[发明专利]多孔网状结构GaN单晶薄膜、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种制备多孔网状结构GaN单晶薄膜的方法，其步骤包括：在蓝宝石衬底上生长厚度范围在0.1‑2微米的氧化镓薄膜；氨气气氛下氮化，形成多孔网格状分布的GaN/Ga₂O₃复合薄膜；氢氟酸腐蚀，得到多孔化结构的GaN单晶薄膜。该方法制得的多孔网状结构GaN单晶薄膜及其在作为GaN厚膜的衬底材料上的应用。本发明可得到高质量多孔网状结构GaN单晶薄膜。进一步再氮化还可以提高多孔网状结构GaN单晶薄膜的晶体质量。在上述多孔网状结构GaN单晶薄膜上进行厚膜GaN的卤化物气相外延生长，可以获得低应力高质量的GaN厚膜材料。

技术领域

本发明涉及到一种多孔网状结构GaN单晶薄膜、制备的方法以及应用，属于半导体材料技术领域。

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单晶的熔点高达2300℃，分解点在900℃左右，生长需要极端的物理环境，而且大尺寸GaN单晶无法用传统晶体生长的方法得到。所以大多数的GaN薄膜都是在异质衬底上外延得到的。目前应用于半导体技术的GaN主要是采用异质外延方法在蓝宝石、SiC或Si等衬底上制备。在异质外延中，由于GaN材料和异质衬底之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配，得到的GaN外延层中会有应力并产生处于10⁸-10⁹/cm²量级的位错密度，这些缺陷降低了外延层的质量，限制了GaN材料的热导率、电子饱和速度等参数，大大影响了器件的可靠性、成品率，而且巨大的应力会造成GaN厚膜和异质衬底裂成碎片，因而无法应用。

GaN衬底生长主要有气相法和液相法。液相法包括高压氮气溶液法、钠助熔剂法和氨热法等；气相法有气相输运法和卤化物气相外延法等。目前获得高质量GaN自支撑衬底并将实现量产的主要方法是采用横向外延、悬挂外延等方法，辅以卤化物气相外延法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，采用各种技术工艺并辅以卤化物气相外延生长得到的自支撑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。其中GaN横向外延提高质量的方法主要是在衬底表面形成特定的槽孔或网格结构等，如可参考专利：《横向外延技术生长高质量氮化镓薄膜》，专利号ZL021113084.1。

氧化镓(Eg＝4.8-4.9eV)作为新型超宽禁带半导体，具有高导电率、高击穿场强等优点，在可见光和紫外光区域都具有高透明性。β-Ga₂O₃的(100)解离面在高温NH₃气氛的氮化作用下会进行表面重建现象，表面重建产生与GaN晶格相匹配的表面，可以作为缓冲层进行后续外延生长GaN厚膜。这种同质衬底外延生长会显著降低厚膜中的应力和位错密度，提高GaN材料质量。

本发明给出了利用氧化镓薄膜氮化形成多孔网状结构GaN单晶薄膜，并通过氢氟酸腐蚀和再氮化进一步提高其晶体质量的方法和工艺。

发明内容

本发明的目的是利用氧化镓薄膜氮化形成多孔网状结构GaN单晶薄膜，并通过氢氟酸腐蚀进一步提高其晶体质量。

本发明采取的技术方案为：

一种制备多孔网状结构GaN单晶薄膜的方法，其步骤包括：