CN101017775A - 降低氮化镓单晶膜与异质基底间应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种降低GaN单晶膜与异质基底间应力的方法，属于光电材料和器件领域。该方法包括：在蓝宝石等异质基底上生长GaN薄膜，采用激光透过蓝宝石等异质衬底，辐照生长在基底上的GaN薄膜，在GaN薄膜底部获得预分解态层，实现了释放GaN膜层中的应力应变，降低GaN膜与异质基底间应力的目的。本发明缓解由于应力而导致的GaN单晶开裂问题，可导致更高晶体质量的材料生长。
Description
技术领域
本发明涉及光电材料和器件领域，尤其涉及一种降低GaN单晶膜与异质基底间应力的方法。
背景技术
氮化镓(GaN)基半导体材料由于具有很宽的禁带宽度、良好的光电学性能(较高的载流子浓度、迁移率、电子饱和速度、击穿电场与较低的介电常数等)和物理化学性能(耐高温、耐腐蚀等)，被誉为是继第一代Si、Ge元素半导体材料、第二代GaAs、InP半导体材料之后的第三代半导体材料，或“后硅器件时代材料”的主要代表，是制作高频、高温、高压、大功率集成电路(IC)用微电子器件和短波长、大功率光电子器件的理想材料。
由于GaN材料极高的熔解温度和较高的氮气饱和蒸气压，通过常规的方法制备GaN体单晶相当困难，因此目前GaN基合金材料多生长在异质基底上，如蓝宝石、硅、GaAs、SiC等，尤其是以经济便宜的蓝宝石居多，但是由于蓝宝石与GaN晶格失配较大并且热膨胀系数相差较大，一方面造成GaN晶体中缺陷密度高，当前在蓝宝石上生长的GaN晶体缺陷密度一般在1010/cm2左右，即便采用侧向外延、多缓冲层等技术目前最好也只能到106/cm2，距离在同质基底上生长的GaAs材料系的晶体质量相差还很远，这使得GaN基材料的优异性能得不到充分的发挥，相应的GaN基光电子、微电子器件的性能受到了很大的限制。
为降低GaN外延层中的应力，提高晶体质量或减少开裂，很多公司和研究机构采用了侧向外延技术、多缓冲层技术、各种***层技术或各种图形基底工艺，并申请了相关专利，这些专利所涉及的技术方案各有千秋，每一个既有它的优点同时本身也存在难以逾越的难点，尤其是在如何有效的降低GaN膜层中的应力方面还存在很多问题，这也是生长高质量GaN单晶厚膜的关键技术之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用激光辐照降低GaN单晶膜与异质基底间应力的方法。
本发明具体技术方案如下：
一种降低GaN单晶膜与异质基底间应力的方法，其步骤如下：
1)在异质基底上生长GaN薄膜；
2)采用激光透过异质基底，辐照在GaN薄膜上，在GaN薄膜底部获得预分解态层，该预分解态层降低了GaN膜与异质基底间应力。
步骤2进一步包括：采用的高能量激光光子能量范围在GaN和异质基底带隙之间。
步骤2进一步包括：控制激光辐照的能量密度在200-500mJ/cm2之间，在GaN底部上形成一预分解态层，该预分解态层降低GaN外延层与基底之间的化学键的联系。
步骤2进一步包括：该预分解态层呈网状或点状分布，改变GaN外延层与基底之间的连结强度，其厚度范围在100纳米以内。
在异质基底上利用MOCVD或MBE等技术生长GaN薄膜，GaN薄膜的厚度在10μm以内。
所述异质基底为蓝宝石、碳化硅、镍酸锂或硅。
本发明有以下几个方面的优点：
(1)激光辐照在蓝宝石和GaN界面处形成的预分解态层，可降低生长过程中由于蓝宝石等异质基底和GaN单晶之间的应力作用，可以减少外延层与基底间的失配应力，导致更高晶体质量的材料生长。
(2)激光辐照在蓝宝石和GaN界面处形成的预分解态层，可降低生长过程中由于蓝宝石等异质基底和GaN单晶之间的应力作用，缓解由于应力而导致的GaN单晶开裂问题。
(3)本发明可以通过调节激光能量、激光光斑大小、扫描间距等得到合适的预分解状态，工艺可控性强，重复性高，适合于产业化批量生产。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步详细地说明：
图1是本发明实施例一示意图；其中，图1a 异质基底上生长的GaN薄膜；图1b 激光辐照制备GaN预分解态；图1c GaN薄膜上GaN单晶厚膜的快速生长；图1d GaN薄膜厚膜从基底上自动分离，获得GaN单晶厚膜。
