一种生长GaN厚膜的自剥离方法
【专利摘要】本发明公开了一种生长自剥离半导体合金厚膜的方法，包括以下步骤：步骤1：衬底上淀积一层半导体合金薄膜；步骤2：在所述半导体薄膜上生长牺牲层；步骤3：在牺牲层上，生长半导体合金厚膜；步骤4：当所述半导体合金厚膜的厚度达到一定厚度，使得所述半导体合金厚膜从牺牲层上剥离下来，成为自支撑的半导体合金厚膜。本发明避免了当前常用的激光剥离以及它所带来的激光物理损伤，牺牲层弛豫了异质外延积累的应力，避免外延厚膜的龟裂。
【专利说明】一种生长GaN厚膜的自剥离方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用碳纳米管排列作为牺牲层，生长GaN厚膜的自剥离方法，属于半导体【技术领域】。
【背景技术】
[0002]以GaN为代表的第三代半导体材料是近十几年来国际上倍受重视的新型半导体材料，在白光LED、短波长激光器、紫外探测器以及高温大功率器件中具有广泛的应用前景。然而，由于GaN特殊的稳定性(熔点2791K，融解压4.5GPa)，自然界缺乏天然的GaN体单晶材料，当前的主要工作都是在蓝宝石、SiC, Si等衬底上异质外延进行的。由于GaN与衬底间的晶格失配和热失配，导致异质外延GaN薄膜中具有高的位错密度，位错会形成非辐射复合中心和光散射中心，大大降低光电子器件的发光效率。另外，异质外延也给器件带来了一些别的问题，如解理困难、散热性差等。因而开发适合规模制造的GaN衬底材料工艺对发展GaN半导体器件产业至关重要。在GaN衬底生长技术中，氢化物气相外延(HVPE)以其高生长速率(可以达到800ym / h以上)、低成本、可大面积生长和均匀性好等优点，成为GaN衬底获得突破的首选。HVPE生长GaN衬底，通常是在蓝宝石或砷化镓等衬底上外延
0.5-lmm的厚膜，然后再以激光剥离、研磨或蚀刻等方式将衬底移除，最后将获得的GaN抛光形成所谓的自支撑GaN衬底。然而，由于存在异质外延过程，GaN外延厚膜与所用衬底间的晶格失配和热失配，造成了外延膜碎裂、翘曲等，这些问题导致了成品率低下，是目前GaN衬底价格昂贵的主要原因。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于，用碳纳米管排列作为牺牲层，HVPE生长GaN厚膜。而这层GaN厚膜能从基底材料上剥离下来，而避免了当前较常用的激光剥离以及它所带来的激光物理损伤。更重要的是牺牲层弛豫了异质外延积累的应力，避免外延厚膜的龟裂。
[0004]本发明公开了一种生长自剥离半导体合金厚膜的方法，包括以下步骤:
[0005]步骤1:衬底上淀积一层半导体合金薄膜；
[0006]步骤2:在所述半导体薄膜上生长牺牲层；
[0007]步骤3:在牺牲层上，生长半导体合金厚膜；
[0008]步骤4:当所述半导体合金厚膜的厚度达到一定厚度，使得所述半导体合金厚膜从牺牲层上剥离下来，成为自支撑的半导体合金厚膜。
[0009]本发明用碳纳米管作为牺牲层，生长厚膜GaN，在降温过程中借助形成的多孔结构，利用热失配实现完整自剥离GaN衬底，而避免了当前常用的激光剥离以及它所带来的激光物理损伤。更重要的是牺牲层弛豫了异质外延积累的应力，避免外延厚膜的龟裂。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明用碳纳米管阵列作为牺牲层生长自剥离GaN厚膜的外延示意图。[0011]图2为本发明中碳纳米管阵列作为牺牲层生长GaN厚膜的自剥离过程示意图。【具体实施方式】
[0012]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0013]请参阅图1至图2，本发明提供了一种用碳纳米管排列作为牺牲层生长自剥离GaN厚膜的方法，包括以下步骤:
[0014]步骤1:取一衬底11，在衬底11上用MOCVD淀积一薄层GaN，称之为MOCVD GaN12。衬底11材料可以为玻璃、蓝宝石、S1、Zn0、AlN、SIC、GaN、GaAs、LiA102、或其它III / V族，
