CN101086083B - 一种制备三族氮化物衬底的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备三族氮化物衬底的方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)在蓝宝石衬底上生长三族氮化物薄膜，薄膜厚度在50纳米到50微米之间；(2)用高能量激光从衬底背面入射辐照，使三族氮化物薄膜和蓝宝石衬底不完全剥离，分离面积为总面积的10％到99％之间，所述高能量激光的光子能量在三族氮化物与蓝宝石的带宽之间；(3)对处理后的三族氮化物及蓝宝石衬底采用卤化物气相外延生长法继续进行三族氮化物薄膜生长，至所需厚度，即获得所需的三族氮化物衬底。本发明能保证获得薄膜的平整度，也可实现薄膜与蓝宝石衬底的原位自动分离，从而获得所需厚度的自支撑外延薄膜。

Description

一种制备三族氮化物衬底的方法

技术领域

本发明涉及一种用气相外延生长的方法制备三族氮化物衬底的方法，用于获得大面积的三族氮化物衬底，以及任何组分的III族氮化物厚膜衬底和自支撑单晶衬底。

背景技术

对于III族氮化物材料的应用，经过十多年的研究发展，相继在蓝光发光二极管、短波长激光器、紫外探测器和LED白光照明光源等方面取得突破。目前器件性能的进一步提高和一些新的器件的设计制作受到了衬底材料和器件结构中外延膜质量的限制。已经报道有很多方法来提高外延膜的质量，如侧向外延，多缓冲层技术等。获得高质量GaN衬底一直是人们追求的目标。目前生长GaN衬底的主要方法有高压釜氮气与金属镓的直接反应制备和卤化物气相外延生长法(HVPE)。前一种方法难以获得大尺寸晶体，而后一种方法为目前研究的主流。

卤化物气相外延生长法(HVPE)是利用HCl气体进行气相外延的方法，其过程为气体HCl流经金属源，形成金属卤化物，然后与另一种气体反应生成所需的产物。一个典型的例子是用于III族氮化物的HVPE***，气体HCl流经金属(Ga，Al，In)，形成金属卤化物(GaCI，AlCl，InCl)，然后与V族源NH₃反应生成GaN、AlN、InN。HVPE设备的优点在于反应速度快，可以达到250μm/hr，生产成本低等优点，广泛用于材料生长领域。由于获得的氮化物外延膜通常被作为衬底使用，因而也被称为氮化物衬底。

上述制备方法中，氮化物外延膜通常生长于蓝宝石衬底上。其中存在的主要问题是由于所用的衬底材料和外延膜的晶格和热膨胀系数失配，当外延膜达到几十微米时就会因应力而发生开裂，不能得到大尺寸自支撑的衬底晶片，特别是在如何将外延膜(如GaN)从蓝宝石衬底上剥离的问题一直没有得到很好的解决。激光剥离的方法、侧向外延生长掩膜的方法等实施起来并不方便，而且成品率低。

发明内容

本发明目的是提供一种制备三族氮化物衬底的方法，以解决应力造成的开裂、变形等影响，获得平整的、较大厚度的氮化物衬底。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种制备三族氮化物衬底的方法，包括下列步骤：

(1)在蓝宝石衬底上生长三族氮化物薄膜，薄膜厚度在50纳米到50微米之间；

(2)用高能量激光从衬底背面入射辐照，使三族氮化物薄膜和蓝宝石衬底不完全剥离，分离面积为总面积的10％到99％之间，所述高能量激光的光子能量在三族氮化物与蓝宝石的带宽之间；

(3)对处理后的三族氮化物及蓝宝石衬底采用卤化物气相外延生长法继续进行三族氮化物薄膜生长，至所需厚度，即获得所需的三族氮化物衬底。

上述技术方案中，所述步骤(1)中，既可以采用气相化学沉积方法在蓝宝石衬底上生长一层三族氮化物薄膜后，即进入步骤(2)，也可以在采用气相化学沉积方法生长薄膜后，接着采用卤化物气相外延生长法使薄膜厚度增加至10微米至50微米之间，再进入步骤(2)，即步骤(1)采用的方法是现有技术。所述步骤(2)中，采用的高能量激光在穿透蓝宝石衬底时没有吸收，而激光的能量为三族氮化物薄膜完全吸收，在衬底和薄膜的界面处实现局部熔化分解，造成薄膜和蓝宝石衬底间的不完全剥离。

上述技术方案中，所述步骤(2)中，辐照分离的部位构成斑点状阵列，所述每一斑点的尺寸在0.1毫米至5毫米之间；所述步骤(3)中获得的产物是与蓝宝石衬底局部连接的三族氮化物衬底。

或者，所述步骤(2)中，辐照分离的部位呈条状分布，条纹宽度在0.1毫米至5毫米之间；所述步骤(3)中，在三族氮化物薄生长至所需厚度时，从弱连接的蓝宝石衬底上自动分离，获得自支撑的外延薄膜。

