制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法
【专利摘要】一种制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，包括：取一衬底；在衬底上生长一层氧化锌结晶层做为牺牲层；在氧化锌结晶层上低温生长一层半导体支撑层；在半导体支撑层的表面生长半导体单晶外延层，在生长过程中，使氧化锌结晶层的氧化锌分解，使半导体支撑层和半导体单晶外延层与衬底分离，该半导体支撑层和半导体单晶外延层为半导体晶体层；采用机械抛光的方法，将半导体晶体层的半导体支撑层去除，得到半导体单晶外延层，该半导体单晶外延层为非极性面或半极性面的单晶半导体自支撑衬底，完成制备。本发明具有低成本、大尺寸的优点。
【专利说明】制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体材料领域，特别是一种制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法。
【背景技术】
[0002]如今，非极性面或半极性面的氮化镓(GaN)和氮化铝(AlN)发光二极管(LED)成为研究热点。原因一方面在于，非极性面和半极性面材料不存在自发极化和压电极化，可以避免量子限制斯塔克效应，提高LED的内量子效率。另一方面，由于非极性面和半极性面LED发射的光波为偏振光，可以将其直接用于平面显示器的背光源，极大地简化了平面显示器背光照明的设计，从而降低了器件制备的复杂程度并降低成本。但是，衬底问题是限制非极性面和半极性面LED应用的主要瓶颈之一。由于目前生长非极性面或半极性面的GaN和AlN材料通常采用R面或M面蓝宝石等异质衬底，而异质外延使得外延材料晶体质量较差，通常会在外延膜中存在高密度层错。因而同质外延成为目前人们寻求的突破点之一。[0003]目前，市面上出售的非极性面或半极性面的GaN衬底多是将GaN晶锭沿其{1150}和{10?0}晶面切割获得，但是由于采用氨热法、高压溶液法制备的GaN晶锭尺寸还很小，所以切割获得GaN衬底尺寸也非常小。而AlN晶体由于制备技术还不成熟，所以目前并未有此方法制备的AlN衬底问世。另一种方法就是通过氢化物汽相外延技术(HVPE)先在诸如R面或者M面蓝宝石衬底或碳化硅衬底上异质外延生长厚膜材料，然后采用反应离子刻蚀或激光剥离技术等剥离衬底的方法去除衬底，从而获得自支撑的非极性面和半极性面的GaN或AlN衬底。但是该方法剥离衬底不仅工艺复杂，不利于降低衬底成本，而且无法进行大尺寸衬底的剥离。因此，采用新的方法尽量避免激光剥离等复杂的衬底剥离技术，并制备出大尺寸的自支撑GaN和AlN衬底是解决非极性面或半极性面的氮化镓(GaN)和氮化铝(AlN)发光二极管问题的关键。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的是提供一种制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，以解决目前低成本、大尺寸非极性面或半极性面GaN和AlN自支撑衬底缺乏的现状，进而促进非极性面或半极性面发光二极管(LED)的研究和产业化。
[0005]为了达到上述目的，本发明的技术解决方案提供一种制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，包括以下步骤:
[0006]步骤1:取一衬底，进行表面清洁后，置于材料生长设备的生长室内；
[0007]步骤2:在衬底上生长一层氧化锌结晶层做为牺牲层；
[0008]步骤3:在氧化锌结晶层上低温生长一层半导体支撑层；
[0009]步骤4:将带有氧化锌结晶层和半导体支撑层的材料放置于卤化物气相外延设备的反应室中，采用氢气做载气并在高温条件下，在半导体支撑层的表面生长半导体单晶外延层，在生长过程中，由于高温和氢气对于氧化锌结晶层的刻蚀作用，使氧化锌结晶层的氧化锌分解，使半导体支撑层和半导体单晶外延层与衬底分离，该半导体支撑层和半导体单晶外延层为半导体晶体层；
[0010]步骤5:采用机械抛光的方法，将半导体晶体层的半导体支撑层去除，得到半导体单晶外延层，该半导体单晶外延层为非极性面或半极性面的单晶半导体自支撑衬底，完成制备。
[0011]本发明的有益效果是，提供了一种简单的制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，该方法省去了激光剥离技术等复杂的衬底剥离技术，简化了整体的制备工艺，提高了衬底制备效率和良率，可以解决目前低成本、大尺寸非极性面或半极性面GaN和AlN自支撑衬底缺乏 的现状，进而促进非极性面或半极性面发光二极管(LED)的研究和产业化。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]为了进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合具体实施例及附图详细说明如后，其中:
[0013]图1是本发明的制备流程图；
[0014]图2是本发明结构示意图；
[0015]图3是刻蚀掉氧化锌结晶层2后，半导体支撑层3和半导体单晶外延层4与衬底I分离的示意图；
[0016]图4是去除半导体支撑层3后得到的半导体自支撑衬底的示意图。
【具体实施方式】
[0017]请参阅图1，并结合参阅图2-图4所示，本发明提供一种制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，包括以下步骤:
[0018]步骤1:取一衬底1，进行表面清洁后，置于材料生长设备的生长室内，所述衬底I为非极性面或半极性面衬底，衬底I的材料为R面(10?2)蓝宝石衬底、M面(10?0)蓝宝石衬底、
(10T2)面碳化硅衬底或(iToo)面碳化硅衬底；所述材料生长设备为金属有机化学气相沉积设备或脉冲激光沉积设备。
[0019]步骤2:在衬底I上生长一层氧化锌结晶层2做为牺牲层，该氧化锌结晶层2的厚度为 IOOnm 至 500nm ；
