[发明专利]一种制备低应力GaN薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无电极光助GaN材料腐蚀并获得纳米结构的方法，用于降低氢化物气相外延（HVPE）生长半导体材料GaN薄膜材料中应力和获得自支撑GaN衬底的方法以及工艺。

背景技术

以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。GaN基材料是直接带隙宽禁带半导体材料，具有1.9—6.2eV之间连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能，在短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备等方面具有重要的应用，用于制造比如蓝、紫、紫外波段发光器件、探测器件，高温、高频、高场大功率器件，场发射器件，抗辐射器件，压电器件等。

GaN基材料的生长有很多种方法，如金属有机物气相外延（MOCVD）、高温高压合成体GaN单晶、分子束外延（MBE）、升华法以及氢化物气相外延（HVPE）等。由于GaN基材料本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。氢化物气相外延由于具有高的生长率和横向-纵向外延比，可用于同质外延生长自支撑GaN衬底，引起广泛地重视和研究。早期人们主要采用氢化物气相外延（HVPE）方法在蓝宝石衬底上直接生长GaN基材料，再加以分离，获得GaN衬底材料。此法的突出缺点是GaN外延层中位错密度很高，一般达10¹⁰cm^-2左右。目前的主要方法是采用横向外延、悬挂外延等方法，辅以HVPE高速率外延技术生长厚膜，最后将原衬底去除，从而获得位错密度较低的自支撑GaN衬底材料。迄今为止，HVPE生长得到的自支撑GaN衬底，位错密度低于10⁶cm^-2，面积已经达到2英寸。但是仍然远远不能满足实际应用的需求。

由于GaN只能生长在异质衬底如蓝宝石、硅等衬底上，晶格失配和热失配造成GaN薄膜内部具有大的应力，造成GaN基器件性能很难提高。另外，巨大的应力会造成GaN厚膜和异质衬底裂成碎片，因而无法应用。因此降低或者消除GaN厚膜中的应力，是有效发挥GaN材料潜能的重要解决方法。本发明给出了一种无电极光助GaN材料腐蚀并获得纳米结构的方法以及降低氢化物气相外延（HVPE）生长半导体材料GaN薄膜材料中应力和获得自支撑GaN衬底的方法以及工艺。

发明内容

本发明目的是：由于现有的GaN薄膜生长在异质衬底如蓝宝石等上面，晶格失配和热失配会引起GaN薄膜中存在较大的应力。应力的存在会造成GaN基材料性能的降低。本发明提出一种获得高质量低应力GaN薄膜的方法。

本发明的技术方案是，一种制备低应力GaN薄膜的方法，通过光助法腐蚀溶剂腐蚀GaN/蓝宝石复合衬底，形成纳米结构的GaN/蓝宝石复合衬底；在此纳米结构复合衬底上进行GaN的氢化物气相外延（HVPE）横向外延生长得到低应力高质量的GaN薄膜；光助法腐蚀采用紫外光辅助，腐蚀溶剂采用强碱和氧化剂混合溶液，即NaOH或KOH（摩尔浓度范围为0.5-1.5M）与K₂S₂O₈的混和物（摩尔浓度范围为0.05-0.15M），在室温或50℃以下的温度，反应时间为0.5-10小时。。

所述的纳米结构GaN/蓝宝石复合衬底放在HVPE生长系统中进行横向外延生长，得到低应力GaN薄膜。

采用光助腐蚀的方法腐蚀GaN薄膜并获得纳米结构的GaN。在光助腐蚀中，向样品上照射紫外光。该紫外光的光子应能在GaN中激发电子－空穴即需把电子从价带激发到导带之上，而在价带中留下空穴。因此紫外光子的能量应大于3.4eV（对应GaN的禁带宽度，相对应紫外波长小于365nm，一般本专利所用的紫外线波长在260-350nm范围），空穴有助于半导体表面的氧化反应，通过氧化剂的还原来消耗过剩电子。增加入射光照，增加表面的空穴，从而提高腐蚀速率。同时伴随着电子空穴的复合。

本发明光助法腐蚀是半导体湿腐蚀，包括对半导体表面的氧化和产生的氧化物的溶解，空穴有助于半导体表面的氧化反应，氧化剂代替阴极的还原反应，来消耗过剩电子。增加入射光照，增加表面的空穴，从而提高腐蚀速率。氧化剂的要求：强氧化能力，碱液中稳定，溶解Ga2O3。

光助无电极化学腐蚀机理--化学方程式

GaN+photon→GaN+e^-+h⁺，(1)