一种利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法。所述方法为：在蓝宝石基板上依次生长第一缓冲层、第二缓冲层；在第二缓冲层上高温生长氮化镓厚膜层；在氮化镓厚膜生长时，第一缓冲层高温热分解为镓和氮气，使氮化镓厚膜层与蓝宝石基板之间产生空隙；缓冲层和氮化镓厚膜层生长完后，在冷却过程中氮化镓厚膜层与蓝宝石基板逐渐分离，得到的氮化镓基板。采用本发明提供的氮化镓基板的方法，生产效率更高，能生产一定厚度的氮化镓基板且不易产生裂纹，提高生产质量。
【专利说明】一种利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在蓝宝石(Sapphire wafer)和其上面生长出来的氮化镓(GaN)之间插入一种选择性热分解特性很好的缓冲层，然后通过热分解将氮化镓从蓝宝石衬底分离出来以得到单晶氮化镓基板。
【背景技术】
[0002]AlN.GaN.1nN等氮化物半导体材料是带隙(Band gap)为0.65eV~6.2eV的直接迁移型半导体材料，所以这三种材料可以发出红外线至紫外线的所有的可视光线，也因为这样，它们作为LED (Light Emitting D1de), LD (Laser D1de)的发光元件的材料而备受关注。另外，因其材料具有物性坚硬、电子移动率(Electron mobility)高的优点，所以它在高温、放射能等恶劣的环境中也广泛用作高温/高功率/高速的电子元件。
[0003]一般来说的绿色LED或者白色LED是通过在蓝宝石基板上生长氮化镓(GaN)薄膜来制作的，但是为了制作超高功率LED，LD等这种电流密度要求很高的氮化镓元件，就需要氮化镓基板。究其原因是因为在蓝宝石基板上生长的氮化镓薄膜的缺陷密度大约为19~109/Cm2，也就是说很高的缺陷密度会导致元件寿命减少的问题。
[0004]与之相反，在单晶氮化镓基板上生长的氮化镓薄膜的缺陷密度是1Vcm2以下，其优点就是可以使元件的寿命增加。制作氮化镓基板的方法中氢气气相外延生长(HydrideVapor Phase Epitaxy:HVPE)法是最为常用的方法，除此之外，还有有机金属化学沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposit1n:MOCVD)法，分子束外延生长(MolecularBeam Epitaxy:MBE)法等。HVPE作为气相生长方法之一，它的优点在于生长速度较快且成本较低，所以广泛用于薄膜的生长以及厚膜结晶的生长。
[0005]目前的氮化镓基板制作工艺是在蓝宝石基板上生长出氮化镓单晶厚膜后，利用激光或者化学蚀刻(Chemical etching)又或者物理上的加工方法将蓝宝石基板和氮化镓单晶厚膜分离，接着将氮化镓单晶厚膜用抛光加工。
[0006]例如，利用激光分离氮化镓基板的方法是在蓝宝石基板一侧射入比氮化镓的Band gap波长小的激光束，这样可以将此界面上的氮化镓热分解为金属镓(Ga metal)和氮气(N2 gas)及分离蓝宝石基板和GaN厚膜。
[0007]但是，目前的HVPE只是用作GaN的生长而无法分离蓝宝石基板上生长的GaN层，因此必须有额外的激光基板分离工艺，然而激光基板分离工艺过程中GaN单晶厚膜上很容易产生裂痕，继而会导致GaN基板制造良率低下的问题。
[0008]将蓝宝石基板从氮化物半导体中分离或去除的问题在提高元件本身的电子特性、最终不仅仅在效率和可靠性的提升方面、还有在蓝宝石的回收利用和工艺上的制造成本问题上，都是需要解决的部分。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的是现有GaN单晶厚膜制作过程中，将蓝宝石基板与生长的GaN膜分离时，GaN膜容易产生裂痕的问题。
[0010]为了解决上述问题，本发明提供了一种利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0011]步骤I):在蓝宝石基板上依次生长第一缓冲层、第二缓冲层；
[0012]步骤2):在第二缓冲层上高温生长氮化镓厚膜层；
[0013]步骤3):在氮化镓厚膜层生长时，第一缓冲层高温热分解为镓和氮气，使氮化镓厚膜层与蓝宝石基板之间产生空隙；
[0014]步骤4):氮化镓厚膜层生长完后，在冷却过程中氮化镓厚膜层与蓝宝石基板逐渐分离，得到的氮化镓基板。
