[發明專利]一種制備自支撐GaN襯底材料的方法

有效

• 申請號: 201710691390.5
• 申請日: 2017-08-14
• 公開（公告）號: CN107611004B
• 公開（公告）日: 2020-01-31
• 發明（設計）人: 修向前;李悅文;張榮;華雪梅;謝自力;陳鵬;韓平;陸海;施毅;鄭有炓
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;C30B25/18;C30B25/20;C30B29/40
• 代理公司: 32249 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 陳建和

一種制備自支撐GaN襯底材料的方法，在襯底如藍寶石或硅片上用水熱法生長氧化鎵納米柱有序陣列，并在氨氣氣氛中對氧化鎵納米柱進行部分或全部氮化形成氮化鎵包覆氧化鎵即GaN@Ga₂O₃或者GaN納米柱有序陣列；在上述含有GaN納米柱有序陣列的襯底上進行GaN的氫化物氣相外延(HVPE)橫向外延和厚膜生長，獲得低應力高質量的GaN厚膜材料；利用化學腐蝕去掉界面層氧化鎵即可獲得自支撐GaN襯底材料；或者利用氧化鎵/氮化鎵與異質襯底如藍寶石之間的熱應力，采用控制降溫速率的方法實現納米柱與藍寶石襯底的原位自分離獲得GaN襯底材料。

技術領域

本發明涉及一種利用水熱法制備氧化鎵納米柱有序陣列，氮化形成氮化鎵納米柱有序陣列，利用氫化物氣相外延(HVPE)在納米柱有序陣列上外延生長GaN厚膜材料，最終獲得自支撐氮化鎵襯底材料的方法以及工藝。

背景技術

以GaN及InGaN、AlGaN合金材料為主的III-V族氮化物材料(又稱GaN基材料)是近幾年來國際上倍受重視的新型半導體材料。GaN基材料是直接帶隙寬禁帶半導體材料，具有1.9—6.2eV之間連續可變的直接帶隙，優異的物理、化學穩定性，高飽和電子漂移速度，高擊穿場強和高熱導率等優越性能，在短波長半導體光電子器件和高頻、高壓、高溫微電子器件制備等方面具有重要的應用，用于制造比如藍、紫、紫外波段發光器件、探測器件，高溫、高頻、高場大功率器件，場發射器件，抗輻射器件，壓電器件等。

GaN基材料的生長有很多種方法，如金屬有機物氣相外延(MOCVD)、高溫高壓合成體GaN單晶、分子束外延(MBE)、升華法以及氫化物氣相外延(HVPE)等。由于GaN基材料本身物理性質的限制，GaN體單晶的生長具有很大的困難，尚未實用化。氫化物氣相外延由于具有高的生長率和橫向-縱向外延比，可用于同質外延生長自支撐GaN襯底，引起廣泛地重視和研究。早期人們主要采用氫化物氣相外延(HVPE)方法在藍寶石襯底上直接生長GaN基材料，再加以分離，獲得GaN襯底材料。此法的突出優點是GaN生長速率很高，一般可達幾十到上千微米/小時。而外延層中位錯密度與其他方法相比低1-2個數量級，一般直接HVPE外延層的位錯密度達10⁸cm^-2左右。進一步研究可以更好的降低外延層中的位錯密度。

目前獲得高質量GaN自支撐襯底并將實現量產的主要方法是采用橫向外延、懸掛外延等方法，輔以HVPE高速率外延技術生長厚膜，最后將原襯底去除，從而獲得位錯密度較低的自支撐GaN襯底材料。迄今為止，采用各種技術工藝并輔以HVPE生長得到的自支撐GaN襯底，位錯密度低于10⁶cm^-2，面積已經達到2英寸。但是仍然遠遠不能滿足實際應用的需求。

由于GaN只能生長在異質襯底如藍寶石、硅等襯底上，晶格失配和熱失配造成GaN薄膜內部具有大的應力，造成GaN基器件性能很難提高。另外，巨大的應力會造成GaN厚膜和異質襯底裂成碎片，因而無法應用。無論采用機械拋光或者激光剝離去除藍寶石襯底，應力仍然存在于GaN材料中。因此降低或者消除GaN厚膜中的應力，是有效發揮GaN材料潛能的重要解決方法，采用界面層納米結構有利于降低應力。本發明給出了利用氧化鎵納米柱陣列氮化再外延降低GaN薄膜材料中應力和獲得自支撐GaN襯底的方法以及工藝。

發明內容

本發明目的是：因現有的GaN薄膜一般生長在異質襯底如藍寶石或硅片等上面，晶格失配和熱失配會引起GaN薄膜中存在較大的應力，無論采用機械拋光或者激光剝離去除異質襯底，應力仍然存在于GaN材料中。應力的存在會造成GaN基材料和器件性能的降低。本發明提出了利用氧化鎵納米柱有序陣列氮化、再外延，降低GaN薄膜材料中應力并實現自支撐氮化鎵襯底的方法。