[发明专利]一种利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在蓝宝石(Sapphire wafer)和其上面生长出来的氮化镓(GaN)之间插入一种选择性热分解特性很好的缓冲层，然后通过热分解将氮化镓从蓝宝石衬底分离出来以得到单晶氮化镓基板。 

背景技术

A1N、GaN、InN等氮化物半导体材料是带隙(Band gap)为0.65eV～6.2eV的直接迁移型半导体材料，所以这三种材料可以发出红外线至紫外线的所有的可视光线，也因为这样，它们作为LED(Light Emitting Diode)，LD(Laser Diode)的发光元件的材料而备受关注。另外，因其材料具有物性坚硬、电子移动率(Electron mobility)高的优点，所以它在高温、放射能等恶劣的环境中也广泛用作高温/高功率/高速的电子元件。 

一般来说的绿色LED或者白色LED是通过在蓝宝石基板上生长氮化镓(GaN)薄膜来制作的，但是为了制作超高功率LED，LD等这种电流密度要求很高的氮化镓元件，就需要氮化镓基板。究其原因是因为在蓝宝石基板上生长的氮化镓薄膜的缺陷密度大约为10⁹～10⁹/cm²，也就是说很高的缺陷密度会导致元件寿命减少的问题。 

与之相反，在单晶氮化镓基板上生长的氮化镓薄膜的缺陷密度是10⁷/cm²以下，其优点就是可以使元件的寿命增加。制作氮化镓基板的方法中氢气气相外延生长(Hydride Vapor Phase Epitaxy：HVPE)法是最为常用的方法，除此之外，还有有机金属化学沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：MOCVD)法，分子束外延生长(Molecular Beam Epitaxy：MBE)法等。HVPE作为气相生长方法之一，它的优点在于生长速度较快且成本较低，所以广泛用于薄膜的生长以及厚膜结晶的生长。 

目前的氮化镓基板制作工艺是在蓝宝石基板上生长出氮化镓单晶厚膜后，利用激光或者化学蚀刻(Chemical etching)又或者物理上的加工方法将蓝宝石基板和氮化镓单晶厚膜分离，接着将氮化镓单晶厚膜用抛光加工。 

例如，利用激光分离氮化镓基板的方法是在蓝宝石基板一侧射入比氮化镓的 Band gap波长小的激光束，这样可以将此界面上的氮化镓热分解为金属镓(Ga metal)和氮气(N₂ gas)及分离蓝宝石基板和GaN厚膜。 

但是，目前的HVPE只是用作GaN的生长而无法分离蓝宝石基板上生长的GaN层，因此必须有额外的激光基板分离工艺，然而激光基板分离工艺过程中GaN单晶厚膜上很容易产生裂痕，继而会导致GaN基板制造良率低下的问题。 

将蓝宝石基板从氮化物半导体中分离或去除的问题在提高元件本身的电子特性、最终不仅仅在效率和可靠性的提升方面、还有在蓝宝石的回收利用和工艺上的制造成本问题上，都是需要解决的部分。 

发明内容

本发明所要解决的是现有GaN单晶厚膜制作过程中，将蓝宝石基板与生长的GaN膜分离时，GaN膜容易产生裂痕的问题。 

为了解决上述问题，本发明提供了一种利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

步骤1)：在蓝宝石基板上依次生长第一缓冲层、第二缓冲层； 

步骤2)：在第二缓冲层上高温生长氮化镓厚膜层； 

步骤3)：在氮化镓厚膜层生长时，第一缓冲层高温热分解为镓和氮气，使氮化镓厚膜层与蓝宝石基板之间产生空隙； 

步骤4)：氮化镓厚膜层生长完后，在冷却过程中氮化镓厚膜层与蓝宝石基板逐渐分离，得到的氮化镓基板。 

优选地，所述步骤1)中第一缓冲层是通过HVPE生长出来的氮化镓，它是在600～800℃温度中生长的，其生长厚度为1～3μm，V/III比为10～100。 

优选地，所述步骤1)中第二缓冲层是在第一缓冲层生长完成后升温至900℃生长的，其厚度为50～100μm，V/III比为10～1000。 

优选地，所述步骤2)与步骤1)之间，第二缓冲层还升温至1000℃经热处理。 

进一步地，所述步骤2)中氮化镓厚膜层是在第二缓冲层经热处理后继续升温至1200℃生长的，其厚度为300μm以上，V/III比为10～50。 

优选地，所述第一缓冲层在温度达到900℃以上时热分解为液体镓和氮气。