[0015]优选地，所述步骤I)中第一缓冲层是通过HVPE生长出来的氮化镓，它是在600~800°C温度中生长的，其生长厚度为I~3μπι，V/III比为10~100。
[0016]优选地，所述步骤I)中第二缓冲层是在第一缓冲层生长完成后升温至90(TC生长的，其厚度为50~100 μ m，V/III比为10~1000。
[0017]优选地，所述步骤2)与步骤I)之间，第二缓冲层还升温至1000°C经热处理。
[0018]进一步地，所述步骤2)中氮化镓厚膜层是在第二缓冲层经热处理后继续升温至1200°C生长的，其厚度为300ymWi，V/III比为10~50。
[0019]优选地，所述第一缓冲层在温度达到900°C以上时热分解为液体镓和氮气。
[0020]优选地，所述氮化镓可用氮化铝或氮化铟替代，制备氮化铝或氮化铟厚膜层。
[0021]本发明提供了一种热分解特性很好的氮化镓缓冲层以及用此来生长并分离氮化物半导体的技术，缓冲层作为将半导体从生长基板中分离的方法，可以简化工艺且实施性强，便于量产。
[0022]在蓝宝石基板等异质基板上生长的两个缓冲层因热处理效果而发生化学分解过程。特别指出的是，低温生长的第一缓冲层比起其他层其结构相对不稳定，所以很容易发生热分解，正因为如此，可以在第一缓冲层上选择性地加速热分解过程。
[0023]为了使第一缓冲层起作用及热分解务必要有第二缓冲层，这时第二缓冲层的作用是在温度上升过程中防止第一缓冲层的变化即再结晶化，并且对于第二缓冲层上面生长的高温氮化物半导体起到缓冲层的作用。
[0024]虽然，没有第一缓冲层的第二缓冲层在结构上可起到厚膜生长的缓冲作用，但是很难制作出自支撑氮化物半导体基板。相反，没有第二缓冲层的第一缓冲层在升温的过程中会再结晶化并导致氮化镓的特性发生改变，这样热分解特性会减弱以致最终很难完成基板的分尚。
[0025]综上而言，为了使氮化物半导体的缓冲层能够通过它的热分解特性很好地起到作用，必须同时具有第一缓冲层和第二缓冲层。
[0026]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0027]1.在初期生长所用的基板与生长的氮化物厚膜半导体之间插入第一缓冲层和第二缓冲层之后，可利用第一缓冲层的选择性热分解效应在半导体的损伤最低的情况下进行分离；
[0028]2.从氮化镓层分离出的蓝宝石基板因为没有损伤，所以可以重新用于氮化镓生长的基板；
[0029]3.第一缓冲层和第二缓冲层是在氮化物半导体的生长过程中插入的，所以不需要外加其他工艺并可在简单的步骤下完成生长，因此在经济性层面上也显优势；
[0030]4.第一缓冲层和第二缓冲层本身是氮化物半导体层，所以作为缓冲层可以保证在其上面生长的氮化物半导体的高品质性；
[0031]5.采用本发明提供的方法能利用第一缓冲层和第二缓冲层可以有效地制作高品质的自支撑单晶氮化物半导体基板。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1a-C为实施例提供的一种利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法的各步骤的示意图；
图2为分离过程中不同氮化镓层截面的SEM照片比较图。
其中:a为第一缓冲层开始分解时的截面；b为第一缓冲层和第二缓冲层从蓝宝石基板分离出的氮化镓层截面；c为热处理结束之后分离的氮化镓基板和蓝宝石基板。
[0033]
[0034]
【具体实施方式】
[0035]为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0036]实施例1
[0037]—种利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法，包括以下步骤:
[0038]步骤I):在蓝宝石基板I上依次生长第一缓冲层3、第二缓冲层4(如图1a所示)；第一缓冲层3是通过HVPE生长出来的氮化镓，它是在700°C温度中生长的，其生长厚度为2 μ m，生长时间为lOmin，V/III比为10 ;第二缓冲层是在第一缓冲层3生长完成后升温至9000C生长的，其厚度为100 μ m,生长时间为60min ;此时，第一缓冲层3在温度达到900°C以上时热分解为液体镓Ga和氮气N(如图1b所示)；
[0039]步骤2):将第二缓冲层4升温至1000°C经热处理30min ;然后在第二缓冲层4上高温生长氮化镓厚膜层2，氮化镓厚膜层2是在第二缓冲层4热处理后升温至120(TC生长的，其厚度为300 um以上，生长时间为4hr ；
