專利名稱：一種以H₃PO₄腐蝕襯底制備自剝離GaN單晶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備自剝離氮化鎵OiaN)單晶的方法，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
以氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料，因其具有的優(yōu)異性質(zhì)而因其研究者的廣泛關(guān)注。氮化鎵區(qū)別于第一代和第二代半導(dǎo)體材料最重要的物理特點是具有更寬的禁帶(在室溫下其禁帶寬度為3. 4eV)，可以發(fā)射波長比紅光更短的藍光。同時其還具有高擊穿電壓、高電子遷移率、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫、耐腐蝕等特點，因此非常適合制作抗輻射、 高頻、大功率和高密度集成的電子器件以及藍、綠光和紫外光電子器件。因此，GaN半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用成為目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點。為了降低晶格失配和熱失配帶來的應(yīng)力，并進一步得到高質(zhì)量自支撐GaN單晶襯底材料，研究者嘗試過多種HVPE(氫化物氣相外延)生長襯底處理方法。常用方法是使用激光剝離技術(shù)，將厚度較大的GaN從藍寶石襯底上剝離。但是此種方法需要大厚度高質(zhì)量無裂紋HVPE-GaN，這對在藍寶石襯底上異質(zhì)外延GaN有一定困難。通過生長前對襯底進行處理，減小失配帶來的應(yīng)力，并在降溫過程中實現(xiàn)HVPE-GaN與襯底的剝離，這一應(yīng)用也十分廣泛。一般來說常見處理方法要達到的目的是在襯底與HVPE生長GaN之間加入柔性緩沖層Hyun-Jae Lee，et al, Applied Physics Letter 91 (2007) 192108，或者是留有空隙 [Y. Oshima, et al, phys. stat. sol. (a)，194 (2002) 5M-558，或是利用周期性納米圖形襯底減小GaN與襯底接觸面積(C. L. Chao, Appl. Phys. Lett. 95 (2009)051905) 這些方法能夠幫助HVPE (氫化物氣相外延)生長GaN在降溫過程中從襯底上自剝離得到自支撐GaN單晶襯底。但是這些方法在制備生長襯底時需要復(fù)雜的光刻、生長等多步工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有GaN單晶制備技術(shù)存在的不足，提供一種制備過程簡單、成本低的以H3PO4腐蝕襯底制備自剝離GaN單晶的方法，該方法利用簡單的一步H3PO4腐蝕方法處理M0CVD_GaN/Al203襯底，達到腐蝕N面MOCVD-GaN效果，在N面GaN上產(chǎn)生十二面體錐形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的以H3PO4腐蝕襯底制備自剝離GaN單晶的方法，包括以下步驟(1)利用金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方法在藍寶石襯底上外延生長 2 μ m-10 μ m厚的GaN薄膜，形成GaN外延片；(2)將GaN外延片浸入溫度為220-280°C、濃度為70% -90%的H3PO4溶液中腐蝕 3分鐘-30分鐘；(3)把腐蝕后的GaN外延片從H3PO4溶液中迅速取出放入冷水中以停止腐蝕；(4)將腐蝕后的GaN外延片清洗、吹干后，放入氫化物氣相外延(HVPE)生長系統(tǒng)中外延生長GaN單晶；(5)外延生長GaN單晶結(jié)束后經(jīng)過氫化物氣相外延(HVPE)生長系統(tǒng)的降溫過程，GaN單晶實現(xiàn)從藍寶石襯底上自剝離，得到自支撐GaN單晶。上述過程中，外延片腐蝕后部分GaN薄膜已經(jīng)被穿透，形成六角形腐蝕坑，六角形腐蝕坑相互連接形成不規(guī)則形狀的大型腐蝕坑。GaN薄膜與藍寶石接觸的N面被濃磷酸腐蝕后，依照不同晶面腐蝕速率不同顯現(xiàn)出兩套晶面族，總共呈現(xiàn)出十二個面，形成具有十二面錐聚集的結(jié)構(gòu)。這種襯底經(jīng)過HVPE生長后最大的腐蝕坑被填滿，而十二面錐結(jié)構(gòu)之間留有空隙，阻斷了位錯的延伸，為應(yīng)力釋放流出了空隙。