[发明专利]一种厚膜氮化镓与衬底蓝宝石自剥离的实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及厚膜氮化镓(GaN)与蓝宝石衬底自剥离的方法。旨在解决厚膜GaN与衬底蓝宝石难以分离、易裂碎的问题，同时提高外延生长的GaN材料质量，属于GaN材料的制备技术领域。

背景技术

GaN材料具有高发光效率、高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等优良特性，近年来被当作世界上最先进的半导体材料之一而备受瞩目，制成的高效蓝、绿、紫、白色发光二极管和激光器已得到了广泛的应用。然而目前GaN普遍沉积在蓝宝石衬底上，应用蓝宝石作外延GaN材料也是目前最成熟的技术，然而由于GaN材料与异质衬底蓝宝石的晶格失配(16％)和热膨胀失配系数(9～25％)都很大，在外延的GaN材料中，不可避免地存在很大的应力和较高的位错密度，从而极大地降低了GaN器件的性能和寿命。因此对GaN自支撑衬底的需要变得十分迫切。而HVPE(氢化物气相外延)生长速率高、设备简单、制备成本低，近年来被公认为最有前途的生长GaN自支撑衬底方法，因此吸引了国内外研究人员的广泛兴趣。采用这种方法虽已经成功地制备出了厚膜GaN衬底【R.J.Molnar et al.J.Cryst.Growth，V178，147，1997】，但仍然面临着两大难题：高位错密度和应力大且易裂碎。人们已经尝试了一些新的方法，其中包括横向外延过生长(ELOG)技术、生长中断技术等，但是常规的ELOG方法生长出来的GaN位错密度分布不均匀，限制了GaN材料的利用率；另外厚膜GaN外延层内的压应力仍然相当大，在生长过程或采用激光剥离时都很容易碎裂。最近两年，国外的研究组采用多孔GaN薄膜作为衬底，利用金属氧化物气相外延(MOCVD)外延生长高质量的GaN外延层[Y.D.Wasng et al.Appl.Phys.Lett.，85，816(2004).]。本发明人也开展了以蓝宝石上的纳米多孔GaN为衬底的厚膜GaN材料HVPE外延生长，试图实现微区空气桥方式的选择外延生长，提高厚膜GaN的质量，同时降低材料中的应力。但是由于HVPE的生长速率较快，很难像MOCVD一样在生长后仍能完整的保留下纳米GaN中的空洞，这种方法的限制是厚膜GaN与蓝宝石衬底的剥离仍需采取单独的剥离工艺。为此，如何在提高外延材料质量的同时，又能够实现蓝宝石衬底方便地剥离是一个亟需解决的问题。为此本发明提出了一种带有钝化层超大纳米孔径结构的GaN模板。这种方法设计巧妙、简单易行、效果显著。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚膜GaN与衬底蓝宝石自剥离的实现方法。

本发明的特征在于采用带有钝化层的超大纳米孔径多孔状结构的GaN作为厚膜生长的模板，然后将此模板置于氢化物气相外延生长设备的反应腔内，经微区横向外延生长过程，连接成完整的GaN膜，当厚膜达一定厚度或降温冷却过程中，在压应力作用下，厚膜GaN与蓝宝石衬底发生自剥离。

带有钝化层超大纳米孔径多孔状GaN模板是以蓝宝石微衬底的；

带有钝化层超大纳米孔径多孔状GaN模板是利用电化学的方法腐蚀金属Al生成AAO层，经过ICP刻蚀后，然后在孔内沉积一层SiO₂或SiNx层而形成的。

所述的带有钝化层超大纳米孔径多孔状结构的GaN模板的制备步骤是：

(1)以蓝宝石为衬底，先在其上生长一层0.1～50微米的GaN外延层作为模板；

(2)在GaN外延层的模板上，电子束或溅射工艺蒸发一层50nm～1μm金属Al薄层；

(3)将模板采用电化学的方法把Al氧化为分布均匀的多孔阳极氧化铝(AAO)；

(4)将模板放入磷酸或磷酸与铬酸的混合溶液中浸泡以去除小孔底部与下层GaN接触的那部分氧化铝并改变孔的尺寸；

(5)利用AAO作为掩膜，通过ICP或RIE刻蚀，形成多孔状GaN；

(6)在多孔GaN孔中再沉积一层SiO₂或SiNx；其中，ICP代表诱导耦合等离子体，RIE代表反应离子刻蚀；

(7)用盐酸溶液去除AAO，在GaN模板上得到了带有钝化层超大纳米孔分布。

所述的在蓝宝石衬底上，生长作为模板的GaN外延层是采用HVPE、金属有机化学气相沉积或分子束外延方法中的任意一种；GaN外延层的厚度在50nm-1μm左右；

所述的金属Al薄膜转变为均匀的多孔阳极氧化铝是采用的电化学的方法，具体是将模板置于草酸(0.3-0.5mol/L)或硫酸(15wt％)溶液中进行电化学腐蚀；