利用低温防分解籽晶层在砷化镓衬底上生长氮化镓的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电子器件制备方法，尤其涉及一种利用低温防分解籽晶层在砷化镓衬底上生长氮化镓的方法。
【背景技术】
[0002]III族氮化物半导体以其寿命长、节能、环保、色彩丰富、安全及稳定等优点，逐渐发展成为新一代照明光源。GaN基半导体器件发展迅速并且拥有广阔的市场前景。然而，由于异质外延的限制，晶格失配与热失配使得高质量的GaN材料制备非常困难。特别是高亮度的白光LED、蓝光LD以及大功率、高频的功率器件急需同质外延技术以降低有源层缺陷密度和提高衬底的导热、导电性能。
[0003]由于GaN体材料的缺乏，绝大多数GaN基材料通过在异质衬底上外延获得，现有方法中，最常用的异质衬底为蓝宝石，由于蓝宝石与GaN之间巨大的热失配与晶格失配，导致外延层中位错密度较高且在生长结束后降温过程中形成双轴压应力，容易导致厚膜GaN材料开裂。GaAs衬底材料与GaN具有相接近的热膨胀系数，有将GaAs表面转化为GaN表面的可行性，同时GaAs衬底容易去除。然而，由于其热稳定性较差，在正常的GaN生长温度下GaAs已经发生分解，同时GaAs与GaN晶格失配接近20%，在GaAs衬底上直接生长单晶GaN难度大。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种利用低温防分解籽晶层在砷化镓衬底上生长氮化镓的方法。
[0005]该制备方法区别于现有技术的核心是，将砷化镓衬底表面首先沉积一层低温防分解籽晶层(石墨烯、A1203、ZnO、GaN、A1N、InN等)，沉积温度需低于800°C，沉积厚度为150-800nm且沉积物为单晶。然后将砷化镓衬底的背面与侧面运用致密的A1203、S12, SiN等材料进行保护。最后将正面沉积有低温防分解籽晶层(石墨烯)1203、2110、6&队41队1_等)且背面与侧面经过保护的砷化镓衬底外延生长氮化镓材料，从而获得低成本、高质量的厚膜GaN复合衬底，或经过去除衬底工艺或自分离工艺得到自支撑GaN衬底。由于在砷化镓衬底表面低温防分解籽晶层的引入，有效的抑制了在外延过程中砷化镓的分解，同时引入的表面低温防分解籽晶层为单晶，为后续外延提供了优质的衬底，提高了外延层晶体质量。砷化镓与GaN相接近的热膨胀系数有效的缓解了外延层中的应力，大大的降低了制备高质量GaN材料的技术难度与成本。
[0006]本发明提供的技术方案是:
[0007]—种利用低温防分解籽晶层在砷化镓衬底上生长氮化镓的方法，具体包括如下步骤:
[0008]I)将GaAs衬底正面通过沉积方法沉积一层低温防分解籽晶层；
[0009]该层低温防分解籽晶层为石墨稀、A1203、ZnO、GaN、AlN或InN等。沉积温度需低于80(TC，沉积厚度为150-800nm且沉积物为单晶。沉积方法包括:等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposit1n, PECVD)、原子层沉积(AtomicLayer Deposit1n，ALD)，金属有机化学气相沉积法(Metal-organic Chemical VaporDeposit1n，MOCVD)、氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)、分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、磁控派射法等。其中，利用金属有机化学气相沉积法制备II1- V族氮化物作为低温防分解籽晶层的方法具体是:以金属有机源作为V族源，NH3作为III族源，生长温度为300-550°C，生长过程中可以选择通入02、比等气体，生长厚度为300-1 10nm ;利用原子层沉积法制备Al2O3作为低温防分解籽晶层的方法具体是:以三甲基铝(TMA)作为Al源，注入的水蒸气，水分子会与Al-CHJt合物发生反应，并吸附在衬底表面，氢与甲基团反应生成甲烷，氧与铝反应生成氧化铝，生长温度为100-350°C，生长厚度为200-600nm ;利用磁控溅射法制备AlN或ZnO作为低温防分解籽晶层的方法具体是:入射离子轰击靶材，溅射粒子与相应原子充分反应生成AlN或ZnO，溅射温度为250-80(TC，生长厚度为 150-700nm。
[0010]2)在上述衬底背面与侧面通过沉积的方法用致密的材料进行保护；
[0011]将砷化镓衬底的背面与侧面运用致密的A1203、S12, SiN等材料进行保护。A1203、S12, SiN等的厚度为200-900nm。沉积的方法有等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积、磁控溅射等。下面以PECVD沉积S12为例进行说明:沉积温度为80-350°C，压强为50-100Pa，设备运行功率为80-120W，以SiH4作为Si源，N2O作为O源，沉积过程中流量分别控制在 30_80sccm、100-150sccm 间，沉积厚度为 400nm。
[0012]3)将正面沉积有低温防分解籽晶层(石墨烯、A1203、ZnO、GaN, A1N、InN等)且背面与侧面经过保护的砷化镓衬底外延生长氮化镓材料；
