[发明专利]一种使用减薄键合结构进行GaN单晶生长的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用减薄键合结构及HVPE工艺生长GaN单晶的方法，该方法能够提高外延生长GaN单晶质量，属于光电子技术领域。

背景技术

到上世纪末期，随着电子信息行业的飞速发展，传统的半导体材料已经无法满足现代电子技术发展对高温、高频、高压以及抗辐射、能发射蓝光等提出的新要求，而以GaN为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化学稳定性等性质，在高亮度蓝、绿光二极管、蓝光激光器、紫外探测器、激光二极管等光电器件和高温、高频大功率电子等微电子器件领域有广阔的应用前景。

但是由于缺乏GaN体单晶，目前商业化的GaN基器件基本都是采用异质外延，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。为了降低晶格失配和热失配带来的应力，并进一步得到高质量自支撑GaN单晶衬底材料，研究者尝试过多种HVPE(氢化物气相外延)方法生长衬底处理方法。常用的方法有空位辅助分离(Void-assistedseparation)[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]、在衬底与HVPE方法生长GaN之间加入柔性缓冲层[参见Hyun-Jae Lee，et al，Applied Physics Letter 91(2007)192108]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一定减少，但是这些方法的工艺复杂，且GaN单晶中存在的应力并没有得到完全的释放。

发明内容

本发明针对现有GaN单晶生长方法存在的工艺复杂、应力不能完全释放等问题，提供一种工艺过程简单、能够完全释放应力的使用减薄键合结构进行GaN单晶生长的方法。

本发明使用减薄键合结构进行GaN单晶生长的方法，包括以下步骤：

(1)利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)工艺在衬底(蓝宝石衬底或SiC衬底)上外延生长2μm-10μm厚的GaN薄膜，形成GaN外延片；

(2)机械研磨GaN外延片的衬底，将GaN外延片的厚度减薄至20μm-100μm；

(3)将减薄后的GaN外延片，在25℃-53℃丙酮和25℃-73℃乙醇溶液下分别清洗1分钟-5分钟，用去离子水冲洗干净，再在分析纯盐酸中漂洗1分钟-5分钟，去离子水冲洗干净，氮气烘干；

(4)使用不同金属层(如Sn/Au、Ti/Au、Ni/Au等)，将减薄后的GaN外延片键合到另一衬底(Si、SiC和蓝宝石等，可与步骤(1)中的衬底为同一种材料，也可以不同)上，键合的压力为0-10000kg，温度为0-700℃，键合后形成GaN基片；

(5)将GaN基片在25℃-53℃丙酮和25℃-73℃乙醇溶液下分别清洗1分钟-5分钟，去离子水冲洗干净，再用氢氟酸漂洗20秒-5分钟，去离子水冲洗干净，氮气烘干；

(6)将清洗后的GaN基片放入HVPE(氢化物气相外延)生长系统中外延生长，得到GaN单晶。

本发明通过GaN外延片减薄、清洗干燥、GaN外延片键合、再清洗干燥以及HVPE法生长，最后得到了应力完全释放的高质量GaN单晶，是一种完全释放GaN单晶残余应力的有效方法，可以大大提高单晶质量，具有制作简单、工艺成熟的特点，适合批量生产。

附图说明

图1是本发明使用减薄键合结构进行GaN单晶生长方法的流程图。

图2是制备的具有减薄键合结构的GaN基片的结构示意图。

图3将蓝宝石衬底上MOCVD方法生长的GaN外延片减薄后使用Ti/Au金属层键合到Si衬底上按HVPE方法生长制备的GaN单晶样品的断面SEM(扫描电子显微镜)图。

图4是本发明制备的使用BMGS(键合(Bonding)MOCVD GaN/蓝宝石(Sapphire)，具有减薄键合结构，MOCVD方法生长的蓝宝石GaN外延片)基片与使用MGS(MOCVD GaN/蓝宝石(Sapphire)，MOCVD方法生长的GaN外延片)基片制备样品的拉曼光谱。