一種利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法。所述方法為：在藍(lán)寶石基板上依次生長第一緩沖層、第二緩沖層；在第二緩沖層上高溫生長氮化鎵厚膜層；在氮化鎵厚膜生長時，第一緩沖層高溫?zé)岱纸鉃殒壓偷獨(dú)?，使氮化鎵厚膜層與藍(lán)寶石基板之間產(chǎn)生空隙；緩沖層和氮化鎵厚膜層生長完后，在冷卻過程中氮化鎵厚膜層與藍(lán)寶石基板逐漸分離，得到的氮化鎵基板。采用本發(fā)明提供的氮化鎵基板的方法，生產(chǎn)效率更高，能生產(chǎn)一定厚度的氮化鎵基板且不易產(chǎn)生裂紋，提高生產(chǎn)質(zhì)量。
【專利說明】一種利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在藍(lán)寶石(Sapphire wafer)和其上面生長出來的氮化鎵(GaN)之間插入一種選擇性熱分解特性很好的緩沖層，然后通過熱分解將氮化鎵從藍(lán)寶石襯底分離出來以得到單晶氮化鎵基板。

【背景技術(shù)】
[0002]AlN.GaN.1nN等氮化物半導(dǎo)體材料是帶隙(Band gap)為0.65eV~6.2eV的直接遷移型半導(dǎo)體材料，所以這三種材料可以發(fā)出紅外線至紫外線的所有的可視光線，也因為這樣，它們作為LED (Light Emitting D1de), LD (Laser D1de)的發(fā)光元件的材料而備受關(guān)注。另外，因其材料具有物性堅硬、電子移動率(Electron mobility)高的優(yōu)點(diǎn)，所以它在高溫、放射能等惡劣的環(huán)境中也廣泛用作高溫/高功率/高速的電子元件。
[0003]一般來說的綠色LED或者白色LED是通過在藍(lán)寶石基板上生長氮化鎵(GaN)薄膜來制作的，但是為了制作超高功率LED，LD等這種電流密度要求很高的氮化鎵元件，就需要氮化鎵基板。究其原因是因為在藍(lán)寶石基板上生長的氮化鎵薄膜的缺陷密度大約為19~109/Cm2，也就是說很高的缺陷密度會導(dǎo)致元件壽命減少的問題。
[0004]與之相反，在單晶氮化鎵基板上生長的氮化鎵薄膜的缺陷密度是1Vcm2以下，其優(yōu)點(diǎn)就是可以使元件的壽命增加。制作氮化鎵基板的方法中氫氣氣相外延生長(HydrideVapor Phase Epitaxy:HVPE)法是最為常用的方法，除此之外，還有有機(jī)金屬化學(xué)沉積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposit1n:MOCVD)法，分子束外延生長(MolecularBeam Epitaxy:MBE)法等。HVPE作為氣相生長方法之一，它的優(yōu)點(diǎn)在于生長速度較快且成本較低，所以廣泛用于薄膜的生長以及厚膜結(jié)晶的生長。
[0005]目前的氮化鎵基板制作工藝是在藍(lán)寶石基板上生長出氮化鎵單晶厚膜后，利用激光或者化學(xué)蝕刻(Chemical etching)又或者物理上的加工方法將藍(lán)寶石基板和氮化鎵單晶厚膜分離，接著將氮化鎵單晶厚膜用拋光加工。
[0006]例如，利用激光分離氮化鎵基板的方法是在藍(lán)寶石基板一側(cè)射入比氮化鎵的Band gap波長小的激光束，這樣可以將此界面上的氮化鎵熱分解為金屬鎵(Ga metal)和氮?dú)?N2 gas)及分離藍(lán)寶石基板和GaN厚膜。
[0007]但是，目前的HVPE只是用作GaN的生長而無法分離藍(lán)寶石基板上生長的GaN層，因此必須有額外的激光基板分離工藝，然而激光基板分離工藝過程中GaN單晶厚膜上很容易產(chǎn)生裂痕，繼而會導(dǎo)致GaN基板制造良率低下的問題。
[0008]將藍(lán)寶石基板從氮化物半導(dǎo)體中分離或去除的問題在提高元件本身的電子特性、最終不僅僅在效率和可靠性的提升方面、還有在藍(lán)寶石的回收利用和工藝上的制造成本問題上，都是需要解決的部分。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的是現(xiàn)有GaN單晶厚膜制作過程中，將藍(lán)寶石基板與生長的GaN膜分離時，GaN膜容易產(chǎn)生裂痕的問題。
[0010]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011]步驟I):在藍(lán)寶石基板上依次生長第一緩沖層、第二緩沖層；
[0012]步驟2):在第二緩沖層上高溫生長氮化鎵厚膜層；
[0013]步驟3):在氮化鎵厚膜層生長時，第一緩沖層高溫?zé)岱纸鉃殒壓偷獨(dú)?，使氮化鎵厚膜層與藍(lán)寶石基板之間產(chǎn)生空隙；
[0014]步驟4):氮化鎵厚膜層生長完后，在冷卻過程中氮化鎵厚膜層與藍(lán)寶石基板逐漸分離，得到的氮化鎵基板。
