[發明專利]利用應力梯度分離氮化物自支撐襯底的方法

在審

• 申請號: 201410208201.0
• 申請日: 2014-05-16
• 公開（公告）號: CN103943467A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 蔡端俊;林娜;吳潔君
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;C30B25/02;C30B29/40
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及氮化物基光電器件，尤其是涉及一種利用應力梯度分離氮化物自支撐襯底的方法。

背景技術

近幾年，III族氮化物InN、GaN、AlN作為寬禁帶直接半導體而備受關注，而GaN基半導體又因具有優越的熱穩定、化學穩定、高導熱成為最具開發潛力和發展前景的材料，已經廣泛應用于發光二極管、激光器以及光探測器制備材料。經過過去幾十年的研究，氮化物材料已取得新的突破，但是目前氮化物薄膜普遍采用異質生長，很大程度上阻礙III族氮化物晶體質量的提高。制備高質量的氮化物外延層成為氮化物基光電器件的關鍵科學問題和難題之一。

由于氮化鎵基光電器件普遍采用藍寶石襯底，使得氮化鎵與藍寶石之間存在較大的晶格和熱失配，而這些失配很容易導致殘余應變，以至于導致了大量的位錯，甚至出現了肉眼可見的裂縫與極大的壓力場。同時，高位錯的氮化鎵又制約了制備高晶體質量的AlGaN外延層，這些問題嚴重制約了(Al)GaN基異質結構質量和性能的進一步快速發展。

為了克服異質生長所引起的一系列問題，近年來的研究工作報道，通過緩沖層來減少應變，襯底剝離技術(H.Amano,N.Sawaki,I.Akasaki,and?Y.Toyoda,Applied?Physics?Letters48,353(1986))、激光剝離技術(中國專利2005100952458)、濕法化學刻蝕(K.Y.Zang,D.W.C.Cheong,H.F.Liu,H.Liu,J.H.Teng,and?S.J.Chua,Nanoscale?Research?Letters5,1051(2010))以及在條紋晶種側向外延生長法來分離GaN與藍寶石或硅襯底以及近來Kobayashi和他的同事(Y.Kobayashi,K.Kumakura,T.Akasaka,and?T.Makimoto,Nature484,223(2012))通過在藍寶石和GaN之間插入六角BN的微機械分離法來獲得分離的GaN，然而以上方法不僅程序復雜，而且也不可避免地給界面帶來位錯甚至削弱了晶體質量。如何簡易獲得高質量自支撐的氮化鎵成為了技術上的難題。

發明內容

本發明的目的旨在提供一種利用應力梯度分離氮化物自支撐襯底的方法。

本發明包括以下步驟：

1)GaN層晶的第一性原理方法模擬計算：

采用基于密度泛函理論的VASP程序包，電子-離子相互作用采用投影綴加波贗勢法(PAW)描述，平面波的截斷動能取550eV，采用8×8×1的Monkhorst-Pack?k點網格方法，計算模型的基本單元由11層原子薄層組成，同時用的真空來保證GaN表面模型上下表面無相互影響，周期性的超晶胞的表面為未吸附原子的情況，保留懸掛鍵以了解表面局域電子態的性質，為了確定分離能，定義表面分離能公式：其中Es是弛豫的超晶胞的總能，E_b是體材料GaN的總能，A是表面面積，n代表在超晶胞內的GaN原胞的數量；

2)制樣前對藍寶石襯底預處理：

首先將藍寶石襯底置于MOCVD反應室后升至高溫1200℃，在H₂氣氛環境下去除表面的沾污，凈化表面，然后將溫度控制在1200～1500℃，對藍寶石襯底預退火處理；

3)GaN緩沖層的生長：

該過程分成低溫生長和高溫生長兩部分，首先將溫度降至550℃后，反應區通入三甲基鎵(TMGa)與氨氣(NH₃)，使用H₂和N₂作為反應物質的載氣，沉積GaN第一緩沖層，再將溫度升高至1050℃，沉積GaN第二緩沖層；

4)GaN外延生長制備：

通過HVPE方法在GaN第二緩沖層上生長GaN，得利用應力梯度分離氮化物自支撐襯底。

在步驟2)中，所述凈化表面的時間可為10min；所述預退火處理的時間可為2h。

在步驟3)中，所述GaN第一緩沖層的厚度可為20nm；所述沉積GaN第二緩沖層可在200Torr低壓下沉積GaN第二緩沖層，GaN第二緩沖層的厚度可為2μm；緩沖層的插入可以大大減少外延層的位錯密度，為高質量的GaN厚膜提供較好的基礎。