IV/ VI族二元、三元及四元化合物半导体合金衬底材料，也包括Cu等金属材料和石英等非金属材料。其中MOCVD GaN12的厚度在1-100微米。生长MOCVD GaN12的方法也可以是MBE生长技术等其它GaN材料的外延生长技术。
[0015]步骤2:在MOCVD GaNl2上排列碳纳米管阵列13 ;其中步骤2中的碳纳米管阵列13可以是单层也可以是多层阵列，其中多层叠层之间可以成任意角度，也可以是任意排列。碳纳米管阵列13的制备方法是化学气相沉积法低温制备碳纳米管的方法及其它物理化学沉积方法，碳纳米管排阵列13的碳纳米管可以是单壁也可以多壁碳纳米管。
[0016]步骤3:在碳纳米管阵列13上，用HVPE生长GaN厚膜，记为HVPE GaN厚膜14，其中HVPE GaN厚膜14的生长方法也可以是液氨法、MBE、M0CVD等其GaN外延生长它法，见图1o
[0017]步骤4:当HVPE GaN厚膜14的厚度达到I微米到I厘米，会从下层材料上剥离下来，成为自支撑GaN衬底21，如图2所示。完成自剥离之后，自支撑GaN衬底21的厚度在I微米到I厘米之间。
[0018]用碳纳米管排列作为牺牲层生长GaN厚膜的自剥离技术，也可以用来生长III /V族，IV / VI族二元、三元及四元化合物半导体合金厚膜材料，同时，这里的碳纳米管阵列也可以用石墨烯材料的阵列来代替。
[0019]本发明用碳纳米管作为牺牲层，生长厚膜GaN，在降温过程中借助形成的多孔结构，利用热失配实现完整自剥离GaN衬底，而避免了当前常用的激光剥离以及它所带来的激光物理损伤。更重要的是牺牲层弛豫了异质外延积累的应力，避免外延厚膜的龟裂。其自剥离的原因在于，碳纳米管阵列和上下GaN材料之间是一种非紧密接触状态。当厚膜GaN达到一定厚度的时候，由于自身应力就可以形成自剥离。
[0020]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种生长自剥离半导体合金厚膜的方法，包括以下步骤: 步骤1:衬底上淀积一层半导体合金薄膜； 步骤2:在所述半导体薄膜上生长牺牲层； 步骤3:在牺牲层上，生长半导体合金厚膜； 步骤4:当所述半导体合金厚膜的厚度达到一定厚度，使得所述半导体合金厚膜从牺牲层上剥离下来，成为自支撑的半导体合金厚膜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体合金厚膜为GaN厚膜。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体合金厚膜为III/ V族、IV / VI族二元、三元及四元化合物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲层为碳纳米管阵列或石墨烯阵列，该阵列为一层或多层阵列结构，层与层之间为任意排列。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤I中所述半导体合金薄膜的厚度为1-100微米，生长方法为MOCVD或MBE外延技术。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中利用化学气相沉积法低温制备牺牲层。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体合金厚膜的厚度在I微米到I厘米之间，生长方法可以是HVPE、液氨法、MBE或MOCVD。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底为玻璃、蓝宝石、S1、LiAlO2、或III/ V族、IV / VI族二元、三元及四元化合物半导体合金衬底材料。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管。
【文档编号】H01L21/02GK103779185SQ201410043314
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2014年1月29日
【发明者】魏同波, 吴奎, 王军喜, 曾一平, 李晋闽 申请人:中国科学院半导体研究所