[发明专利]一种制备无裂氮化物半导体衬底的方法

说明书

技术领域

本发明属于氮化物半导体技术领域，尤其涉及一种制备无裂氮化物半导体衬底的方法。

背景技术

以GaN为代表的GaN基氮化物半导体(包括GaN、AlGaN、InGaN等)具有较宽的直接带隙，同时还具有具有击穿电压高、饱和电子漂移速率高、化学及热稳定性好等特点，因而其在蓝、绿光及紫外发光二极管、激光二极管、紫外探测器以及高温、高频、高功率等恶劣环境下工作的半导体器件等方面具有广泛的应用前景。其中研究较多具有重大应用前景的GaN基器件有:GaN基LED、LD、紫外探测器、HEMT等。

目前制约包括GaN基器件在内的氮化物半导体性能及可靠性提高的关键问题是缺乏合适的衬底材料。氮化物半导体的熔点极高，达到其熔点时的平衡蒸汽压极高，所以氮化物单晶生长非常困难。到目前为止，制备氮化物单晶衬底最成熟的方法是HVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延法)，该方法是在异质衬底上生长厚度超过200微米的氮化物单晶膜，然后将异质衬底去掉，从而得到氮化物半导体自支撑衬底。但是在异质衬底上生长，得到的氮化物单晶位错密度较大，并且容易造成晶格失配及热膨胀系数失配等缺陷，从而引发裂纹甚至晶片破裂。为了降低位错密度，得到晶片较完好的氮化物衬底，现有技术中(详见美国专利US 7,323,256B2)提供了如下解决方案:将HVPE法生长分为两步，首先在长坑条件下生长，该条件下生长的GaN表面有很多坑，然后再在填坑条件下生长，该条件下将前一步生长的坑填平，得到光滑无坑的表面。在长坑生长条件下生长，位错向坑底集中，使坑与坑之间部分的位错密度大大降低。但在该解决方案中，坑中的位错在填坑过程中会延续到生长表面，同时在对GaN进行化学机械(CMP)抛光时，被填坑的位置与其他位置的抛光速率会有差别。我们通过实验发现，采用以上方法生长氮化镓衬底，当生长的GaN厚度超过200μm，在降温时热应力仍会造成晶片开裂，并且在用机械研磨或激光剥离方法剥离衬底过程中也极易造成开裂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种制备无裂氮化物半导体衬底的方法，采用该方法能够有效降低氮化物衬底的位错密度，得到较完好的无裂氮化物半导体衬底。

为解决上述技术问题，本发明方法包括如下步骤:

步骤1、采用HVPE法，并通过控制工艺条件在异质衬底上生长一层具有坑状表面的氮化物；

步骤2、在所述具有坑状表面的氮化物层上加入插入层，该插入层为过渡金属或其合金；

步骤3、对带有所述插入层的氮化物外延片进行高温退火处理；

步骤4、采用HVPE法，并通过控制工艺条件在经过所述退火处理的插入层上继续生长一层具有光滑表面的氮化物；

步骤5、进行相应后续处理，从而得到氮化物半导体衬底。

步骤1所述具有坑状表面的氮化物层厚度可以为2μm～100μm。

步骤2所述加入插入层的操作可以是将所述具有坑状表面的氮化物层从HVPE反应器中取出，而在该HVPE反应器之外进行的。

步骤2所述加入插入层的方法可以为磁控溅射法，所述插入层材料可以为金属钛。

步骤3所述退火处理可以是在HVPE反应器中进行的。

步骤4所述具有光滑表面的氮化物层厚度可至少为200μm。

步骤5所述后续处理为在所述具有光滑表面的氮化物层生长结束后，进行降温处理。则热应力使插入层处发生破裂，从而得到自支撑氮化物半导体衬底，即具有光滑表面的氮化物层。

本发明的有益效果为:

本发明在现有的两步法制备氮化物衬底的基础上，增加了加入插入层并对插入层进行高温退火的步骤，不但进一步降低了位错密度，缓解了应力对氮化物衬底的作用，解决了生长结束后降温，以及氮化物自支撑衬底自剥离时晶片易开裂的问题，而且有效解决了氮化物衬底晶片表面抛光速率不均匀的问题。

附图说明

图1是制备无裂氮化镓自支撑衬底的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，并以制备氮化镓自支撑衬底为例对本发明作进一步详细说明。

图1制备无裂氮化镓自支撑衬底的流程示意图，图中101为异质衬底，102为坑状表面GaN层，103为插入层，104为无坑GaN层，105为剥离后得到的自支撑衬底。