同時由于十二面錐的頂點朝向藍寶石襯底，減小了 GaN與藍寶石襯底之間的接觸面積，當(dāng)HVPE-GaN厚度足夠大時，能夠?qū)崿F(xiàn)降溫后自剝離得到自支撐GaN單晶。本發(fā)明具有成本低、簡單易行的特點，適合于批量生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明方法的流程圖。圖2是本發(fā)明方法的圖解示意圖。圖3是本發(fā)明制作的H3PO4腐蝕襯底表面形貌掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖4是本發(fā)明制作的H3PO4腐蝕襯底GaN的N面形成十二面錐狀結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖5是本發(fā)明制備的自支撐GaN單晶N面形貌掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。其中1、藍寶石襯底，2、GaN薄膜，3、腐蝕后的GaN薄膜，4、HVPE生長的GaN單晶。
具體實施例方式本發(fā)明的以H3PO4腐蝕襯底制備自剝離GaN單晶的方法是采用H3PO4腐蝕MOCVD生長GaN薄膜外延片來制備具有N面腐蝕十二面錐狀結(jié)構(gòu)襯底，圖1和圖2給出了具體制備過程(1)利用MOCVD方法在藍寶石襯底1上外延生長厚度為3 μ m_5 μ m的GaN薄膜2， 參見圖2中的(a)圖，形成GaN外延片；(2)將MOCVD生長的GaN外延片浸入220_280°C的濃度為70% -90%的H3PO4溶液中腐蝕3分鐘-30分鐘；(3)把腐蝕后的GaN外延片從H3PO4溶液中迅速取出放入冷水中以停止其腐蝕，得到腐蝕后的GaN薄膜3(參見圖2中的(b)圖)。此時部分GaN薄膜已經(jīng)被穿透，形成大型不規(guī)則形狀腐蝕坑，其形貌如圖3所示。GaN薄膜與藍寶石襯底接觸的N面(GaN薄膜的N 面是指與藍寶石襯底1連接的那一面)被腐蝕并形成十二面錐狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形貌如圖4所
7J\ ο(4)將上述腐蝕后的GaN外延片經(jīng)過去離子水清洗、吹干后，放入HVPE生長系統(tǒng)中外延生長GaN單晶4，參見圖2中的(c)圖。(5)外延生長GaN單晶4結(jié)束后，經(jīng)過HVPE的降溫過程，GaN單晶4實現(xiàn)從藍寶石襯底1上自剝離，得到自支撐的GaN單晶。自支撐GaN單晶N面的形貌掃描電子顯微鏡 (SEM)圖像如圖5所示。上述采用H3PO4腐蝕襯底生長的GaN單晶，減小了 GaN與藍寶石襯底的接觸面積， 留出空隙釋放應(yīng)力。當(dāng)HVPE生長厚度較大時能夠?qū)崿F(xiàn)自剝離，得到GaN單晶。
權(quán)利要求
1. 一種以H3PO4腐蝕襯底制備自剝離GaN單晶的方法，其特征是，包括以下步驟(1)利用金屬有機化學(xué)氣相沉積的方法在藍寶石襯底上外延生長2μ m-10 μ m厚的GaN 薄膜，形成GaN外延片；(2)將GaN外延片浸入溫度為220-280°C、濃度為70%-90%的H3PO4溶液中腐蝕3分鐘-30分鐘；(3)把腐蝕后的GaN外延片從H3PO4溶液中迅速取出放入冷水中以停止腐蝕；(4)將腐蝕后的GaN外延片清洗、吹干后，放入氫化物氣相外延生長系統(tǒng)中外延生長 GaN單晶；(5)外延生長GaN單晶結(jié)束后經(jīng)過氫化物氣相外延生長系統(tǒng)的降溫過程，GaN單晶實現(xiàn)從藍寶石襯底上自剝離，得到自支撐GaN單晶。
全文摘要
本發(fā)明提供一種以H3PO4腐蝕襯底制備自剝離GaN單晶的方法，包括以下步驟(1)利用金屬有機化學(xué)氣相沉積的方法在藍寶石襯底上外延生長2μm-10μm厚的GaN薄膜，形成GaN外延片；(2)將GaN外延片浸入溫度為220-280℃、濃度為70％-90％的H3PO4溶液中腐蝕3分鐘-30分鐘；(3)把腐蝕后的GaN外延片從H3PO4溶液中迅速取出放入冷水中以停止腐蝕；(4)將腐蝕后的GaN外延片清洗、吹干后，放入氫化物氣相外延生長系統(tǒng)中外延生長GaN單晶，(5)外延生長GaN單晶結(jié)束后經(jīng)過氫化物氣相外延生長系統(tǒng)的降溫過程，GaN單晶實現(xiàn)從藍寶石襯底上自剝離，得到自支撐GaN單晶。本發(fā)明具有成本低、簡單易行的特點，適合于批量生產(chǎn)。
文檔編號C30B25/20GK102418143SQ20111036634
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者吳擁中, 張浩東, 張雷, 邵永亮, 郝霄鵬 申請人:山東大學(xué)