[发明专利]基于铝酸锶薄膜制备GaN自分离衬底的方法

说明书

本发明公开了一种基于铝酸锶薄膜制备GaN自分离衬底的方法，其步骤包括：(1)在衬底上沉积铝酸锶薄膜；(2)在铝酸锶薄膜上沉积氧化镓薄膜；(3)在氧化镓薄膜上进行GaN薄膜或GaN厚膜的外延；(4)将外延完成的样品置于水中，铝酸锶薄膜溶解，得到自支撑的GaN薄膜或厚膜。本发明提供了一种简单的获得自支撑GaN衬底的方法，采用铝酸锶薄膜作为牺牲层，铝酸锶薄膜溶于水即可实现衬底与外延膜的自分离，而氧化镓层的作用是提供可以高质量外延GaN的缓冲层或多孔模板，同时可以降低后续外延的GaN薄膜材料中应力及位错密度。

技术领域

本发明涉及到一种基于铝酸锶薄膜制备GaN自分离衬底的方法，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。

GaN衬底生长主要有气相法和液相法。液相法包括高压氮气溶液法、钠助熔剂法和氨热法等；气相法有气相输运法和卤化物气相外延法等。目前获得高质量GaN自支撑衬底并将实现量产的主要方法是采用横向外延、悬挂外延等方法，辅以卤化物气相外延法高速率外延技术生长厚膜，最后将原衬底去除，从而获得位错密度较低的自支撑GaN衬底材料。迄今为止，采用各种技术工艺并辅以卤化物气相外延生长得到的自支撑GaN衬底，位错密度低于10⁶cm^-2，面积已经达到4英寸。但是仍然远远不能满足实际应用的需求。

如果在铝酸锶上直接外延氮化镓，因为晶格不同，不会得到单晶GaN，而且氧会扩散到氮化镓中。本发明采用先外延氧化镓再氮化的方式，后续制备的氮化镓为单晶。氧化镓(Eg＝4.8-4.9eV)作为新型超宽禁带半导体，具有高导电率、高击穿场强等优点，在可见光和紫外光区域都具有高透明性。β-Ga₂O₃的(100)解离面在高温NH₃气氛的氮化作用下会进行表面重建现象，表面重建产生与GaN晶格相匹配的表面，可以作为缓冲层进行后续外延生长GaN厚膜。这种同质衬底外延生长会显著降低厚膜中的应力和位错密度，提高GaN材料质量。铝酸锶作为发光材料基质，被稀土离子激发后具有优异的荧光粉特性，发光效率较高，且其结构及化学性质稳定，成本也相对较低，因此越来越受到关注。其中的铝酸锶(Sr₃Al₂O₆)可溶于水，因而在铝酸锶(Sr₃Al₂O₆)上沉积薄膜，可以利用水溶性特点轻易获得自分离的薄膜。

发明内容

本发明的目的是实现自支撑氮化镓衬底的自分离方法。

本发明采取的技术方案为：

一种基于铝酸锶薄膜制备GaN自分离衬底的方法，其步骤包括：

(1)在衬底上沉积铝酸锶薄膜；