[发明专利]基于HVPE的自支撑氮化镓单晶及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于HVPE的自支撑氮化镓单晶制备方法，包括以下步骤：(1)提供衬底，并对所述衬底表面进行原位清洗；(2)于所述衬底表面低温生长GaN晶核，同时HCl和NH3形成NH4Cl固体，与GaN晶核竞争覆盖所述衬底；(3)温度提升至1000℃以上进行退火处理，提升GaN晶核质量；(4)于所述GaN晶核上中高温二维生长GaN层；(5)于所述GaN层上高温持续成长GaN单晶；降温、将GaN单晶自所述衬底上剥离，形成自支撑晶体。本发明通过HVPE为自支撑维氮化镓生长提供了高质量的成核点，同时因为空隙释放了应力，降低了翘曲在生长结束降温时消除了开裂，提高了自支撑氮化镓生长的良率。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种自支撑氮化镓单晶及其制备方法。

背景技术

GaN是第三代宽禁带半导体的典型代表，已被广泛应用于半导体照明、微波功率器件和电力电子器件等方面，展现出巨大的应用前景。用于氮化镓生长的最理想衬底自然是氮化镓单晶材料，这样的同质外延(即外延层和衬底是同一种材料)可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是氮化镓单晶生长困难，价格昂贵，大规模化同质外延生长目前仍然没有可能。因此，目前氮化镓单晶制备仍然采用异质外延，如硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底等。

目前基本上所有的商业化GaN衬底(晶圆，基片)都是通过HVPE制造的。但是其尺寸通常还是局限在2寸，更大的尺寸比如4英寸受到了曲率半径的限制。而HVPE由于采用异质外延，晶格常数和热膨胀数造成的应力会引起氮化镓在长厚时或冷却时开裂。

现有的解决方法是在蓝宝石表面先用MOCVD生长几微米GaN薄膜并进行界面处理形成各种掩模，一方面减少生长时的起始缺陷并形成应力屈服型衬底，从而使GaN生长的临界厚度尽可能大比如达到几百微米甚至几个毫米；另一方面是制造弱界面，这样可以在降温时由于热膨胀数不同引入的切应力来造成GaN和蓝宝石或其他衬底的自动剥离。这种方法的本质是通过插入一个在异质衬底界面上的过渡层，达到降低生长时的位错和应力的目的，并使生长的氮化镓在降温时与蓝宝石容易剥离。

然而此类方法存在不足：1、成本高，需要昂贵的设备和指标过程如光刻机或MOCVD；2、需要额外的设备及工序，从而使过程控制性能差，良率降低；3、吸收应力的效果不是非常显著。目前工业上的氮化镓自支撑衬底最大在4寸左右，远没有达到异质衬底如硅、蓝宝石、碳化硅的尺寸比如8寸甚至更大。

发明内容

本发明针对以上问题以及现有技术缺点，做出研究改进，提供一种基于HVPE的自支撑氮化镓单晶制备方法。本发明提出的所有的步骤，均基于HVPE工艺，在同一台HVPE反应器内完成。

为实现上述目的，本发明提供一种基于HVPE的自支撑氮化镓单晶制备方法，包括以下步骤：

(1)提供衬底，并对所述衬底表面进行原位清洗。

(2)于所述衬底表面低温生长GaN晶核，同时HCl和NH3形成NH4Cl固体，与GaN晶核竞争覆盖所述衬底；

(3)温度提升至1000℃以上进行退火处理，提升GaN晶核质量；

(4)于所述GaN晶核上中高温二维生长GaN层；

(5)于所述GaN层上高温持续成长GaN单晶；

(6)降温，将GaN单晶自所述衬底上剥离，形成自支撑晶体。

作为本发明的优选设置，所述衬底包括但不限于蓝宝石衬底、Si C、GaAs、ScAlMgO4、ZnO、Si衬底等。

作为本发明的优选设置，步骤(1)在高温1000～1100℃下进行，包括使用H2和N2混合气对衬底表面进行清洗。

作为本发明的优选设置，若衬底为蓝宝石，还需要使用NH3对衬底表面进行氮化处理。