[发明专利]通过制备N面锥形结构衬底获得自支撑GaN单晶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于获得自剥离氮化镓(GaN)单晶方法，该方法是通过制备N面GaN锥形结构衬底生长自支撑GaN单晶，属于半导体材料领域。

背景技术

氮化镓(GaN)作为典型的第三代半导体材料，具有的直接带隙宽、热导率高等优异性质而收到广泛关注。氮化镓区别于第一代和第二代半导体材料最重要的物理特点是具有更宽的禁带(在室温下其禁带宽度为3.4eV)，可以发射波长较短的蓝光；同时其还具有高击穿电压、高电子迁移率、化学性质稳定、耐高温、耐腐蚀等特点，因此非常适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件。因此，GaN半导体材料的研究和应用成为目前全球半导体研究的前沿和热点。

由于目前缺少GaN单晶衬底材料，GaN基器件一般生长在异质衬底上，由此带来的晶格失配和热失配导致器件中存在残余应力影响其性能。为了进一步提高器件性能，需要获得高质量自支撑GaN单晶衬底材料，HVPE(氢化物气相外延)生长方法被认为是一种合适的GaN单晶生长方法。常用的去除HVPE生长GaN单晶衬底的方法是使用激光剥离技术，将厚度较大的GaN从蓝宝石衬底上剥离。但是此种方法需要大厚度高质量无裂纹HVPE-GaN，这对在蓝宝石等衬底上异质外延GaN有一定困难。通过制备具有一定结构的衬底可以减小失配带来的应力，并在降温过程中实现HVPE-GaN与衬底的剥离，这一思路的应用也很广泛。一般来说常见处理方法要达到的目的是在衬底与HVPE生长GaN之间加入柔性缓冲层[Hyun-Jae Lee，et al,Applied Physics Letter91(2007)192108]，或者是留有空隙[Y.Oshima,et al,phys.stat.sol.(a),194(2002)554-558]，或是利用周期性纳米图形衬底减小GaN与衬底接触面积[C.L.Chao,Appl.Phys.Lett.95(2009)051905]。这些方法能够帮助HVPE生长的GaN单晶在降温过程中从衬底上自剥离得到自支撑GaN单晶衬底，但是这些方法在制备用于单晶生长的衬底时涉及到复杂的光刻、外延等工艺。

发明内容

本发明针对现有用于获得自支撑GaN单晶的自剥离衬底制备技术存在的不足，提供一种制备过程简便、通过制备N面GaN锥形结构衬底达到自剥离效果以获得自支撑GaN单晶的方法。

本发明的通过制备N面锥形结构衬底获得自支撑GaN单晶的方法，包括以下步骤：

(1)采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法在c面蓝宝石衬底或6H-SiC衬底上外延生长2μm-5μm厚的GaN薄膜，得到GaN外延片。

(2)采用湿法腐蚀的方法对GaN外延片进行Ga面腐蚀，形成到达衬底的腐蚀坑，湿法腐蚀采用以下方法之一：

a.使用质量浓度70％-85％的H₃PO₄溶液在180-220℃对GaN外延片进行腐蚀，腐蚀时间10分钟-15分钟；

b.使用浓磷酸和浓硫酸按体积比1:1-1:5比例的混合酸，在170-270℃对GaN外延片腐蚀10分钟-20分钟；

(3)将经过步骤(2)处理的外延片进行N面具有顶点朝向衬底的锥形结构的制备，采用以下方法之一：

a.浸入质量浓度为50％-70％的H₃PO₄溶液，加热到80-100℃保持60分钟-120分钟；

b.浸入浓度为2-8mol/L浓度的KOH溶液，加热到80-100℃保持60分钟-180分钟。

(4)将步骤(3)处理后的GaN外延片从溶液中取出放入水中以停止锥形结构的形成，结束N面锥形结构制备过程；

(5)将步骤(4)处理后的外延片清洗、吹干后，放入氢化物气相外延(HVPE)生长系统中进行GaN单晶的生长；

(6)GaN单晶生长结束后经过氢化物气相外延(HVPE)生长系统的降温过程，GaN单晶从蓝宝石衬底上自剥离，得到自支撑GaN单晶。

上述过程通过步骤(1)使用湿法腐蚀使不同衬底(蓝宝石或6H-SiC)的外延片上GaN层Ga面形成六角形腐蚀坑穿透GaN薄膜。进行步骤(3)时GaN薄膜的N面因为表面能较低而形成锥状结构。经过HVPE生长后锥形结构之间留有空隙，阻断了位错的延伸，为应力释放留出了空隙。同时由于锥形结构的顶点朝向蓝宝石衬底，减小了GaN与蓝宝石衬底之间的接触面积，当HVPE-GaN厚度足够大时，能够实现降温后自剥离得到自支撑GaN单晶。