具体实施方式
本发明提出一种用于降低GaN单晶膜与异质基底间应力的技术方法，该方法可以和HVPE、MOCVD等GaN生长技术结合合在一起，制备高质量GaN单晶厚膜。本发明的核心是通过激光辐照的方法减少蓝宝石等异质基底和GaN单晶厚膜之间的应力作用，采用光子能量大于GaN的带隙而小于蓝宝石等基底带隙的激光从蓝宝石一侧入射，蓝宝石对激光全部透过，而GaN材料对激光强烈吸收，因此蓝宝石与GaN界面处的GaN就因为对激光光子的吸收其局部温度快速升高，随着温度的升高可导致界面处100纳米以内GaN的分解或处于预分解状态，控制激光的能量密度，可实现GaN单晶膜与蓝宝石等异质基底间应力的降低。
下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。
参考图1，本发明采用激光辐照降低在蓝宝石等异质基底1上GaN膜层的应力，制备大面积GaN高质量单晶厚膜2。
在蓝宝石等异质基底上利用MOCVD或MBE等技术生长高质量GaN薄膜，厚度在10m之内，如图1a；
选择光子能量在GaN和蓝宝石等基底带隙之间的激光(如KrF准分子激光等)从蓝宝石一侧辐照，局域性地加热蓝宝石界面处100纳米范围GaN膜层，使得100纳米范围GaN经历高温而处于局部的预分解状态，释放GaN膜层中的应力应变，获得GaN底部的弱连接层3。
激光辐照所用的样品台由一套四维的可通过计算机实现自动控制的高精度电控平移台和旋转台构成，激光光斑的位置保持不动，其位置由激光器输出光路决定，通过电脑控制样品台的移动实现激光光斑在样品上的自动扫描。扫描的方式可以是逐行扫描方式或旋转式扫描，详细技术方法可参见本发明人已申请的申请号200410009840.0专利。通过控制激光光斑(一般在2mm以内)在样品上扫描的间隔可获得呈网状或点状分布的预分解态层，如图1b所示；
GaN的预分解态层释放了GaN膜层中的应力应变，降低GaN膜与异质基底间应力。
把经过激光辐照处理过的具有弱连接的GaN/蓝宝石等异质基底，进行二次生长之前的表面处理，包括有机清洗和氧化层的去除；
将清洗干净的具有弱连接的GaN/蓝宝石等异质基底在HVPE等快速生长设备中进行GaN单晶厚膜生长的二次生长，在GaN单晶厚膜生长过程中，由于预分解的弱连接缓解了GaN单晶厚膜与基底的热失配和晶格失配产生的内应力，避免弯曲、开裂，获得大面积的高质量的GaN单晶厚膜4，如图1c；
本发明还可以用来制备自支撑GaN基底，如上述实施例，在获得大面积的高质量的GaN单晶厚膜4之后的步骤中，当GaN单晶厚膜厚度为0.1毫米以上，生长结束时，在降温过程中，由于GaN材料和蓝宝石材料的热膨胀系数的不同，产生的法向力，使得GaN单晶厚膜从具有预分解状态的GaN和蓝宝石弱连接层上自动分离，获得GaN单晶基底，图1d。
上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
Claims (7)
1、一种降低GaN单晶膜与异质基底间应力的方法，其步骤如下：
1)在异质基底上生长GaN薄膜；
2)采用激光透过异质基底，辐照生长在基底上的GaN薄膜，在GaN薄膜底部获得预分解态层，该预分解态层降低了GaN膜与异质基底间应力。
2、如权利要求1所述的降低GaN单晶膜与异质基底间应力的方法，其特征在于：步骤2进一步包括：采用激光的光子能量范围在GaN和异质基底带隙之间。
3.如权利要求1或2所述的降低GaN单晶膜与异质基底间应力的方法，其特征在于：步骤2进一步包括：控制激光辐照的能量密度在200-500mJ/cm2之间。
4、如权利要求1或2所述的降低GaN单晶膜与异质基底间应力的方法，其特征在于：步骤2进一步包括：所述预分解态层呈网状或点状，其厚度范围在100纳米之间。
5、如权利要求1所述的降低GaN单晶膜与异质基底间应力的方法，其特征在于：在异质基底上利用MOCVD或MBE等技术生长GaN薄膜。
6、如权利要求1或5所述的降低GaN单晶膜与异质基底间应力的方法，其特征在于：GaN薄膜的厚度在10μm之内。
7、如权利要求1所述的降低GaN单晶膜与异质基底间应力的方法，其特征在于：所述异质基底为蓝宝石、碳化硅、镍酸锂或硅。
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