本發明屬于半導體制備技術領域，涉及一種自支撐氮化鎵制備方法，特別是涉及一種利用激光空位法制備自支撐氮化鎵的方法。

背景技術：

近十年來，第三代寬帶隙半導體材料gan及其iii/v系列氮化物取得了卓越的成就。氮化鎵及其摻雜系列化合物具有連續可變的直接帶隙的光學性質、物理化學性能穩定、高飽和電子遷移率等特性，使其在激光器、發光二極管、紫外探測器、電力電子功率器件等光/微電子器件領域有著廣闊的應用前景。

然而，目前的gan基半導體器件，一般以藍寶石襯底、sic、si等為襯底材料進行異質外延。異質外延導致氮化鎵外延層殘余應力較大、位錯密度較高等缺點，從而限制了其在光/微電子器件領域的應用。gan單晶襯底(又稱自支撐襯底)同質外延是解決異質外延產生的所述問題并實現高性能gan器件的根本途徑。

目前幾乎所有的氮化鎵基激光器均是利用昂貴的自支撐氮化鎵襯底進行制備，限制了其應用范圍。主流的gan自支撐襯底制備工藝，主要采用hvpe技術在藍寶石襯底上外延制備gan厚膜，然后將gan厚膜從藍寶石襯底分離。由于gan厚膜的制備還是采用異質外延技術，而藍寶石襯底與gan材料的熱膨脹系數不同，導致在降溫后gan厚膜存在較大的殘余應力，容易引起gan厚膜翹曲或者碎裂，使制備gan自支撐襯底的良率低，生產成本居高不下。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種自支撐氮化鎵制備方法，用于解決現有技術中制備自支撐氮化鎵質量不佳、良率低、成本高等問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種自支撐氮化鎵制備方法，所述方法至少包括以下步驟：

s1，提供一藍寶石襯底，在所述藍寶石襯底上外延生長由第一緩沖層、犧牲層和第二緩沖層疊加而成的三明治結構，并在所述三明治結構表面形成應力支撐層；

s2，利用激光在所述三明治結構中形成空位結構；

s3，在所述應力支撐層表面外延生長氮化鎵厚膜層，降溫，通過空位結構，使所述氮化鎵厚膜層與藍寶石襯底分離，從而形成自支撐氮化鎵。

優選地，所述步驟s1至少包括如下步驟：

s11，利用mocvd工藝在所述藍寶石襯底表面外延生長多層氮化鎵結構作為第一緩沖層；

s12，利用mocvd工藝在所述第一緩沖層表面外延生長厚度不小于2微米的氮化鎵，作為犧牲層；

s13，利用mocvd工藝在所述犧牲層表面外延生長多層氮化鎵結構作為第二緩沖層，進一步降低位錯密度。

s14，利用mocvd或者hvpe工藝方法在所述第二緩沖層表面生長10～40微米厚的氮化鎵作為應力支撐層。

優選地，所述步驟s2至少包括如下步驟：

s21，先在所述應力支撐層表面覆蓋一保護層，將所述保護層接觸激光工作平臺，并采用真空吸附固定；

s22，采用紫外和/或深紫外線激光從所述藍寶石襯底一側進行掃描，從而在所述三明治結構中形成空位結構；

s23，去除所述保護層；

s24，清洗所述應力支撐層表面。

優選地，所述空位結構為點狀結構和/或網狀結構。

優選地，所述點狀結構為圓形。

優選地，所述空位結構形成在所述三明治結構的犧牲層或者第一緩沖層中，所述空位結構的厚度不超過所述犧牲層或者第一緩沖層的厚度。

優選地，所述激光的能量密度不低于400mj/cm²。

優選地，所述空位結構占犧牲層或者第一緩沖層的面積為10％至70％之間。

優選地，所述步驟s3至少包括如下步驟：

s31，利用hvpe設備在所述應力支撐層上外延生長氮化鎵厚膜層；

s32，生長結束后降溫，利用異質襯底熱膨脹系數失配使氮化鎵厚膜層與藍寶石襯底通過空位結構相分離，形成自支撐氮化鎵；

s33，清洗所述自支撐氮化鎵。

優選地，所述氮化鎵厚膜層的厚度超過300微米。

優選地，所述氮化鎵厚膜層的厚度差異度在50％以內。

如上所述，本發明的自支撐氮化鎵制備方法，所述制備方法包括：首先，提供一藍寶石襯底，在所述藍寶石襯底上外延生長由第一緩沖層、犧牲層和第二緩沖層疊加而成的三明治結構，并在所述三明治結構表面形成應力支撐層；然后，利用激光在所述三明治結構中形成空位結構；最后，在所述應力支撐層表面外延生長氮化鎵厚膜層，降溫，通過空位結構，使所述氮化鎵厚膜層與藍寶石襯底分離，從而形成自支撐氮化鎵。本發明的制備方法可以獲得高質量的自支撐氮化鎵，優化制備流程，降低制備成本，提高產品良率。

