[發明專利]多孔網狀結構GaN單晶薄膜、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 201811016835.0
• 申請日: 2018-09-03
• 公開（公告）號: CN109097834B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 修向前;李悅文;張榮;華雪梅;謝自力;陳鵬;劉斌;施毅;鄭有炓
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: C30B29/40
• 分類號: C30B29/40;C30B25/18;C30B33/00;C30B33/10
• 代理公司: 江蘇斐多律師事務所 32332
• 代理人: 張佳妮

本發明公開了一種制備多孔網狀結構GaN單晶薄膜的方法，其步驟包括：在藍寶石襯底上生長厚度范圍在0.1?2微米的氧化鎵薄膜；氨氣氣氛下氮化，形成多孔網格狀分布的GaN/Ga₂O₃復合薄膜；氫氟酸腐蝕，得到多孔化結構的GaN單晶薄膜。該方法制得的多孔網狀結構GaN單晶薄膜及其在作為GaN厚膜的襯底材料上的應用。本發明可得到高質量多孔網狀結構GaN單晶薄膜。進一步再氮化還可以提高多孔網狀結構GaN單晶薄膜的晶體質量。在上述多孔網狀結構GaN單晶薄膜上進行厚膜GaN的鹵化物氣相外延生長，可以獲得低應力高質量的GaN厚膜材料。

技術領域

本發明涉及到一種多孔網狀結構GaN單晶薄膜、制備的方法以及應用，屬于半導體材料技術領域。

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單晶的熔點高達2300℃，分解點在900℃左右，生長需要極端的物理環境，而且大尺寸GaN單晶無法用傳統晶體生長的方法得到。所以大多數的GaN薄膜都是在異質襯底上外延得到的。目前應用于半導體技術的GaN主要是采用異質外延方法在藍寶石、SiC或Si等襯底上制備。在異質外延中，由于GaN材料和異質襯底之間存在較大的晶格失配和熱膨脹系數失配，得到的GaN外延層中會有應力并產生處于10⁸-10⁹/cm²量級的位錯密度，這些缺陷降低了外延層的質量，限制了GaN材料的熱導率、電子飽和速度等參數，大大影響了器件的可靠性、成品率，而且巨大的應力會造成GaN厚膜和異質襯底裂成碎片，因而無法應用。

GaN襯底生長主要有氣相法和液相法。液相法包括高壓氮氣溶液法、鈉助熔劑法和氨熱法等；氣相法有氣相輸運法和鹵化物氣相外延法等。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，輔以鹵化物氣相外延法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鹵化物氣相外延生長得到的自支撐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。其中GaN橫向外延提高質量的方法主要是在襯底表面形成特定的槽孔或網格結構等，如可參考專利：《橫向外延技術生長高質量氮化鎵薄膜》，專利號ZL021113084.1。

氧化鎵(Eg＝4.8-4.9eV)作為新型超寬禁帶半導體，具有高導電率、高擊穿場強等優點，在可見光和紫外光區域都具有高透明性。β-Ga₂O₃的(100)解離面在高溫NH₃氣氛的氮化作用下會進行表面重建現象，表面重建產生與GaN晶格相匹配的表面，可以作為緩沖層進行后續外延生長GaN厚膜。這種同質襯底外延生長會顯著降低厚膜中的應力和位錯密度，提高GaN材料質量。

本發明給出了利用氧化鎵薄膜氮化形成多孔網狀結構GaN單晶薄膜，并通過氫氟酸腐蝕和再氮化進一步提高其晶體質量的方法和工藝。

發明內容

本發明的目的是利用氧化鎵薄膜氮化形成多孔網狀結構GaN單晶薄膜，并通過氫氟酸腐蝕進一步提高其晶體質量。

本發明采取的技術方案為：

一種制備多孔網狀結構GaN單晶薄膜的方法，其步驟包括：