[0040]步骤3):在氮化镓厚膜层生长时，第一缓冲层3高温热分解为液体镓Ga和氮气N，使氮化镓厚膜层2与蓝宝石基板I之间产生空隙；
[0041]步骤4):氮化镓厚膜层2生长完后，在冷却过程中氮化镓厚膜层2与蓝宝石基板I逐渐分离，得到的氮化镓基板(如图1c所示)。
[0042]上述步骤中氮化镓可用氮化铝或氮化铟替代，制备氮化铝或氮化铟厚膜层。
[0043]第一缓冲层3和第二缓冲层4是在相对低的温度下生长的，所以其物性热稳定性较差。经过热处理之后，第一缓冲层3上会发生分解反应，容易气化的氮气N会变成气体挥发掉，镓Ga会以液体残留在蓝宝石基板I和氮化物基板的界面上。也就是说，分解的第一缓冲层3里包括镓Ga和空隙以及未分解的氮化镓。
[0044]下面显示的是上述化学分解反应式。
[0045]2GaN(s) — 2Ga(l)+N2(g)
[0046]接着，界面上的液体镓Ga在氮化镓厚膜层2生长的时间段里部分可能会与从外面注入的氮离子重新结合。
[0047] 因为此时的重新结合主要发生在异种基板(即蓝宝石基板I)的表面和氮化物基板的背面(对着异种基板的那一面)，所以异种基板和第一缓冲层3上面的氮化物基板的结合力明显减弱，以一种空隙形式存在。图2可见，a图中只有在第一缓冲层3中发生了选择性分离。在氮化物基板与蓝宝石基板I分离的状态下，可以看到在氮化物基板的背面氮化镓的再结晶较多，这时因为比起异种基板的蓝宝石，在同种物质的氮化物表面上较容易发生液体镓的重新结合的过程。b图显示的是利用第一缓冲层和第二缓冲层从蓝宝石基板分离出的氮化物基板的截面的SEM照片。c图是热处理结束之后分离氮化物基板和蓝宝石基板后测得的SEM表面照片。
【权利要求】
1.一种利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤I):在蓝宝石基板(I)上依次生长第一缓冲层(3)、第二缓冲层(4)； 步骤2):在第二缓冲层(4)上高温生长氮化镓厚膜层(2); 步骤3):在氮化镓厚膜层(2)生长时，第一缓冲层(3)高温热分解为镓(Ga)和氮气(N)，使氮化镓厚膜层(2)与蓝宝石基板(I)之间产生空隙； 步骤4):氮化镓厚膜层(2)生长完后，在冷却过程中氮化镓厚膜层(2)与蓝宝石基板(I)逐渐分离，得到的氮化镓基板。
2.如权利要求1所述的利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法，其特征在于，所述步骤I)中第一缓冲层(3)是通过HVPE生长出来的氮化镓，它是在600~800°C温度中生长的，其生长厚度为I~3μπι，V/III比为10~100。
3.如权利要求1所述的利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法，其特征在于，所述步骤I)中第二缓冲层(4)是在第一缓冲层(3)生长完成后升温至900°C生长的，其厚度为 50 ~100 μ m, V/III 比为 10 ~1000。
4.如权利要求1所述的利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法，其特征在于，所述步骤2)与步骤I)之间，第二缓冲层(4)还升温至1000°C经热处理。
5.如权利要求4所述的利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法，其特征在于，所述步骤2)中氮化镓厚膜 层(2)是在第二缓冲层(4)经热处理后继续升温至1200°C生长的，其厚度为300ymWi，V/III比为10~50。
6.如权利要求1所述的利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法，其特征在于，所述第一缓冲层在温度达到900°C以上时热分解为液体镓(Ga)和氮气(N)。
7.如权利要求1所述的利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法，其特征在于，所述氮化镓可用氮化铝或氮化铟替代，制备氮化铝或氮化铟厚膜层。
【文档编号】C30B25/22GK104178807SQ201410382392
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】金施耐, 许桢, 金东植 申请人:上海世山科技有限公司, 上海正帆科技有限公司