[0015]優(yōu)選地，所述步驟I)中第一緩沖層是通過HVPE生長出來的氮化鎵，它是在600~800°C溫度中生長的，其生長厚度為I~3μπι，V/III比為10~100。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟I)中第二緩沖層是在第一緩沖層生長完成后升溫至90(TC生長的，其厚度為50~100 μ m，V/III比為10~1000。
[0017]優(yōu)選地，所述步驟2)與步驟I)之間，第二緩沖層還升溫至1000°C經(jīng)熱處理。
[0018]進(jìn)一步地，所述步驟2)中氮化鎵厚膜層是在第二緩沖層經(jīng)熱處理后繼續(xù)升溫至1200°C生長的，其厚度為300ymWi，V/III比為10~50。
[0019]優(yōu)選地，所述第一緩沖層在溫度達(dá)到900°C以上時熱分解為液體鎵和氮?dú)狻?br> [0020]優(yōu)選地，所述氮化鎵可用氮化鋁或氮化銦替代，制備氮化鋁或氮化銦厚膜層。
[0021]本發(fā)明提供了一種熱分解特性很好的氮化鎵緩沖層以及用此來生長并分離氮化物半導(dǎo)體的技術(shù)，緩沖層作為將半導(dǎo)體從生長基板中分離的方法，可以簡化工藝且實施性強(qiáng)，便于量產(chǎn)。
[0022]在藍(lán)寶石基板等異質(zhì)基板上生長的兩個緩沖層因熱處理效果而發(fā)生化學(xué)分解過程。特別指出的是，低溫生長的第一緩沖層比起其他層其結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定，所以很容易發(fā)生熱分解，正因為如此，可以在第一緩沖層上選擇性地加速熱分解過程。
[0023]為了使第一緩沖層起作用及熱分解務(wù)必要有第二緩沖層，這時第二緩沖層的作用是在溫度上升過程中防止第一緩沖層的變化即再結(jié)晶化，并且對于第二緩沖層上面生長的高溫氮化物半導(dǎo)體起到緩沖層的作用。
[0024]雖然，沒有第一緩沖層的第二緩沖層在結(jié)構(gòu)上可起到厚膜生長的緩沖作用，但是很難制作出自支撐氮化物半導(dǎo)體基板。相反，沒有第二緩沖層的第一緩沖層在升溫的過程中會再結(jié)晶化并導(dǎo)致氮化鎵的特性發(fā)生改變，這樣熱分解特性會減弱以致最終很難完成基板的分尚。
[0025]綜上而言，為了使氮化物半導(dǎo)體的緩沖層能夠通過它的熱分解特性很好地起到作用，必須同時具有第一緩沖層和第二緩沖層。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0027]1.在初期生長所用的基板與生長的氮化物厚膜半導(dǎo)體之間插入第一緩沖層和第二緩沖層之后，可利用第一緩沖層的選擇性熱分解效應(yīng)在半導(dǎo)體的損傷最低的情況下進(jìn)行分離；
[0028]2.從氮化鎵層分離出的藍(lán)寶石基板因為沒有損傷，所以可以重新用于氮化鎵生長的基板；
[0029]3.第一緩沖層和第二緩沖層是在氮化物半導(dǎo)體的生長過程中插入的，所以不需要外加其他工藝并可在簡單的步驟下完成生長，因此在經(jīng)濟(jì)性層面上也顯優(yōu)勢；
[0030]4.第一緩沖層和第二緩沖層本身是氮化物半導(dǎo)體層，所以作為緩沖層可以保證在其上面生長的氮化物半導(dǎo)體的高品質(zhì)性；
[0031]5.采用本發(fā)明提供的方法能利用第一緩沖層和第二緩沖層可以有效地制作高品質(zhì)的自支撐單晶氮化物半導(dǎo)體基板。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1a-C為實施例提供的一種利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法的各步驟的示意圖；
圖2為分離過程中不同氮化鎵層截面的SEM照片比較圖。
其中:a為第一緩沖層開始分解時的截面；b為第一緩沖層和第二緩沖層從藍(lán)寶石基板分離出的氮化鎵層截面；c為熱處理結(jié)束之后分離的氮化鎵基板和藍(lán)寶石基板。
[0033]
[0034]

【具體實施方式】
[0035]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。
[0036]實施例1
[0037]—種利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法，包括以下步驟:
[0038]步驟I):在藍(lán)寶石基板I上依次生長第一緩沖層3、第二緩沖層4(如圖1a所示)；第一緩沖層3是通過HVPE生長出來的氮化鎵，它是在700°C溫度中生長的，其生長厚度為2 μ m，生長時間為lOmin，V/III比為10 ;第二緩沖層是在第一緩沖層3生長完成后升溫至9000C生長的，其厚度為100 μ m,生長時間為60min ;此時，第一緩沖層3在溫度達(dá)到900°C以上時熱分解為液體鎵Ga和氮?dú)釴(如圖1b所示)；
