[发明专利]激光剥离制备自支撑氮化镓衬底的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及采用激光剥离技术从蓝宝石衬底上剥离氮化镓(GaN)获得无裂缝自支撑GaN衬底的方法和技术。

二、技术背景

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，其1.9-6.2eV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使其成为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的最优选材料。

由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。然而，用GaN衬底进行同质外延获得III族氮化物薄膜材料却显示出了极其优越的性能，因此用低位错密度衬底进行GaN同质外延是改善III族氮化物外延层质量的较好办法。

目前，大面积GaN衬底通常都是在异质衬底(如蓝宝石、SiC、Si等)上气相生长GaN厚膜，然后将原异质衬底分离后获得的。其中在蓝宝石衬底上生长GaN最普遍，质量也最高。为了得到自支撑GaN衬底，必须除去蓝宝石衬底。由于蓝宝石极其稳定，难以采用化学腐蚀方法。一般的方法是机械磨削，但因蓝宝石很硬，不仅要消耗大量的金刚石磨料，成本很高而且速度极慢。采用激光辐照的方法，利用激光对GaN厚膜和衬底的界面区加热使之熔化，从而获得自支撑的GaN衬底。激光剥离方法的优点是时间快，蓝宝石衬底可回收使用。

在本发明中，我们采用激光扫描辐照技术，从蓝宝石衬底上将GaN薄膜剥离下来，获得自支撑无裂缝GaN衬底。

三、技术内容

本发明目的是：用激光扫描辐照技术将GaN薄膜从蓝宝石衬底上剥离下来，获得无裂缝自支撑GaN衬底。

本发明的技术解决方案是：采用激光辐照的方法，利用激光透过蓝宝石衬底对GaN厚膜和蓝宝石衬底的界面区加热使界面处GaN分解，在高于Ga熔点以上加热或弱盐酸腐蚀，就可以将GaN和蓝宝石分离开来，从而获得自支撑的GaN衬底。

本发明的进一步改进是：先将氮化镓表面粘在一基片上，如硅片作为基片，再进行激光辐照，将GaN和蓝宝石分离开来后，再以加热方法将基片粘接层分离。

本发明的机理和技术特点是：

在激光剥离技术中激光波长所对应的能量小于蓝宝石带隙能，但是大于GaN的带隙能。激光穿透蓝宝石衬底到达蓝宝石/GaN界面时，GaN吸收其能量，发生如下分解。

在高于Ga熔点以上加热或弱盐酸腐蚀，就可以将GaN和蓝宝石分离开来，从而得到GaN自支撑衬底。

四、附图说明

图1为本发明从蓝宝石衬底上激光剥离GaN技术示意图

图2为本发明激光剥离过程中蓝宝石—GaN界面处压力产生示意图，Sappire即蓝宝石。

五、具体实施方式

本发明方案主要包括下面步骤：

1、     采用金属有机物气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外

        延(HVPE)或其他方法在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜。

2、     用Si(111)作支撑材料。将硅晶片黏附在GaN上，形成蓝宝石/GaN/Si结构。

3、     选择合适的激光器，将具有一定能量密度的激光垂直入射穿过蓝宝石，辐照蓝

        宝石/GaN界面。激光波长所对应的能量小于蓝宝石带隙能，但是大于GaN的

        带隙能。如采用Lambda Physik LPX 205i KrF紫外光受激准分子激光器(波长

        248nm，脉冲宽38ns)，激光能量密度从200～5000mJ/cm²变化。

4、     在高于金属Ga的温度(29℃)下加热蓝宝石/GaN/Si结构，或用弱HCl溶液腐

        蚀蓝宝石/GaN界面处的金属，蓝宝石衬底就可以被剥离下来。得到GaN/Si结

        构。

5、     500℃加热GaN/Si结构，或将GaN/Si结构放入适当的有机溶剂中，将硅片去掉。

        即可获得自支撑GaN衬底。

利用激光辐照剥离技术，我们成功地获得了无裂缝自支撑GaN衬底。在激光剥离前后，GaN的结构和光学性质等没有较大变化。仔细地控制激光剥离条件，我们可以实现大面积(直径＞2英寸)的GaN薄膜的剥离。