[发明专利]一种制备同质外延衬底的方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于同质外延方法制备高效、大功率氮化镓基发光二极管（LED）和蓝光激光器（LD）等光电子学器件的技术，具体提供一种制备同质外延衬底的方法。

背景技术：

    作为第三代半导体技术的 GaN 基材料体系，因其良好的物理、化学性质被广泛的应用于光电和微电子器件，如照明和颜色显示的白光或彩色LED，可用于信息存储和激光打印的蓝紫光激光器，以及UV 探测器和高频高功率的晶体管等。目前，氮化物半导体（InN、GaN、AlN 及其合金）发展的最大障碍是缺少晶格和热匹配的同质衬底。GaN 基半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）大都是在大晶格失配和热失配衬底上制备的如蓝宝石（sapphire）、SiC、ZnO 等，造成器件样品的生长中存在开裂、弯曲、高位错密度等问题，使得有源层的位错密度非常高，严重地影响了器件的发光性能和寿命，而且由于存在自发极化和压电效应，产生静电场降低了LEDs 的发光效率，这种方法并不能充分发挥氮化物半导体材料优越的性能。进一步提高和研制新型氮化物半导体激光器、大功率高亮度半导体照明用LED、高功率微波器件等，其必经之路是使用低缺陷密度和可控电学特性的氮化物同质衬底材料，这一课题已经引起了国际性的广泛关注，并被认为是解决GaN 基LED 和LD 发展瓶颈的根本途径。GaN 衬底的研发，一方面本身就具有重大经济效益，另一方面，也是GaN 基激光器产业化生产所必需，同时对于半导体照明，场效应晶体管等相关研究领域也有广泛应用。

用于同质外延的自支撑单晶氮化镓（GaN）衬底是近年来被公认的提高GaN基器件性能的最佳解决方案。同质外延避免了衬底和外延层之间失配带来的位错，可以大大降低器件中的位错密度。

现有技术制备得到的氮化镓厚膜自支撑或氮化镓/蓝宝石复合（以下称符合衬底）衬底在应用于LED器件的制备过程中，尚存在一些问题。这主要由于衬底制备过程中，样品各个部分应力释放不均匀导致的样品翘曲和开裂等问题。 在一般蓝宝石衬底（或SiC衬底）上生长的薄膜GaN材料受到的是来自于衬底的压应力（或张应力），这个压应力的测定值高达－1.2Gpa（1.0Gpa）。在这些异质衬底上，当GaN生长到一定厚度时，由于应力的作用会引起样品的翘曲。样品的翘曲对外延LED器件结构的过程影响非常大，主要表现为样品弯曲的几何形状破坏了化学反应容器中气流场、温度场的均匀性。这将导致LED器件的大规模工业化生产受到影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的制备同质外延衬底的方法，可缓解乃至消除同质自支撑（厚膜）GaN衬底在其制备过程中内部积聚应力导致的同质自支撑（厚膜）GaN衬底的翘曲，通过采用这种方法，制备的同质外延衬底可以有效的防止形变对光电子学和电子学器件的性能影响，提高同质外延生成LED、LD和高电子迁移率器件（HEMT）等产品的质量和成品率。

本发明的技术方案是：

1)在得到的氮化镓同质自支撑（厚膜）衬底样品上，利用物理、化学等刻蚀方法将衬底刻蚀直至同质自支撑（厚膜）衬底的底部，使衬底成为若干个独立的部分。分割衬底的过程可以利用金刚石切割、激光划片等机械的方法，也可以结合减薄工艺和反应离子刻蚀或等离子体刻蚀等化学反应方法实现分割。在机械方面，可以利用程序来设计分割后衬底各独立部分的形状；而在化学方面可以使用不易参与反应的有机或无机介质材料作为图形掩膜保护分立部分不受腐蚀。    

2)在所有分割后的同质自支撑（厚膜）衬底上，用金属有机物化学气相沉积法（MOVPE）、分子束外延（MBE）或氢化物气相外延法（HVPE）进行再次外延。在外延的过程中，控制反应条件，使在分立衬底上外延的膜材料横向连接，再次形成完整衬底。

上述分割过程也可包括先将支撑衬底利用键合、粘接等方法与其它材料基底如Cu、Si等相连接，再将GaN厚膜进行分割的过程。

上述激光划片可以用波长为355nm的连续泵浦声光调Q的Nd:YAG脉冲激光器作为工作光源，切割时的激光功率为1.5W。

上述氮化镓同质自支撑（厚膜）衬底包括利用氢化物气相外延法（HVPE）、氨热法 (Ammonthermal)、高压合成法或其他方法生长得到薄膜和体材料。

上述有机或无机介质材料包括通过旋涂法得到的光刻胶薄膜或者利用溅射或等离子体增强化学气相沉积法沉积的SiO₂、SiON、SiN_x等在物理、化学刻蚀过程中与GaN选择比较高的材料作。