專利名稱：大尺寸非極性面GaN自支撐襯底制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用氫化物氣相外延法在(100)鋁酸鋰(LiAI02)襯底上生長高質(zhì) 量大尺寸非極性面GaN襯底材料的方法。
二背景技術：
以GaN及InGaN、 AlGaN合金材料為主的III-V族氮化物材料(又稱GaN基材料) 是近幾年來國際上倍受重視的新型半導體材料，是短波長半導體光電子器件和高頻、 高壓、高溫微電子器件制備的最優(yōu)選材料。
由于GaN本身物理性質(zhì)的限制，GaN體單晶的生長具有很大的困難，尚未實用 化。由于缺乏體單晶，GaN薄膜的獲得主要靠異質(zhì)外延。最常用的襯底材料是藍寶石 (a-A1203)。巨大的晶格失配和熱失配導致了 GaN外延層中高密度的位錯，典型的可 達l()W/cm2，嚴重影響了器件的性能和壽命。
在鋁酸鋰(100)襯底上生長的GaN薄膜是(IO—IO)取向，極性的c軸在GaN 薄膜的生長面內(nèi)，所以可以得到非極性的GaN薄膜。非極性GaN因為極性的c軸在 面內(nèi)，因而引起的極化效應不會對發(fā)光器件和電子器件性能造成很大的影響。同時由 于采用新型鋁酸鋰襯底生長非極性GaN， 二者的晶格失配非常的小，這樣得到的GaN 質(zhì)量很咼。
本申請人的中國專利CN1381870獲得大面積高質(zhì)量GaN自支撐襯底的方法，先 在藍寶石襯底上橫向外延獲得低位錯密度GaN薄膜；然后在ELO GaN薄膜上進行氫 化物氣相外延，獲得大面積、低位錯密度的GaN厚膜；采用激光掃描輻照剝離方法， 將GaN厚膜從藍寶石襯底上剝離下來，再進行表面拋光處理，就可以獲得高質(zhì)量GaN 自支撐襯底。快速生長大面積GaN厚膜；可快速地無損傷將GaN薄膜從藍寶石襯底 上分離開來。但藍寶石襯底的成本高，而且激光掃描福照剝離的工藝成本亦比較高。 本發(fā)明人的現(xiàn)有技術中(ZL200410041436. 1)利用鋁酸鋰(LiA102 )和鎵酸鋰(LiGa02) 襯底上的襯底來生長非極性面GaN薄膜，利用襯底和GaN之間獨特的性質(zhì)差異來獲 得自支撐的GaN襯底材料。但成品率還有待于改進，不能保證相同工藝過程均能得 到完整的大尺寸自支撐GaN襯底材料，而且樣品從高溫降到室溫需按照一定降溫速 率降溫，并且晶體質(zhì)量較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是利用氫化物氣相外延法在(100)鋁酸鋰(LiA102)襯底上生長 大尺寸非極性面GaN薄膜，并利用鋁酸鋰和GaN之間熱膨脹系數(shù)的差異使得鋁酸鋰 襯底自動剝落，獲得大尺寸自支撐GaN襯底材料。提高現(xiàn)有氫化物氣相外延法在(100) 鋁酸鋰(LiA102)襯底上生長大尺寸非極性面GaN薄膜的成品率及產(chǎn)品質(zhì)量，得到 完整的大尺寸自支撐GaN襯底材料。
本發(fā)明的技術解決方案提高生長溫度或者采用緩沖層技術，來提高晶體質(zhì)量。 在HVPE生長系統(tǒng)中，在(100)鋁酸鋰襯底上先在低溫下生長GaN或者A1N緩沖層，緩沖層的生長溫度在500-800。C，在緩沖層上再生長GaN薄膜，溫度1000-1100'C。尤 其是采用高速率的HVPE生長，獲得較厚的GaN厚度(一般在100微米以上)，這樣 在自剝離后，GaN才不會碎裂。生長至合適的厚度(一般需大于100微米)后，冷卻 后獲得自支撐的非極性面GaN襯底；即可直接將樣品從高溫下取出到室溫，無需緩慢 降溫，鋁酸鋰襯底和GaN薄膜自然分離，即可獲得自支撐的非極性面GaN襯底。
本發(fā)明的機理和有益效果是利用了鋁酸鋰襯底和GaN之間的小的晶格失配來獲 得低位錯密度的非極性面GaN薄膜；本發(fā)明方案充分利用兩者之間大的熱失配來使得 二者相分離，無需按照一定降溫速率降溫，并且晶體質(zhì)量明顯改善，而且成品率高， 采用本發(fā)明方案利于規(guī)模生產(chǎn)。
四

圖l利用本發(fā)明方法獲得非極性面自支撐GaN襯底的照片(2英寸、厚度 100微 米，和以前比，樣品完整性顯著提高，成品率可達100%)
圖2利用本發(fā)明方法獲得非極性面自支撐GaN襯底的XRD圖(半高寬小于0. 03度 和以前的方法相比一半高寬約為l度，晶體質(zhì)量顯著提高達2個量級以上)
圖3利用本發(fā)明方法獲得非極性面自支撐GaN襯底A的PL譜，曲線B是以前的技 術方法獲得的樣品的PL譜，見ZL200410041436. 1。從圖中PL峰的強度也可以明顯看 出晶體質(zhì)量有非常大的提高