[0013]外延生长方法包括:金属有机化学气相沉积法、氢化物气相外延、分子束外延法或者其他包括改变生长參数、调节生长结构等方法的组合，如:先用金属有机化学气相沉积法或者分子束外延生长薄膜GaN，再利用氢化物气相外延快速生长厚膜GaN。以GaN复合衬底为目的，GaN外延层的厚度可以在50纳米-200微米；为了制备自支撑GaN衬底，GaN外延层的厚度可以在200微米-10毫米。其中，MOCVD生长GaN外延层的温度范围在900_1200°C，压力在100-450Torr ；HVPE快速生长温度范围在600-1100°C，压力范围为250_700Torr ；MBE生长的GaN温度为700-900°C。在上述的生长过程中，均可结合各种不同生长參数组合的生长模式转化的方法。如:不同时期采用不同的反应室温度、压力、气体流量等。
[0014]4)对上述步骤3)制备好的厚膜GaN材料，可进行机械抛光等工艺，降低表面粗糙度。或者采用分离方法去除衬底，将步骤3)中厚膜GaN层剥离，并进行切割、机械研磨和化学抛光，形成自支撑GaN衬底。去除衬底的具体方法为:机械研磨方法、化学腐蚀方法或自分离方法中的一种或多种。机械研磨可对原有衬底进行研磨，得到自支撑GaN衬底。自分离技术利用在生长过程中厚膜GaN的应力调整，自行和原有衬底分离实现自支撑GaN衬底。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0016]通过选用热膨胀系数与GaN相接近的砷化镓(GaAs)作为衬底材料，有效的缓解了生长结束后降温过程中形成的双轴压应力，避免了厚膜GaN材料开裂；砷化镓与GaN相接近的热膨胀系数有效的缓解了外延层中的应力，大大的降低了制备高质量GaN材料的技术难度与成本。同时，由于在砷化镓衬底表面低温防分解籽晶层的引入，有效的抑制了在外延过程中砷化镓的分解，且引入的表面低温防分解籽晶层为单晶，获得低成本、高质量的厚膜GaN复合衬底，或经过去除衬底工艺或自分离工艺得到自支撑GaN衬底，为后续外延提供了优质的衬底，有助于后续外延GaN层晶体质量的改善。
【附图说明】
[0017]图1是米用本发明实施例制备方法的流程不意图；
[0018]利用低温防分解籽晶层在砷化镓衬底上生长氮化镓的流程为(a)到(e)，其中，(a)为衬底；(b)为在衬底正面沉积一层低温防分解籽晶层(石墨稀、A1203、ZnO、GaN、A1N、InN等)；(c)为在上述衬底的背面与侧面沉积保护层；(d)将正面沉积有低温防分解籽晶层(石墨烯、A1203、ZnO、GaN, A1N、InN等)且背面与侧面经过保护的砷化镓衬底外延生长氮化镓材料；(e)为自支撑GaN衬底；
[0019]I一衬底；2—低温防分解轩晶层；3—保护层；4一自支撑GaN衬底。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
[0021]本发明提供一种利用低温防分解籽晶层在砷化镓衬底上生长氮化镓的方法，具体包括如下步骤:
[0022]I)将GaAs衬底正面沉积一层低温防分解籽晶层；
[0023]2)在上述衬底的背面与侧面通过沉积的方法用致密的材料进行保护；
[0024]3)将正面沉积有低温防分解籽晶层(石墨烯、A1203、ZnO、GaN, A1N、InN等)且背面与侧面经过保护的砷化镓衬底外延生长氮化镓材料；
[0025]4)对上述步骤3)制备好的厚膜GaN材料，可进行机械抛光等工艺，降低表面粗糙度。或者采用分离方法去除衬底，将步骤3)中厚膜GaN层剥离，并进行切割、机械研磨和化学抛光，形成自支撑GaN衬底。
[0026]图1是采用本发明实施例制备方法的流程示意图；利用低温防分解籽晶层在砷化镓衬底上生长氮化镓的流程为(a)到(e)，其中，(a)为衬底；(b)为在衬底正面沉积一层低温防分解籽晶层(石墨烯、A1203、ZnO、GaN, A1N、InN等)；(c)为在上述衬底的背面与侧面沉积保护层；(d)将正面沉积有低温防分解籽晶层(石墨烯、A1203、ZnO、GaN, A1N、InN等)且背面与侧面经过保护的砷化镓衬底外延生长氮化镓材料；(e)为自支撑GaN衬底。
[0027]实施例一、HVPE法c面GaN厚膜衬底的制备:
[0028]I)将GaAs衬底正面沉积一层低温防分解Al2O3籽晶层；
[0029]GaAs衬底表面为(111)面，沉积温度需低于800°C，沉积厚度为250nm且沉积物为单晶。本实施例采用原子层沉积法制备低温防分解籽晶层:以三甲基铝(TMA)作为Al源，注入的水蒸气，水分子会与Al-CHJt合物发生反应，并吸附在衬底表面，氢与甲基团反应生成甲烷，氧与铝反应生成氧化铝。本实施例中生长温度采用150°C。
[0030]2)在上述衬底背面与侧面用致密的S12保护；
[0031]将砷化镓衬底的背面与侧面运用致密的S12进行保护。本实施例采用PECVD沉积S12:沉积温度为80-350°C，本实施例中采用300°C，压强为50_100Pa，设备运行功率为80-120W，以SiH4作为Si源，N2O作为O源，沉积过程中流量分别控制在30_80sccm、100-150sccm间，沉积厚度为400nm。
[0032]3)将正面沉积有低温防分解Al2O3籽晶层且背面与侧面经过保护的砷化镓衬底外延生长氮化镓材料；
[0033]外延生长方法包括:金属有机化学气相沉积法、氢化物气相外延、分子束外延或者其他包括改变生长參数、调节生长结构等方法的组合，如:先用金属有机化学气相沉积法或者分子束外延生长薄膜GaN，再利用氢化物气相外延快速生长厚膜GaN。以GaN复合衬底为目的，GaN外延层的厚度可以在50纳米-200微米。其中，MOCVD生长GaN外延层的温度范围在900-1200°C，压力在100-450Torr ；HVPE快速生长温度范围