[发明专利]HVPE方法生长GaN膜中使用的多孔材料衬底及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氢化物气相外延(HVPE)方法生长氮化镓(GaN)膜中 使用的硅基复合纳米多孔材料衬底及其制备方法。旨在提高外延生长的GaN 材料质量、方便衬底的剥离，属于材料制备技术领域。

背景技术

HVPE是生长GaN外延材料的常用手段之一，具有设备简单、价格低廉、 生长速率高的特点，因此在直接生长GaN单晶体材料非常困难的情况下，利 用HVPE的优势在异质衬底上生长出高质量的厚膜GaN外延层，然后与异质衬 底剥离，是获得GaN本征衬底的一个很好的途径。

作为衬底应用的特殊性要求外延材料中的缺陷密度特别是线位错的密度 要低且分布要均匀，同时材料中的应力要尽量小，否则的话在这样的衬底上 生长的器件质量就很难保障。为了解决这个问题人们已经采用了一些方法来 降低外延GaN膜中的位错，提高GaN膜的质量，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ELOG方法生长出来的GaN位错密 度分布不均匀。此外，由于目前采用的衬底材料与GaN之间存在较大的晶格 失配和热失配，当GaN生长超过一定的厚度还将在界面处产生裂纹，并且随 着厚度的增加裂纹还会蔓延到表面，这在厚膜GaN的生长中更是一个非常严 重的问题。人们曾采用了多孔Si和多孔SiC作为衬底，利用其孔状结构容纳 了异质外延中产生的弹性应变，还一定程度上降低了GaN外延膜中的位错密 度，同时纳米尺度多孔分布均匀，避免了传统的ELOG技术产生的不均匀性。

最近两年，国外的研究人员采用多孔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。本申请的发明人也开展 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，实现了 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，这种方法的限制是HVPE外延生长后 的蓝宝石衬底的剥离仍然困难，同时很难像MOCVD一样在生长后仍能完整的 保留下纳米GaN中的空洞。

如何在提高外延材料质量的同时，又能够实现衬底方便的剥离是迫切需 要解决的问题。为此本发明拟提出了一种复合纳米多孔衬底的构思，它是在 硅基GaN薄膜的基础上，制备纳米多孔结构，孔穿过GaN膜，并延伸到Si 衬底中，同时经过处理，使露出的Si变成SiN_x或者SiO₂，我们称其为复合 纳米多孔结构。这样的一种结构既利用GaN模板的微区选择外延生长特性， 从而提高HVPE生长的外延质量，同时孔内表面的SiN或者SiO₂层能够有效 的抑制GaN的结晶，从而保证了空隙的保留；另外Si衬底可以采用化学的方 法去除，很容易地实现了衬底的剥离。由此可见，和一般的纳米多孔材料相 比，这种硅基复合纳米多孔衬底结构更适合于厚膜GaN的HVPE生长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢化物气相外延(HVPE)方法生长GaN膜 中使用的多孔材料衬底及制备方法。

所述的多孔材料衬底为硅衬底上形成的SiN或SiO₂的硅基复合纳米多孔 结构；

所述的复合纳米多孔材料衬底是通过加工Si衬底上生长的GaN外延层 而获得；

所述的复合纳米多孔材料衬底是以多孔阳极氧化铝为模，利用ICP刻蚀 的方法制成多孔状的；Si衬底的剥离是通过化学腐蚀实现的。