五具體實施例方式
本發(fā)明技術實施過程，包括下面幾步
先將清洗后的鋁酸鋰襯底放入反應器中后升溫至緩沖層溫度，先生長緩沖層。溫
度為500-800nC，本實施例中取650。C。氣體流量分別是:NH3流量為500-1500sccm,NH3 載氣流量為500sccm， HC1流量為10-20sccm， HC1載氣流量為200sccm，總氮氣為 2000-3000sccm。生長時間30-120秒。
反應器中后升溫至生長溫度開始生長GaN。生長溫度1000 1050°C。氣體流量分 別NH3流量為500-2000sccm, NH3載氣流量為500sccm， HCl流量為10-50sccm， HCl 載氣流量為200sccm(采用金屬鎵與HCl載氣反應作為鎵源)，總氮氣為2000-3500sccm。
按照上述兩種方案，生長至所需的厚度后(一般需大于IOO微米)，停止生長。直 接將樣品從高溫下取出到室溫，無需緩慢降溫，即可獲得自支撐的GaN襯底，鋁酸鋰 襯底自動分離。
鋁酸鋰襯底的尺寸可以任意不等。采用本發(fā)明的技術和設備可以獲得高質(zhì)量大尺 寸的GaN襯底。
也可以在清洗后的鋁酸鋰襯底上直接生長GaN薄膜，溫度IOOO-IIO(TC。采用高速 率的HVPE生長，獲得較厚的GaN厚度，在100微米以上，這樣在自剝離后，GaN才 不會碎裂。生長至合適厚度后(一般需大于100微米)，直接將樣品從高溫下取出到室 溫，無需緩慢降溫，即可獲得自支撐的GaN襯底，鋁酸鋰襯底自動分離。
權利要求
1、大尺寸非極性面GaN自支撐襯底制備方法，利用(100)鋁酸鋰襯底制備大尺寸非極性GaN自支撐襯底，其特征是在HVPE生長系統(tǒng)中將鋁酸鋰襯底放入反應器中后，先生長緩沖層溫度為500-800℃，氣體流量分別是NH3流量為500-1500sccm，NH3載氣流量為500sccm，HCl流量為10-20sccm，HCl載氣流量為200sccm，總氮氣為2000-3000sccm生長時間30-120秒；反應器中后升溫至生長溫度開始生長GaN，生長溫度1000-1100℃，氣體流量分別是，NH3流量為500-2000sccm，NH3載氣流量為500sccm；HCl流量為10-50sccm，HCI載氣流量為200sccm；總氮氣為2000-3500sccm；生長至合適的厚度后，停止生長；冷卻后獲得完整的自支撐GaN襯底，鋁酸鋰襯底自動分離。
2、 根據(jù)權利要求1所述的大尺寸非極性面GaN自支撐襯底制備方法，其特征是 在HVPE生長系統(tǒng)中將鋁酸鋰襯底放入反應器中后，直接升溫至生長溫度在 1000-UOO。C條件下，氣體流量分別NH3流量為500-2000sccm, NH3載氣流量為 500sccm; HCl流量為10-50sccm，HCl載氣流量為200sccm，總氮氣為2000-3500sccm;生長至合適的厚度后，停止生長；將樣品從高溫直接取出到室溫下，無需按照一定降溫速率降溫，即可獲得完整的自支撐GaN襯底。
3、 根據(jù)權利要求l或2所述的大尺寸非極性面GaN自支撐襯底制備方法，其特 征是要獲得完整尺寸的GaN自支撐襯底，生長GaN厚度需要在100微米以上。
4、 根據(jù)權利要求l或2所述的大尺寸非極性面GaN自支撐襯底制備方法，其特 征是直接將樣品從高溫下取出，無需緩慢降溫。
5、 根據(jù)權利要求I或2所述的大尺寸非極性面GaN自支撐襯底制備方法，其特 征是采用緩沖層也可以直接生長得到。
全文摘要
大尺寸非極性面GaN自支撐襯底制備方法，在HVPE生長系統(tǒng)中將鋁酸鋰襯底放入反應器中后，先生長緩沖層。溫度為500-800℃，然后升溫至生長溫度開始生長GaN，生長溫度1000-1100℃。生長至合適的厚度后，停止生長；冷卻后獲得完整的自支撐GaN襯底，鋁酸鋰襯底自動分離。本發(fā)明利用了鋁酸鋰襯底和GaN之間的小的晶格失配來獲得低位錯密度的非極性面GaN薄膜；本發(fā)明方案充分利用兩者之間大的熱失配來使得二者相分離，無需按照一定降溫速率降溫，并且晶體質(zhì)量明顯改善，而且成品率高，采用本發(fā)明方案利于規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號H01L21/02GK101281863SQ20081001910
公開日2008年10月8日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權日2008年1月11日
發(fā)明者修向前, 榮 張, 毅 施, 朱順明, 胡立群, 謝自力, 鄭有炓, 海 陸, 平 韓, 顧書林 申請人:南京大學