[0020]所述的氧化锌结晶层2可以由金属有机化学气相沉积技术制备，在生长氧化锌结晶层2之前，先将衬底I在1100°C并且通入氮气的条件下烘烤20分钟，再使用氮气和氧气的混合载气氧化衬底3分钟，然后以500-750°C生长一层厚度IOOnm至500nm的氧化锌结晶层2。
[0021]所述的氧化锌结晶层2也可以采用脉冲激光沉积技术制备，在衬底I上以700-800°C生长一层厚度IOOnm至500nm的氧化锌结晶层2 ；
[0022]步骤3:在氧化锌结晶层2上低温生长一层半导体支撑层3，所述生长半导体支撑层3时的温度低于800°C，以防止氧化锌结晶层2中的氧化锌在此过程中分解。生长半导体支撑层3的气氛是氮气或氩气，且不能含有任何腐蚀氧化锌的成分。该半导体支撑层3的材料是氮化镓或者氮化铝，厚度为2 μ m至50 μ m，以保证在步骤4高温外延过程中氧化锌结晶层2分解时可以起到支撑上层半导体单晶外延层4的作用，而不至于使半导体单晶外延层4破碎。
[0023]该半导体支撑层3可以采用金属有机化学气相沉积或脉冲激光沉积技术制备。若采用金属有机化学气相沉积技术制备，半导体支撑层3的生长温度要高于500°C，以保证该半导体支撑层3的材料为具有单一取向的织构或单晶材料。
[0024]步骤4:将带有氧化锌结晶层2和半导体支撑层3的材料放置于卤化物气相外延设备的反应室中，采用氢气做载气并在高温条件下，在半导体支撑层3的表面生长半导体单晶外延层4，在生长过程中，由于高温和氢气对于氧化锌结晶层2的刻蚀作用，使氧化锌结晶层2的氧化锌分解，使半导体支撑层3和半导体单晶外延层4与衬底I分离，该半导体支撑层3和半导体单晶外延层4为半导体晶体层10，所述生长半导体单晶外延层4的生长温度高于800°C，以保证氧化锌可以在此生长温度下分解，所述生长的半导体单晶外延层4的厚度为100-800 μ m ；
[0025]所述半导体单晶外延层4的材料若为氮化镓材料，则其最优的生长温度为950-11000C ;所述半导体单晶外延层4的材料若为氮化铝材料，则其最优的生长温度为1200-1600°C。
[0026]若在高温生长过程中氧化锌结晶层2不能完全分解以至于无法实现在生长过程中半导体晶体层10与衬底I分离，可在生长之后将仍键合在衬底I上的半导体晶体层10放入酸溶液中，将剩余的氧化锌腐蚀掉，以实现半导体晶体层10从衬底I上剥离。所述的刻蚀氧化锌的酸溶液可以是稀盐酸或稀硫酸等溶液，但要保证该酸溶液在去除氧化锌的同时，不可以与半导体晶体层10材料发生反应。
[0027]步骤5:采用机械抛光的方法，将半导体晶体层10的半导体支撑层3去除，得到半导体单晶外延层4，该半导体单晶外延层4为非极性面或半极性面的单晶半导体自支撑衬底，该非极性面或半极性面的单晶半导体自支撑衬底的材料为氮化镓或氮化铝，完成制备。
[0028]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，所应理解的是，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】
1.一种制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，包括以下步骤: 步骤1:取一衬底，进行表面清洁后，置于材料生长设备的生长室内； 步骤2:在衬底上生长一层氧化锌结晶层做为牺牲层； 步骤3:在氧化锌结晶层上低温生长一层半导体支撑层； 步骤4:将带有氧化锌结晶层和半导体支撑层的材料放置于卤化物气相外延设备的反应室中，采用氢气做载气并在高温条件下，在半导体支撑层的表面生长半导体单晶外延层，在生长过程中，由于高温和氢气对于氧化锌结晶层的刻蚀作用，使氧化锌结晶层的氧化锌分解，使半导体支撑层和半导体单晶外延层与衬底分离，该半导体支撑层和半导体单晶外延层为半导体晶体层； 步骤5:采用机械抛光的方法，将半导体晶体层的半导体支撑层去除，得到半导体单晶外延层，该半导体单晶 外延层为非极性面或半极性面的单晶半导体自支撑衬底，完成制备。
2.根据权利要求1所述的制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，其中所述衬底I为非极性面或半极性面衬底，衬底的材料为R面(10?2)蓝宝石衬底、M面(IOTO)蓝宝石衬底、(I O T 2)面碳化硅衬底或(1100)面碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，其中氧化锌结晶层的厚度为IOOnm至500nm。
4.根据权利要求1所述的制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，其中生长半导体支撑层时的温度低于800°C,生长气氛是氮气或IS气。
5.根据权利要求4所述的制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，其中半导体支撑层的材料是氮化镓或者氮化铝。
6.根据权利要求5所述的制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，其中半导体支撑层的厚度为2 μ m至50 μ m。
7.根据权利要求1所述的制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，其中生长半导体单晶外延层的生长温度高于800°C，以保证氧化锌可以在此生长温度下分解。
8.根据权利要求7所述的制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，其中生长的半导体单晶外延层的厚度为100-800 μ m。
9.根据权利要求1所述的制备非极性面或半极性面单晶半导体自支撑衬底的方法，其中非极性面或半极性面的单晶半导体自支撑衬底的材料为氮化镓或氮化铝。
【文档编号】H01L33/00GK103956417SQ201410191726
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】张恒, 魏鸿源, 杨少延, 赵桂娟, 金东东, 王建霞, 李辉杰, 刘祥林, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所