其中，所述条状图案选自直条纹、同心圆、同心椭圆、螺旋线或多边形中的一种。

本发明通过上述技术方案，提出了一种原位实现三族氮化物厚膜从蓝宝石衬底上剥离分开的方法，并且可以用于制备生长温度在600℃以上所有组分的III族氮化物衬底。

以氮化镓为例，本方法在GaN膜层和蓝宝石衬底之间形成弱连接，通过生长应力的积累或者在升降温度过程中应力变化来实现GaN和衬底的分离。

首先利用在蓝宝石(sapphire)衬底上生长50纳米到50微米左右的GaN薄膜，利用高能量激光在从衬底背面入射辐照，将GaN薄膜和蓝宝石衬底不完全剥离，即呈部分分离，分离面积达到10％到99％之间。具体方法是选择光子能量在GaN和蓝宝石带宽之间的高能量激光(例如KrF准分子激光)，局域性地加热蓝宝石/GaN界面处的GaN，使界面处的GaN经历高温而局部分解，实现GaN外延层和蓝宝石衬底的弱连接、释放GaN膜层中的应力应变。然后把经过激光辐照处理的GaN/蓝宝石样品在HVPE中继续生长，当GaN生长到一定厚度时，由于应力作用，GaN外延膜就会从弱连接的衬底上自动分离，从而实现GaN自支撑薄膜的外延生长。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明利用高能量激光的局部辐射，实现薄膜和衬底的弱连接，解决了外延薄膜和衬底之间的应力问题，避免了在制备过程中薄膜出现开裂或弯曲变形，提供了利用卤化物气相外延生长法实现三族氮化物衬底制备的新方法，可用于制备1英寸以上大面积的III族氮化物衬底；

2.本发明采用网格状或斑点状的不连续图形实现不完全剥离时，可以有效释放应力，保证获得薄膜的平整度；

3.本发明采用条纹状图形实现不完全剥离时，可以通过应力积累，在薄膜达到所需厚度时实现薄膜与蓝宝石衬底的原位自动分离，从而获得所需厚度的自支撑外延薄膜。

附图说明

附图1为实施例一中GaN在HVPE中生长示意图；

附图2为实施例一中用激光器辐照的示意图；

附图3为实施例一中薄膜与衬底斑点状脱离的图案示意图；

附图4为实施例三中薄膜与衬底条纹状脱离的图案示意图。

其中：1、衬底；2、薄膜；3、激光。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1至附图3所示，厚度大于10微米的GaN在蓝宝石衬底上的生长。

如附图1所示，首先用HVPE在蓝宝石衬底1上生长一层2微米厚度的GaN，生长方式也可以采用MOCVD或者MBE方法。然后降温取出样品，如图2采用高能量激光3从衬底背面入射，通过扫描方式在界面扫描出如图3所示的图形，其方式是，利用短波长激光器从衬底背面辐照GaN和衬底界面，激光器的波长范围为光子能量介于蓝宝石和薄膜材料带宽之间，这样在激光穿透衬底时没有吸收，而激光的能量为薄膜2完全吸收，在衬底和薄膜界面实现局部熔化分解。附图3中，斑点部位为局部熔化脱离的部位，其面积占总面积的10％～99％。因为衬底和薄膜在局部脱开，中间以金属镓连接，然后将经过这样处理的样品重新生长，就可以解决厚膜GaN衬底晶片的弯曲问题。因为应力被局部释放，在不需要复杂的侧向生长工艺情况下，将GaN薄膜生长到100微米以上。采用光学显微镜放大50倍进行观察，没有经过激光处理的GaN/sapphire直接生长到100微米厚，GaN膜布满裂纹；而采用本实施例方法处理后的GaN薄膜生长到100微米，照片中GaN膜层没有裂纹。

实施例二、厚度大于10微米的AIGaN衬底在蓝宝石衬底上的生长。

首先用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长一层1微米厚度的GaN。然后降温取出样品，如图2采用高能量激光从衬底背面入射，通过扫描方式在界面扫描出如图3所示的图形。然后在HVPE中将样品加热到1100℃直接生长AlGaN，其中金属成份中，Al的重量比可以是从0％到100％的任意组分。根据Al的组分和需要生长的厚度，上述方法可以多次使用。

实施例三、GaN自支撑同质衬底的生长。

首先用HVPE在蓝宝石衬底上生长一层2微米厚度的GaN，生长方式也可以在MOCVD中或者用MBE方法。然后降温取出样品，如图2采用高能量激光从衬底背面入射，通过扫描方式在界面扫描出条纹状图形。附图4中显示了一种可以实现GaN薄膜在原位生长过程中和蓝宝石衬底剥离分开的激光扫描图形。将GaN薄膜生长到100微米以上就在生长应力的作用下，实现了GaN薄膜和衬底的完全分离。分离后连续生长，就能够得到GaN自支撑同质衬底。

Claims (1)

1.一种制备三族氮化物衬底的方法，包括下列步骤：

(1)在蓝宝石衬底(1)上生长三族氮化物薄膜(2)，薄膜厚度在50纳米到50微米之间；

(2)用高能量激光(3)从衬底背面入射辐照，使三族氮化物薄膜和蓝宝石衬底不完全剥离，分离面积为总面积的10％到99％之间，所述高能量激光的光子能量在三族氮化物与蓝宝石的带宽之间；

(3)对处理后的三族氮化物及蓝宝石衬底采用卤化物气相外延生长法继续进行三族氮化物薄膜生长，至所需厚度，即获得所需的三族氮化物衬底；

其特征在于：所述步骤(2)中，辐照分离的部位构成斑点状阵列，所述每一斑点的尺寸在0.1毫米至5毫米之间；所述步骤(3)中获得的产物是与蓝宝石衬底局部连接的三族氮化物衬底。 

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