附圖說明

圖1為本發明自支撐氮化鎵制備方法的工藝示意圖。

圖2～圖3為本發明自支撐氮化鎵制備方法的步驟s1的結構示意圖。

圖4～圖6為本發明自支撐氮化鎵制備方法的步驟s2的結構示意圖。

圖7～圖8為本發明自支撐氮化鎵制備方法的步驟s3的結構示意圖。

元件標號說明

1藍寶石襯底

2第一緩沖層

3犧牲層

4第二緩沖層

5應力支撐層

6保護層

7激光

8空位結構

9氮化鎵厚膜層

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。

如圖1所示，本發明提供一種自支撐氮化鎵的制備方法，所述制備方法至少包括如下步驟：

s1，提供一藍寶石襯底，在所述藍寶石襯底上外延生長由第一緩沖層、犧牲層和第二緩沖層疊加而成的三明治結構，并在所述三明治結構表面形成應力支撐層；

s2，利用激光在所述三明治結構中形成空位結構；

s3，在所述應力支撐層表面外延生長氮化鎵厚膜層，降溫，通過空位結構，使所述氮化鎵厚膜層與藍寶石襯底分離，從而形成自支撐氮化鎵。

下面通過附圖詳細說明本發明的自支撐氮化鎵制備方法。

首先執行步驟s1，如圖2～圖3所示，提供一藍寶石襯底1，在所述藍寶石襯底1上外延生長由第一緩沖層2、犧牲層3和第二緩沖層4疊加而成的三明治結構，并在所述三明治結構表面形成應力支撐層5。

該步驟中，所述三明治結構的制備具體包括如下步驟：

s11，利用mocvd工藝在所述藍寶石襯底1表面外延生長氮化鎵結構作為第一緩沖層2，所述第一緩沖層2的位錯密度控制在10⁸/cm²以內。該氮化鎵第一緩沖層2的作用是為了匹配藍寶石襯底的晶格，將襯底材料與氮化鎵材料之間的晶格失配降低，提高氮化鎵晶體的質量。所述第一緩沖層2的厚度不超過20微米，優選地厚度為5至15微米，更優地，厚度為5微米。

s12，利用mocvd工藝在所述第一緩沖層2表面外延生長厚度不小于2微米的氮化鎵，作為犧牲層3。本步驟形成的犧牲層3也為氮化鎵構造，性質與第一緩沖層2類似，后續空位結構可以形成在犧牲層3或者第一緩沖層2中。優選地，空位結構形成在犧牲層3中。

s13，利用mocvd工藝在所述犧牲層3表面外延生長氮化鎵結構作為第二緩沖層4，其作用是進一步降低氮化鎵的位錯密度，阻止后續空位結構制備過程中的光、電、機械作用對表面結構的影響和破壞。

上述制備的第一緩沖層/犧牲層/第二緩沖層的三明治結構，其作用在于提供優質的生長結構，以便后續制造空位結構8。制備好三明治結構之后，進行步驟s14應力支撐層5的制備：利用mocvd或者hvpe工藝方法在所述第二緩沖層4表面生長10～40微米厚的氮化鎵作為應力支撐層5。優選地，所述應力支撐層5為10至30微米厚。更優地，所述應力支撐層5為20至25微米厚。所述應力支撐層5的作用用于支撐所述三明治結構，防止在空位結構8制備過程中三明治結構破裂。

然后執行步驟s2，利用激光在所述三明治結構中形成空位結構。

該步驟中，具體包括如下步驟：

s21，如圖4所示，先在所述應力支撐層5表面覆蓋一保護層6，并將所述保護層6接觸激光工作平臺，并采用真空吸附固定。

覆蓋的所述保護層6的作用在于保護氮化鎵應力支撐層5表面不被破壞。所述保護層6可以選擇工業蠟、藍膜或者光刻膠等易處理的材料，便于后續操作去除。本實施例中，暫選為藍膜作為保護層6。

s22，如圖5所示，采用紫外和/或深紫外線激光7從所述藍寶石襯底1一側進行掃描，從而在所述三明治結構中形成空位結構8。

本步驟中，激光的焦點擇優聚焦在氮化鎵犧牲層3上，形成的所述空位結構8的厚度不超過所述犧牲層3的厚度。由于氮化鎵犧牲層3強烈吸收紫外及深紫外線，分解為金屬鎵和氮氣，在空位結構內部會產生較大的氣壓。由于三明治結構上形成有應力支撐層5，藉由所述應力支撐層5，可以有效防止因空位結構8中存在的較大氣壓所引起的破碎。

此外，激光7的能量值也需要控制，基本上是略超過氮化鎵分解的闕值，可以有效控制其受損區域在2微米內。優選地，所述激光7的能量密度不低于400mj/cm²，形成的空位結構8占犧牲層3或者第一緩沖層2的面積為10％至70％之間。更優地，形成的空位結構8占犧牲層3或者第一緩沖層2的面積為30％至70％。最優地，形成的空位結構8占犧牲層3或者第一緩沖層2的面積為50％至70％。本實施例中，采用krf235nm深紫外激光束作為入射激光，形成的空位結構8占犧牲層3的面積為50％。

