[发明专利]氢化物气相外延生长GaN单晶用的H3PO4腐蚀籽晶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氢化物气相外延(HVPE)生长氮化镓(GaN)单晶用的磷酸(H₃PO₄)腐蚀籽晶及其制备方法。旨在提高外延生长的GaN单晶质量，并降低GaN单晶的位错密度。

背景技术

以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料，具有宽禁带宽度，高击穿电压、高电子迁移率、化学性质稳定等特点，非常适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件。在半导体发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外探测器以及高能高频电子器件等方面有广阔的应用前景。但是由于缺乏GaN体单晶，因此目前商业化的GaN基器件基本都是采用异质外延，使用的衬底材料主要是蓝宝石(Al₂O₃)、GaAs和Si等，但是这些衬底与GaN单晶之间的晶格失配和热失配较大，在外延的GaN单晶中存在较大的应力并产生较高的位错密度，从而导致GaN基器件性能的恶化，因此降低GaN单晶的位错密度是提高GaN基器件性能的关键。

降低异质外延GaN单晶的位错密度的方法有：空位辅助分离(Void-assisted separation)[参见Y.Oshima，et al，phys.stat.sol.(a)，194(2002)554-558]、侧向外延过生长(ELOG)[参见H.H.Huang，et al，J.Cryst.Growth 311(2009)3029-3032]以及制备纳米结构的衬底[参见C.L.Chao，Appl.Phys.Lett.95(2009)051905]等。采用这些方法生长出GaN单晶的质量都得到一定程度的提高，相应的位错密度也得到减少，但是这些方法大都需要复杂的光刻工艺或者生长工艺。

中国专利申请CN101432471公开了一种制作氮化镓结晶的方法及氮化镓晶片，该方法首先需要制备具有特殊结构的GaN基板：如不同区域具有不同位错密度的GaN基板、不同区域具有不同极性的GaN基板或者有规则屏蔽图案(屏蔽材料为氧化硅或氮化硅)的GaN基板)，由于制备的GaN基板不同区域性质不同，耐腐蚀性也不同，所以通过气体(HCl、Cl₂、BCl₃或CCl₄)或液体(磷酸、硝酸或硫酸)对GaN基板表面进行选择性蚀刻，得到具有规则凹部结构的氮化镓晶种基板，然后在晶种基板上利用气相生长法使氮化镓结晶于上述晶种基板上。该方法虽然也能降低氮化镓单晶的位错密度，但是预先需要制备具有特殊结构的GaN基板，然后再进行选择性蚀刻，制备基板需要复杂的光刻工艺和制备技术，成本较高，不适于批量生长；并且使用该GaN晶种基板，采用气相法生长时所需生长温度较高(1100-1250℃)。

发明内容

本发明针对现有降低GaN单晶位错密度的方法存在的问题，提供了一种方法简单、成本低廉的氢化物气相外延(HVPE)生长GaN单晶用的H₃PO₄腐蚀籽晶及其制备方法。

术语说明：

HVPE：氢化物气相外延方法。

本发明的技术方案如下：

一种HVPE生长GaN单晶用的H₃PO₄腐蚀籽晶，包括衬底、GaN外延薄膜层，在所述衬底上生长有GaN外延薄膜层，其特征在于，所述的GaN外延薄膜层上有H₃PO₄腐蚀坑，其中部分H₃PO₄腐蚀坑露出衬底。

所述衬底为蓝宝石衬底或SiC衬底；所述GaN外延薄膜层厚度为4-10μm，优选厚度为5-6μm。

根据本发明优选的，在GaN外延薄膜层上的H₃PO₄腐蚀坑的密度为5-8×10⁵cm^-2，其中露出衬底的H₃PO₄腐蚀坑的密度为1-4×10⁵cm^-2。

在GaN外延薄膜层上深度不等的腐蚀坑是H₃PO₄腐蚀过程中自然形成，腐蚀后的衬底不需要经过特殊处理，其自然形成的分布、深浅即能达到本发明的优良效果。

本发明的HVPE生长GaN单晶用H₃PO₄腐蚀籽晶的制备方法，包括以下步骤：