[发明专利]单晶自支撑衬底的制作方法

说明书

本发明提供一种单晶自支撑衬底的制作方法，制作方法包括：1)提供一衬底；2)使用HVPE设备，在衬底上生长β‑Ga₂O₃缓冲层；3)使用HVPE设备，在不含氢气的氮气气氛下，在缓冲层上生长GaN外延层；4)使用HVPE设备，通入含氢气的气体，在分解温度下使β‑Ga₂O₃缓冲层完全分解，实现GaN外延层与衬底分离；5)使用HVPE设备进行GaN外延，使GaN外延层的厚度增加至目标厚度，以获得单晶自支撑衬底。本发明可避免激光剥离工艺及自分离工艺导致的良率低的问题，提高GaN外延的生长质量，减少热适配及晶格失配导致的应力累积而产生的GaN外延层翘曲或裂片。

技术领域

本发明属于半导体集成电路设计及制造领域，特别是涉及一种单晶自支撑衬底的制作方法。

背景技术

以氮化镓(GaN)及其合金为代表的第三代半导体材料是近十几年来国际上倍受重视的新型半导体材料，它具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、导热性能好、结构稳定等诸多优异性能，在光电子和微电子技术领域都具有巨大的应用前景。光电子领域中，由于III族氮化物的禁带宽度在0.7-6.2eV范围内连续可调，覆盖了从红光到紫外的波段，可制作绿色、蓝色乃至紫外波段发光器件以及白光照明。此外，最近兴起的紫外光LED在丝网印刷、聚合物固化、环境保护也显示了特殊的用途，极大的激发了研究人员的研究兴趣。GaN激光器在信息存储领域也大有作为，还可应用在医疗诊断、海底探潜和通讯等各个方面。

GaN体单晶的制备比较困难，难以得到大尺寸和质量比较好的体单晶GaN衬底，所以GaN的外延生长通常是以异质外延的方式进行的。但理论和实验都表明，采用GaN作衬底同质外延器件时，器件性能将得到大幅度提高。因此制造自支撑GaN衬底成为人们关注的焦点。

目前大面积的GaN自支撑衬底通常都是通过在异质衬底上气相生长GaN厚膜，然后将原异质衬底分离后得到的。其中蓝宝石衬底是最常用的衬底。为了得到自支撑衬底，必须将蓝宝石衬底去除。蓝宝石质地坚硬，化学性质稳定，因此很难通过化学腐蚀或机械打磨的方法去除。目前常使用激光剥离的方法将GaN和蓝宝石衬底分离。但是激光剥离技术成本昂贵；并且在激光剥离的过程中，界面处GaN高温分解后产生的高压气体容易对制备的GaN自支撑衬底造成损伤，轻则在GaN自支撑衬底上产生大量的位错和微裂纹从而影响以后器件的质量，重则使GaN自支撑衬底完全碎裂从而大大降低成品率。另一种分离工艺为应力诱导自分离，但因外延层应力情况复杂，难以均一，分离点存在较大的不确定性，良率低下。

总的来说，异质材料外延进行外延生长时，由于晶格失配和热失配，会造成异质外延氮化镓厚度受限，同时解离氮化镓单晶的工艺难度较大，在大尺寸蓝宝石/氮化镓厚膜复合衬底(HVPE一次外延片)上表现尤其明显。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单晶自支撑衬底的制作方法，用于解决现有技术中异质材料外延进行外延生长时，由于晶格失配和热失配，会造成异质外延氮化镓厚度受限，同时解离氮化镓单晶的工艺难度较大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单晶自支撑衬底的制作方法，所述制作方法包括：1)提供一衬底；2)使用HVPE设备，在所述衬底上生长β-Ga₂O₃缓冲层；3)使用所述HVPE设备，在不含氢气的氮气气氛下，在所述缓冲层上生长GaN外延层；4)使用所述HVPE设备，通入含氢气的气体，在分解温度下使β-Ga₂O₃缓冲层完全分解，实现GaN外延层与所述衬底分离；5)使用所述HVPE设备进行GaN外延，使所述GaN外延层的厚度增加至目标厚度，以获得单晶自支撑衬底。