[发明专利]一种半极性、非极性GaN自支撑衬底的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及GaN基薄膜材料制备技术领域，特别涉及一种半极性、非极性GaN自支撑衬底的制备方法。

背景技术

GaN由于具有宽禁带(3.4eV)、高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为目前半导体技术研究的热点。III族氮化物GaN、AlN(禁带宽度6.2eV)、InN(禁带宽度0.7eV)及其组成的合金In_xAl_yGa_1-x-yN禁带宽度覆盖了从红外到可见光、紫外光的能量范围，因此在光电子领域有着广泛的应用，如大功率白光LED，蓝光激光器，紫外波段的日盲探测器，高频高功率器件等。目前GaN基LED、LD及电子器件已经实现了商品化生产，广泛应用于显示器背光源、照明、信息存储等领域。

由于晶格中心对称性的缺失，GaN晶体材料存在较强的自发极化与压电极化效应。极化电场使得电子与空穴在空间上分离，减少了二者的复合，降低了发光器件的效率，并引起波长的漂移，严重制约着器件性能的提高。对于GaN，极化电场总是沿0001方向(c方向)，而垂直(0001)的方向没有极化电场的分量，因而不受极化效应的影响，与之相对应的晶面就称为非极性面，如a面——面，m面——面。与(0001)斜交的方向极化电场比c方向小，对应的晶面就称为半极性面，如面。非极性半极性GaN材料能够减少极化效应的影响，因而可以大大提高LED，LD等发光器件的效率，吸引了大量的研究工作。

目前非极性，半极性GaN还处于研究阶段，器件性能与c面的相比还有较大差距。用于生长非极性GaN的衬底主要有r-LiAlO₂，r面及a面蓝宝石，m面4H-SiC，自支撑GaN衬底等。半极性GaN的衬底主要有(100)面及(110)面的尖晶石，m面的蓝宝石等。其中自支撑GaN衬底由于属于同质外延衬底，没有晶格失配，因而在其上生长的GaN材料位错密度较少，晶体质量最好，器件的性能也最高。目前自支撑GaN衬底主要通过HVPE生长较厚的c面GaN，然后用切割的方法获得非极性面的GaN衬底。该方法由于受到GaN生长厚度的限制因而尺寸很小，只有几毫米大小。目前报道的该方法制备的最大尺寸也仅10×10mm大小。而且GaN比较坚硬，该方法需要对GaN进行切割，与抛光才能获得表面光滑的非极性GaN衬底，工艺较繁琐。

Si作为目前最成熟的半导体材料，具有尺寸大，晶体质量高，价格便宜等诸多优点。如果能够在Si衬底上制备非极性或半极性GaN材料将大大扩大非极性，半极性GaN衬底的面积，克服以上方法的不足。近年来日本名古屋大学的Yoshio Honda等人报道了在有掩膜的图形化Si衬底上生长半极性、非极性GaN薄膜的方法。首先在非(111)面的Si衬底上用湿法刻蚀的方法成沟槽，暴露出(111)面；然后在暴露出的(111)面上用MOCVD生长一层GaN薄膜，形成半极性或非极性GaN。该方法虽然实现了Si衬底上半极性，非极性GaN的生长，但还存在沟槽处愈合困难，愈合处位错密度大以及晶体质量不高等问题。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种表面平整、高晶体质量的大尺寸非极性、半极性GaN自支撑衬底的制备方法。本发明制备工艺简单。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种半极性、非极性GaN自支撑衬底的制备方法，其特征在于：依次进行下列步骤：

步骤1：用掩膜保护与湿法刻蚀的方法在不以(111)晶面为表面的Si衬底上形成沟槽，暴露出Si{111}晶面中的一个或数个；

步骤2：用金属有机化学气象沉积法在Si衬底上依次生长A1N缓冲层、GaN层、应力调控层，形成半极性或非极性GaN生长的籽晶层；

步骤3：用氢化物气相外延法继续生长GaN厚膜，GaN厚膜厚度大于100微米。

步骤4：将Si衬底剥离，形成半极性、非极性GaN自支撑衬底。

上述步骤1中所述不以(111)晶面为表面的Si衬底包括(112)晶面Si衬底、(110)晶面Si衬底、(001)晶面Si衬底、(113)晶面的Si衬底。

上述步骤1中所述的Si{111}晶面包括Si(111)晶面、晶面、晶面、晶面、晶面、晶面、晶面、晶面。

当Si衬底不为(113)晶面的Si衬底时，步骤1的具体过程为：

步骤1-1：首先在Si衬底上形成条状掩膜；

步骤1-2：然后用碱溶液腐蚀Si衬底，形成沟槽，沟槽的表面至少含有一个Si{111}晶面；

步骤1-3：用掩膜覆盖沟槽内除其中一个Si{111}晶面以外的表面。