮化镓外延应力的方法有很多，比如氮化镓或氮化铝缓冲层、图形化衬底、纳米结构缓冲层等。但是这些方法要么不能完全消除应力(比如缓冲层)，要么工艺复杂、可控性差、成本较高(如采用图形化衬底、纳米结构缓冲层等)，需要创新性的思路来研发低成本、工艺简单、高成品率的技术和方法来获得低应力氮化镓薄膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备低应力GaN薄膜的方法。

本发明采取的技术方案为：

一种制备低应力GaN薄膜的方法，其特征在于：在双面抛光的蓝宝石衬底正反两面同时用卤化物气相外延法进行GaN薄膜的生长，控制生长条件，使双面外延GaN薄膜的厚度基本相同，得到低应力的GaN薄膜。

优选的，其步骤包括：

(1)清洗双面抛光的蓝宝石衬底；