[发明专利]一种在蓝宝石衬底上生长自剥离氮化镓薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指一种利用InGaN插入层和低温GaN缓冲层作为弱键合层使用MOCVD设备在r面蓝宝石衬底上生长自剥离a面GaN薄膜的方法。

背景技术

氮化镓作为第三代宽禁带半导体材料的代表，可用于制作发光二极管、激光二极管，高电子迁移率晶体管等光电子器件。由于III族氮化物是六方纤锌矿结构，具有很大的自发极化和压电极化，沿c轴有很大的极化电场，此电场会严重影响发光器件的复合效率，发光波长也不稳定，因此亟待需要非极性面的材料生长。但得到的非极性面的氮化镓薄膜中往往存在很高浓度的堆垛层错和位错，造成目前氮化镓非极性面器件还不能达到应有的要求。文献中报道的很多用来改善c面氮化镓缺陷的方法应用到非极性a面氮化镓薄膜中的效果并不理想。

氮化镓的单晶生长困难，价格昂贵，大规模化的同质外延的生长目前仍没有可能；目前生长氮化镓外延膜大多仍采用异质外延，所选用的异质衬底有Si、碳化硅和蓝宝石。蓝宝石因具有热稳定性好，机械强度高，不吸收可见光，生长技术较为成熟，价格适中等优点，目前仍是最适合三族氮化物生长的衬底。但由于蓝宝石衬底本身的一些劣势，如，与外延膜晶格失配和热失配大，硬度高，导电性差，不易集成等，因此，在后续的工艺中，蓝宝石的存在是一个不容忽视的问题。现在最常用的剥离方法是用激光剥离技术把蓝宝石衬底以及GaN外延片在缓冲层的位置剥离开，此方法要精确控制激光波长以及脉冲时间，增加了工艺的难度，也增加了制作成本。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服现有的非极性面氮化镓缺陷密度高，以及蓝宝石基氮化镓后续制作器件工艺复杂的不足，本发明提供了一种采用InGaN插入层和低温GaN缓冲层作为弱键合层在蓝宝石衬底上生长自剥离a面氮化镓薄膜的方法，采用该方法能得到质量很好的GaN单晶薄膜。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种在蓝宝石衬底上生长自剥离氮化镓薄膜的方法，该方法利用MOCVD设备在r面蓝宝石衬底上以InGaN插入层和GaN低温缓冲层作为弱键合层生长a面氮化镓的自剥离薄膜，具体包括以下步骤：

步骤1：取一蓝宝石衬底；

步骤2：在MOCVD设备中通入氨气，对蓝宝石衬底进行氮化，在其上生成一层氮化层；

步骤3：在MOCVD设备中利用载气通入铟源、镓源和氨气，使得在氮化层上得到InGaN层；

步骤4：在MOCVD设备中利用载气通入镓源和氨气，生长一层低温GaN缓冲层；

步骤5：在MOCVD设备中利用载气通入镓源和氨气，生长氮化镓外延层。

上述方案中，步骤1和2中所述蓝宝石衬底为r面蓝宝石衬底。

上述方案中，步骤3至5中所述载气为氮气或氢气。

上述方案中，步骤3中所述生长InGaN时，MOCVD设备中的生长温度设定为750℃，反应室压强控制在200Torr，铟源和镓源的载气流量分别设定为65SCCM和10SCCM，生长时间为12分钟。

上述方案中，步骤4中所述生长低温GaN缓冲层时，MOCVD设备中的生长温度设定为550℃，反应室压强控制在200Torr，镓源的载气流量设定为20SCCM，生长时间为3分钟，然后升温到1100℃，并从升温时开始计时退火5分钟。

上述方案中，退火后的LT-GaN/InGaN弱键合层的表面形貌为条状的。

上述方案中，步骤5中所述生长氮化镓外延层时，MOCVD设备中的生长温度设定为1100℃，反应室压强控制在50Torr，镓源载气流量设定为20SCCM。

上述方案中，步骤5中所述生长氮化镓外延层的生长时间为60分钟。

上述方案中，步骤5中所述生长氮化镓外延层的厚度为1.2μm左右。

(三)有益效果

本发明与传统的缓冲层技术、图形衬底技术相比，采用InGaN插入层和低温GaN层作为弱键合层，具有更大的优势。InGaN在后续升温的过程中会发生分解，In释放出去，在蓝宝石衬底和GaN外延膜之间产生条状的弱键合层(如图2所示)，能够实现GaN的横向外延生长，外延膜在生长结束后的降温过程中，弱键合层断裂，实现了单晶高质量GaN薄膜的自剥离。弱键合层在生长过程中既起到了释放应力，提高晶体质量的作用；在降温的过程中又促进了GaN外延膜的自动剥离。剥离的GaN薄膜和目前市场上的单晶GaN单晶片的颜色一致。与目前最常用的激光剥离技术相比，此方法由于是在生长完成后自动完成的，所以工艺更为简单，也消除了激光剥离设备的花费。