[发明专利]一种使用图形化退火多孔结构进行GaN单晶生长的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过退火工艺制备图形化多孔结构GaN生长衬底，然后利用HVPE（氢化物气相外延）法生长GaN单晶的方法，属于GaN单晶生长技术领域。

背景技术

随着电子信息行业的飞速发展，现代电子技术对半导体材料高温、高频、高压等情况下的性能提出了新的要求，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、饱和电子漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化学稳定性等性质，在发光二极管（LED）、激光二极管（LD）等领域有着广泛的应用。

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，但由于与异质衬底存在着较大的热膨胀系数和晶格常数的失配，导致外延生长的器件存在较高的位错密度，从而严重制约了器件性能的提高。制备自支撑的GaN衬底，然后在同质衬底上制备GaN基器件成为一种公认的提高器件性能的方法。目前主要使用的方法是先得到较好的体块或准体块晶体，然后进一步加工得到质量较好的晶体切片（自支撑衬底）以进行器件的同质生长。

氢化物气相外延（Hydride Vapor-Phase Epitaxy,HVPE）方法被认为是最有潜力得到自支撑衬底的方法之一，这种方法最早可以追溯到1970年左右，其过程主要是在异质衬底上沉积厚度较大的GaN外延层，采用激光剥离或者自剥离的技术得到块体晶体。这种方法存在着生长速度快、成本较低的优点，由于使用的异质衬底外延，衬底和生长层之间存在着晶格失配和热失配，所以在生长过程以及降温过程中会产生各种各样的缺陷，位错密度会比较大。

目前HVPE提高晶体质量的方法是使用缓冲层和插入层，减小GaN层与衬底由于晶格失配和热失配产生的应力。最成功的研究之一是Hitachi公司使用空位辅助分离技术（void-assisted separation，VAS)[参见Y.Oshima,et al,phys.stat.sol.(a),194(2002)554-558]，获得了2-3英寸直径600μm左右厚的纯GaN层。这种方法是在MOCVD方法得到的衬底上覆盖一层Ti的纳米网络，经过高温退火和氨化形成TiN插入层，形成具有空位的多孔结构，在此衬底上进行生长，既可以达到减小失配应力效果，又可以实现衬底的自剥离。多孔结构在制备自剥离GaN单晶中起着至关重要的作用，国外研究者采用了多种方法引入空位从而提高晶体质量[Y.Fu,et al,Applied Physics Letters86(4),043108(2005)，C.Hennig,Journal of Crystal Growth310(5),911-915(2008)]。但是这些方法的工艺复杂，现在迫切的需要一种自主的简单的新方法来制备出多孔衬底，从而提高HVPE生长GaN的质量。

发明内容

本发明针对多孔结构衬底对GaN单晶生长的重要作用以及现有GaN单晶生长技术存在的不足，提供一种简单高效的使用图形化退火多孔结构进行GaN单晶生长的方法，该方法能够提高外延生长GaN单晶的质量，有利于实现GaN单晶与异质衬底的自剥离。

本发明的使用图形化退火多孔结构进行GaN单晶生长的方法，包括以下步骤：

（1）在GaN外延片上制备SiO₂图形掩膜，GaN外延片的厚度为2μm-5μm，SiO₂掩膜为四方排列的开孔或者六方排列的开孔，SiO₂掩膜厚度为50nm-100nm，开孔周期为60μm-150μm，开孔直径为10μm-15μm；

（2）将带有SiO₂图形掩膜的GaN外延片在真空炉内，1200-1300℃下高温退火60分钟-90分钟；

（3）将退火后的带有SiO₂图形掩膜的GaN外延片在去离子水中超声清洗5分钟，然后在浓磷酸（质量比80%以上的磷酸）中漂洗1分钟-5分钟，用去离子水冲洗干净；然后在25℃-53℃丙酮和25℃-73℃乙醇溶液中分别清洗1分钟-5分钟，用去离子水冲洗干净，再用氢氟酸（质量比40%）漂洗20秒-5分钟去除SiO₂层，用去离子水冲洗干净，氮气烘干，形成多孔GaN衬底；

（4）将多孔GaN衬底通过HVPE外延生长，得到GaN单晶。