[0039]步驟2):將第二緩沖層4升溫至1000°C經(jīng)熱處理30min ;然后在第二緩沖層4上高溫生長氮化鎵厚膜層2，氮化鎵厚膜層2是在第二緩沖層4熱處理后升溫至120(TC生長的，其厚度為300 um以上，生長時間為4hr ；
[0040]步驟3):在氮化鎵厚膜層生長時，第一緩沖層3高溫?zé)岱纸鉃橐后w鎵Ga和氮?dú)釴，使氮化鎵厚膜層2與藍(lán)寶石基板I之間產(chǎn)生空隙；
[0041]步驟4):氮化鎵厚膜層2生長完后，在冷卻過程中氮化鎵厚膜層2與藍(lán)寶石基板I逐漸分離，得到的氮化鎵基板(如圖1c所示)。
[0042]上述步驟中氮化鎵可用氮化鋁或氮化銦替代，制備氮化鋁或氮化銦厚膜層。
[0043]第一緩沖層3和第二緩沖層4是在相對低的溫度下生長的，所以其物性熱穩(wěn)定性較差。經(jīng)過熱處理之后，第一緩沖層3上會發(fā)生分解反應(yīng)，容易氣化的氮?dú)釴會變成氣體揮發(fā)掉，鎵Ga會以液體殘留在藍(lán)寶石基板I和氮化物基板的界面上。也就是說，分解的第一緩沖層3里包括鎵Ga和空隙以及未分解的氮化鎵。
[0044]下面顯示的是上述化學(xué)分解反應(yīng)式。
[0045]2GaN(s) — 2Ga(l)+N2(g)
[0046]接著，界面上的液體鎵Ga在氮化鎵厚膜層2生長的時間段里部分可能會與從外面注入的氮離子重新結(jié)合。
[0047] 因為此時的重新結(jié)合主要發(fā)生在異種基板(即藍(lán)寶石基板I)的表面和氮化物基板的背面(對著異種基板的那一面)，所以異種基板和第一緩沖層3上面的氮化物基板的結(jié)合力明顯減弱，以一種空隙形式存在。圖2可見，a圖中只有在第一緩沖層3中發(fā)生了選擇性分離。在氮化物基板與藍(lán)寶石基板I分離的狀態(tài)下，可以看到在氮化物基板的背面氮化鎵的再結(jié)晶較多，這時因為比起異種基板的藍(lán)寶石，在同種物質(zhì)的氮化物表面上較容易發(fā)生液體鎵的重新結(jié)合的過程。b圖顯示的是利用第一緩沖層和第二緩沖層從藍(lán)寶石基板分離出的氮化物基板的截面的SEM照片。c圖是熱處理結(jié)束之后分離氮化物基板和藍(lán)寶石基板后測得的SEM表面照片。
【權(quán)利要求】
1.一種利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I):在藍(lán)寶石基板(I)上依次生長第一緩沖層(3)、第二緩沖層(4)； 步驟2):在第二緩沖層(4)上高溫生長氮化鎵厚膜層(2); 步驟3):在氮化鎵厚膜層(2)生長時，第一緩沖層(3)高溫?zé)岱纸鉃殒?Ga)和氮?dú)?N)，使氮化鎵厚膜層(2)與藍(lán)寶石基板(I)之間產(chǎn)生空隙； 步驟4):氮化鎵厚膜層(2)生長完后，在冷卻過程中氮化鎵厚膜層(2)與藍(lán)寶石基板(I)逐漸分離，得到的氮化鎵基板。
2.如權(quán)利要求1所述的利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法，其特征在于，所述步驟I)中第一緩沖層(3)是通過HVPE生長出來的氮化鎵，它是在600~800°C溫度中生長的，其生長厚度為I~3μπι，V/III比為10~100。
3.如權(quán)利要求1所述的利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法，其特征在于，所述步驟I)中第二緩沖層(4)是在第一緩沖層(3)生長完成后升溫至900°C生長的，其厚度為 50 ~100 μ m, V/III 比為 10 ~1000。
4.如權(quán)利要求1所述的利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法，其特征在于，所述步驟2)與步驟I)之間，第二緩沖層(4)還升溫至1000°C經(jīng)熱處理。
5.如權(quán)利要求4所述的利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法，其特征在于，所述步驟2)中氮化鎵厚膜 層(2)是在第二緩沖層(4)經(jīng)熱處理后繼續(xù)升溫至1200°C生長的，其厚度為300ymWi，V/III比為10~50。
6.如權(quán)利要求1所述的利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法，其特征在于，所述第一緩沖層在溫度達(dá)到900°C以上時熱分解為液體鎵(Ga)和氮?dú)?N)。
7.如權(quán)利要求1所述的利用熱分解特性獲得自支撐氮化鎵基板的方法，其特征在于，所述氮化鎵可用氮化鋁或氮化銦替代，制備氮化鋁或氮化銦厚膜層。
【文檔編號】C30B25/22GK104178807SQ201410382392
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】金施耐, 許楨, 金東植 申請人:上海世山科技有限公司, 上海正帆科技有限公司