[發(fā)明專(zhuān)利]一種制備自支撐單晶氮化鎵襯底的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810222720.7
• 申請(qǐng)日: 2008-09-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101685768A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張國(guó)義;楊志堅(jiān);方浩;李丁;桑立雯;陶岳彬;康香寧;孫永健;陸羽;趙璐冰
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L21/00
• 分類(lèi)號(hào): H01L21/00;H01L21/20;H01L33/00;H01S5/00
• 代理公司: 北京君尚知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 李稚婷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件的制造領(lǐng)域，特別涉及用作氮化鎵基發(fā)光二極管(LED)和藍(lán)光激光器(LD)的大面積同質(zhì)外延氮化鎵(GaN)襯底的制備方法。

背景技術(shù)

以氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料，是最重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料體系之一。它們具有寬帶隙范圍，優(yōu)良的光、電學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的材料機(jī)械性質(zhì)等其前輩所不具有的特性。作為一種優(yōu)秀的光電子學(xué)材料，GaN基半導(dǎo)體材料所組成的三元(In_xGa_1-xN、Al_xGa_1-xN、Al_xIn_1-xN)和四元(Al_xIn_yGa_1-x-yN)合金材料可以覆蓋深紫外到紅外(194nm～1550nm)這一寬廣的光譜范圍。更為令人欣喜的是，這一材料體系中的幾乎所有材料都是直接帶隙的，這一優(yōu)點(diǎn)更加適合于制造光電子器件。自上世紀(jì)八十年代中期，日本名古屋大學(xué)的赤崎勇教授發(fā)明兩步生長(zhǎng)法(H.Amano，N.Sawaki，I.Akasaki，T.Toyoda，Appl.Phys.Lett.48，353)后，氮化物半導(dǎo)體材料一躍成為光電子學(xué)研究領(lǐng)域和光電子器件制造領(lǐng)域的新寵。

GaN基氮化物半導(dǎo)體材料光電器件主要包括近紫外、紫光、藍(lán)光、綠光以及琥珀色LED，藍(lán)光LD和紫外、深紫外探測(cè)器。GaN基氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)，以其較高的理論光電轉(zhuǎn)化效率和在惡劣工作條件下的穩(wěn)定性，得到了科研領(lǐng)域以及工商業(yè)的廣泛重視，引起了人們極大的興趣。GaN基LED是目前世界各國(guó)發(fā)展半導(dǎo)體固態(tài)照明、推動(dòng)世界性照明革命的關(guān)鍵性光源。另外，作為照明光源，它的體積小、重量輕等特點(diǎn)較以往的照明光源更有優(yōu)勢(shì)。發(fā)展高亮度LED適應(yīng)了我國(guó)當(dāng)前構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)的基本國(guó)策。光存儲(chǔ)介質(zhì)上信息的最小單元是光斑的最小尺寸，而光斑的最小尺寸與激光器光源的波長(zhǎng)成正比。由于GaN基激光器的發(fā)射波長(zhǎng)比較短，它們成為了存儲(chǔ)和高分辨率印刷的最好選擇。紫外光探測(cè)器是III族氮化物寬帶半導(dǎo)體的一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域。GaN基UV探測(cè)器有許多潛在的應(yīng)用前景：在軍事上，如導(dǎo)彈預(yù)警、制導(dǎo)、紫外通訊、生化分析等；在民用上，如明火探測(cè)、生物醫(yī)藥的分析、臭氧監(jiān)測(cè)等。由于臭氧等大氣氣體的強(qiáng)烈吸收作用，波長(zhǎng)在280nm以下的紫外線幾乎不能到達(dá)地球表面，因此對(duì)于200～280nm波段的紫外光，人們又稱(chēng)之為太陽(yáng)盲紫外或日盲紫外。而截止波長(zhǎng)小于280nm的紫外光探測(cè)器是真正的日盲型紫外探測(cè)器，由于沒(méi)有自然紫外輻射的影響，從而背景噪聲比較小，在軍事上有著非常重要的應(yīng)用。

盡管目前的GaN基光電器件已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但其性能還沒(méi)有達(dá)到理論預(yù)測(cè)的最高水平，還有很大的提升空間。貫穿位錯(cuò)被半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域認(rèn)為是器件中的非輻射復(fù)合中心，嚴(yán)重影響器件的光電性能，被成為“發(fā)光殺手”(Nakamura，Shuji.Science，Vol.281，p956)。由于目前大部分的氮化物光電器件的制備都基于在藍(lán)寶石襯底上的兩步生長(zhǎng)法，這種異質(zhì)外延方法成功的生長(zhǎng)出了不開(kāi)裂的GaN薄膜，但其缺點(diǎn)也是十分明顯的，在釋放應(yīng)力的同時(shí)不可避免的在器件結(jié)構(gòu)中引入了大量的貫穿位錯(cuò)。

用于同質(zhì)外延的自支撐單晶氮化鎵(GaN)襯底是近年來(lái)被公認(rèn)的提高GaN基器件性能的最佳解決方案。同質(zhì)外延避免了異質(zhì)外延襯底和外延層之間失配帶來(lái)的位錯(cuò)，可以大大降低器件中的位錯(cuò)密度。

現(xiàn)有的制備技術(shù)多采用在氮化鎵厚膜樣品生長(zhǎng)過(guò)程中，利用降溫過(guò)程致使樣品與異質(zhì)外延襯底自分離；或采用在氮化鎵厚膜樣品生長(zhǎng)過(guò)程結(jié)束后采用高溫激光剝離技術(shù)將氮化鎵厚膜和異質(zhì)外延襯底分開(kāi)。這些自支撐單晶GaN襯底制備技術(shù)存在一些問(wèn)題，主要包括制備過(guò)程中，樣品各個(gè)部分應(yīng)力釋放不均勻?qū)е碌臉悠烽_(kāi)裂和成品率低等問(wèn)題。在一般的異質(zhì)外延襯底(如藍(lán)寶石襯底或SiC襯底上)生長(zhǎng)的薄膜GaN材料受到的是來(lái)自于襯底的壓應(yīng)力(或張應(yīng)力)，這個(gè)壓應(yīng)力的測(cè)定值高達(dá)-1.2Gpa(張應(yīng)力達(dá)1.0Gpa)。在這些襯底上當(dāng)GaN生長(zhǎng)到一定厚度時(shí)，由于應(yīng)力的作用會(huì)引起樣品的開(kāi)裂。在樣品生長(zhǎng)后的降溫過(guò)程中，由于晶格失配造成的巨大應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致樣品的開(kāi)裂。這些現(xiàn)象使制備得到的樣品很難完整，并且成品率低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種新的方法來(lái)制備自支撐單晶GaN襯底，采用這種方法可以有效的防止GaN單晶襯底在生長(zhǎng)過(guò)程中的開(kāi)裂問(wèn)題，并可以提高大面積制備GaN單晶襯底的成品率。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種制備自支撐單晶GaN襯底的方法，包括下列步驟：