激光7在所述犧牲層3上進行圖形構造，形成的空位結構8原則上可以是任意有序圖形，但是由于激光的限制，空位結構8的圖形常為點狀結構(如圓形)，或者是進行劃線構造溝道結構(網狀結構)。有序圖形的優點在于，在制備過程中，空位結構8附近的受力均勻，在后續生長自支撐氮化鎵厚膜后的降溫過程中，在熱失配的作用下三明治結構中的空位結構均勻撕裂，降低對氮化鎵厚膜的損傷。

形成空位結構后，進行步驟s23，如圖6所示，去除所述保護層6。

s24，清洗所述應力支撐層5表面。去除保護層6后需要對表面進行清洗，清洗步驟如下：先采用去離子清洗，并用氮氣輔助甩干；隨后進行等離子體(如o2等離子)表面清洗，去除表面有機物殘留；最后再次進行去離子水清洗以及氮氣輔助甩干。

最后執行步驟s3，在所述應力支撐層5表面外延生長氮化鎵厚膜層9，降溫，通過空位結構8，使所述氮化鎵厚膜層9與藍寶石襯底1分離，從而形成自支撐氮化鎵。

具體步驟如下：

s31，如圖7所示，利用hvpe設備在所述應力支撐層5上外延生長氮化鎵厚膜層9。該氮化鎵厚膜層9通過快速外延生長，其厚度一般超過300微米，不小于藍寶石襯底1的厚度。優選地，所述氮化鎵厚膜層9的厚度超過400微米。更優地，所述氮化鎵厚膜層9的厚度為500微米。最優地，所述氮化鎵厚膜層9的厚度為550微米。另外，所述氮化鎵厚膜層9的厚度差異度在500％以內。優選地，所述氮化鎵厚膜層9的厚度差異度在40％以內。更優地，所述氮化鎵厚膜層9的厚度差異度在30％以內。最優地，所述氮化鎵厚膜層9的厚度差異度在20％以內。一般定義厚度差異度：t＝(|1a-b|/a+|a-c|/a)*100％，其中a為厚度平均值，b為最大厚度，c為最小厚度。

s32，生長結束后降溫，利用異質襯底熱膨脹系數失配使氮化鎵厚膜層9與藍寶石襯底1通過空位結構8相分離，形成自支撐氮化鎵，如圖8所示。

本步驟中完成氮化鎵厚膜層9生長后，均勻降溫樣品，在熱適配的作用下，隨著溫度的降低，氮化鎵厚膜層9收縮和藍寶石襯底1的收縮不一致，在橫向上，空位結構8受到應力作用而被破壞，從而導致氮化鎵厚膜層9和藍寶石襯底1分離，獲得自支撐氮化鎵。

s33，清洗所述自支撐氮化鎵。具體為：先采用氯化氫清洗，去除表面殘留的金屬鎵和其他雜質；然后采用氫氧化鉀清洗；最后用去離子水清洗，并用氮氣輔助甩干。

清洗完畢的自支撐氮化鎵送入研磨拋光工序進行拋光，形成表面平坦光滑的自支撐氮化鎵。

綜上所述，本發明通過激光手段在氮化鎵厚膜與襯底之間制造空位，利用氮化鎵厚膜與襯底之間的熱膨脹差異性，在氮化鎵厚膜生長后的降溫過程中完成氮化鎵厚膜與襯底之間的分離。由于異質襯底材料的晶格系數常常與氮化鎵的晶體系數存在差異，在異質襯底上外延生長氮化鎵厚膜晶體就會存在晶格不匹配而存在內部應力。通常氮化鎵厚膜晶體與襯底材料的分離是通過激光剝離技術，側向腐蝕技術和機械研磨技術，以上技術都要求外延生長的氮化鎵晶體具有較小的翹曲度，消耗材料多，良率低，工序時間長，使得自支撐氮化鎵襯底的市場價格居高不下。本發明的優勢在于：1.自剝離技術。在氮化鎵生長后的降溫過程中，利用熱膨脹系數的差異和晶格系數不匹配導致的內部應力，完成氮化鎵晶體與襯底的分離；2.空位制造。在氮化鎵晶體與襯底之間的空位有利于自剝離過程的完成，利用激光制造空位，工序簡單，生產效率高，有利于降低生產成本。為激光空位技術發展的三明治結構，可以控制激光制造空位工藝中所造成的區域損傷和應力破壞，并且該結構也具有緩沖層的作用，極大降低了氮化鎵晶體的位錯密度，提高了晶體質量。所以，本發明創新性地解決了自支撐氮化鎵晶體的制備和分離難題，具有高度的產業價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。