[发明专利]一种用于生长厚膜GaN材料的图形化模板的制备方法

说明书

技术领域

本发明属生长GaN材料的模板领域，特别是涉及一种用于生长厚膜GaN材料的图形化模板的制备方法。

背景技术

GaN基蓝色和紫外发光二极管及激光器等光电器件具有广阔的应用前景，因此吸引力人们浓厚的兴趣。然而，由于很难获得高质量及成本合理的GaN衬底，现在许多GaN基光电器件是异质外延生长在蓝宝石等异质衬底上，这些异质衬底与GaN材料之间的晶格常数和热膨胀系数失配将在GaN膜的生长过程中引入位错，在冷却过程中产生裂纹，从而影响外延膜的质量，进而影响器件的性能。因此，制备GaN同质衬底是进一步发展GaN基器件的关键。

国内外研究人员已经采用了一些方法来降低GaN同质衬底中的位错密度，减少材料中的应力，提高GaN膜质量，其中包括横向外延过生长(ELOG)技术、生长中断技术等，但这些工作大多数都是针对生长在蓝宝石衬底厚膜GaN开展的，而Si衬底虽然容易去除，但是Si和GaN之间的晶格失配非常大，同时Si与Ga之间容易发生互熔从而影响生长，因此目前还没有成功用于GaN同质衬底的制备。。

如何在提高GaN外延材料质量的同时又能够很容易实现GaN膜与衬底之间的剥离是获取GaN同质衬底的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于生长厚膜GaN材料的图形化模板的制备方法，该方法简单，充分利用Si衬底尺寸大的优势，可以用于大尺寸GaN同质衬底的制备，适合于工业化生产；空气桥结构的外延生长方法，大大释放了GaN外延层中的应力，避免了由于GaN和Si之间的大失配而造成厚膜GaN碎裂。

本发明的一种用于生长厚膜GaN材料的图形化模板的制备方法，包括：

(1)选择表面生长了GaN外延层的Si衬底作为模板；

(2)在步骤(1)中所述的模板上，沉积一层SiO₂或SiN_x介质薄层；

(3)在上述SiO₂或SiN_x介质薄层上通过光刻、沉积金属和剥离的方法获得图形化的金属薄层；

(4)采用干法刻蚀技术对上述步骤(3)的结构进行刻蚀，刻蚀一直深入到Si衬底，得到图形化的金属层/介质层/GaN/Si衬底结构；

(5)去除金属层/介质层/GaN/Si衬底结构残留的金属；

(6)通过氧化或氮化处理，使得步骤(4)中露出的Si的表面覆盖SiO₂或SiN_x层，即得图形化的介质层/GaN/Si衬底模板。

所述步骤(1)在Si衬底上，采用氢化物气相外延生长(HVPE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)方法中的任意一种生长作为模板的GaN外延层，生长的GaN外延层厚度为0.1-50μm。在GaN外延层和Si衬底之间可以含有AlGaN、AlN等成核层或者插入层结构。

所述步骤(2)在GaN外延层上沉积的SiO₂或SiN_x介质薄膜的厚度为10nm-10μm。

所述步骤(4)中的干法刻蚀技术为反应离子刻蚀和诱导藕合等离子体刻蚀。

更进一步所述步骤(4)中的干法刻蚀技术为诱导藕合等离子体(ICP)方法刻蚀掉GaN，然后再用反应离子刻蚀(RIE)方法刻蚀衬底Si，而SiO₂或SiN_x介质的刻蚀可以采用干法刻蚀或者碱性溶液去除。

所述步骤(5)使用酸或碱溶液去除金属层/介质层/GaN/Si衬底结构残留的金属。

该方法适用于生长GaN厚膜(5μm以上)材料。

将本发明的图形化的介质层/GaN/Si衬底模板置于MOCVD或者HVPE设备中生长厚膜GaN。生长时，由于GaN外延层表面有SiO₂或SiN_x层，因此GaN将选择生长在的GaN外延层的侧壁上，经过横向外延生长过程连接成完整的GaN膜，进而再次选择外延生长并形成厚膜GaN，而在Si表面由于有SiO₂或SiN_x层能够有效抑制GaN的结晶而不能实现生长，从而在GaN膜的下方形成孔隙，实现了空气桥方式的生长。

有益效果

(1)本发明的方法简单，充分利用Si衬底尺寸大的优势，实现大尺寸(根据硅片尺寸)GaN同质衬底的制备，适合于工业化生产；