[发明专利]一种通过缺陷应力去除技术自分离氮化镓单晶材料制备自支撑衬底的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料和器件领域，尤其涉及一种通过缺陷应力去除技术，导致氮化镓（GaN）材料自分离，低成本实现GaN单晶自支撑衬底的制备方法。

背景技术

GaN基III-V族氮化物是重要的直接带隙的宽禁带半导体材料，在蓝、绿、紫、紫外光及白光发光二极管（LED）、短波长激光二极管（LD）、紫外光探测器和功率电子器件等光电子器件和微电子器件以及特殊条件下的半导体器件等领域中有广泛的应用前景。

由于极高的熔解温度和较高的氮气饱和蒸气压，使得制备大面积GaN单晶非常困难，不得不在大失配的蓝宝石或碳化硅等衬底上异质外延生长GaN基器件。虽然这种基于缓冲层技术的异质外延技术取得了巨大的成功，但是这种方法并不能充分发挥GaN基半导体材料的优越性能，其主要问题是：1、由于GaN和蓝宝石之间有较大的晶格失配和热应力失配，由此造成10⁹cm^-2的失配位错，严重影响晶体质量，降低LED的发光效率与寿命；2、蓝宝石是绝缘体，常温下电阻率大于10¹¹Ωcm，这样就无法制作垂直结构的器件，通常只能在外延层上表面制作N型和P型电极。因此使有效发光面积减小，同时增加了器件制备中的光刻和刻蚀工艺过程，使材料的利用率降低，增加了生产成本；3、蓝宝石的导热性能不好，在100°C热导率约为0.25W/cm K，这对于GaN基器件的性能影响很大。特别是在大面积大功率器件中，散热问题非常突出；4、在GaN－基激光器的制作中，由于蓝宝石硬度很高，并且蓝宝石晶格与GaN晶格之间存在一个30度的夹角，所以难于获得GaN基LD外延层的解理面，也就不能通过解理的方法得到GaN基LD的腔面，因此GaN衬底对于GaN－基激光器的制作也具有特别重要意义。基于以上原因，进一步提高和研制新型GaN基半导体激光器、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光学、电学特性的GaN单晶同质衬底材料。

目前生长GaN衬底单晶体材料方法包括高温高压法、氨热法、钠助熔剂法和氢化物气相沉积（Hydride vapor-phase epitaxy，HVPE)等方法。前三种方法，高温高压法、氨热法和钠助溶剂法，或者需要高温高压设备，或者需要钠钾等活性熔融体，危险性大，研究单位少。在开始十多年时间都只能获得10毫米量级大小晶体，基本不能够作为衬底使用，主要是用于材料基本性质的研究。HVPE生长技术由于其设备相对简单、成本低、生长速度快等优点，可以生长均匀、大尺寸GaN/Al₂O₃厚膜复合衬底。然后，通过激光剥离等方法除去蓝宝石等异质衬底，可以得到自支撑GaN衬底，是目前GaN衬底的主流制备技术。

HVPE技术制备GaN衬底，面临的最主要问题是如何将GaN厚膜与蓝宝石等异质衬底分离。针对GaN厚膜与衬底的分离，主要是激光剥离（laser lift-off）的方法，即用激光加热蓝宝石衬底与GaN界面，使GaN分离；牺牲衬底（Sacrificial Substrate）的方法，主要思路是通过使用可通过化学腐蚀或刻蚀的方法去除的衬底，如金属、GaAs或Si衬底，得到GaN自支撑衬底；自分离技术（self-separation），主要思路是通过各种缓冲层、插入层或纳米图形层，结合生长条件调节使应力集中于这些插入层处，在降温阶段使GaN厚膜自发的从蓝宝石衬底上剥离下来。但这些方法都存在设备工艺复杂，工艺重复稳定性差，成本高，分离困难，GaN容易破碎，成品率低等缺点，不适于批量生产，使GaN衬底的价格居高不下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过缺陷应力去除自分离技术，更低成本地制备GaN单晶自支撑衬底的方法，该方法是利用缺陷应力去除方法对商用GaN异质衬底进行二次加工处理，降低衬底内部缺陷及残余应力，提高衬底的断裂强度和表面特性，使GaN单晶和异质衬底之间形成很强连接，控制GaN厚度，使GaN厚膜在降温过程中从GaN内部自动分离，从而获得GaN单晶自支撑衬底。