、下表面附近的流场、温场，控制源气体输运扩散到达GaN模板上、下表面的浓度及其配比，原位掌控双面GaN层(即在GaN模板上表面快速生长高品质GaN单晶层、同时在GaN模板下表面快速生长与上表面单晶层厚度相匹配的GaN多晶层)的生长速度与形态，以简便且低成本制备曲率半径(大于5m)符合商业化生产标准、适合产业化批量生产的高品质GaN复合衬底。本方法和技术，适合制备高质量高良率的高光学和电学性能的微电子器件。
[0035]实施例一:
[0036]1、采用腐蚀性气体对蓝宝石衬底(I)下表面(12)进行高温退火处理，其具体步骤为:先将商业购置的可直接外延的蓝宝石衬底(I)置于高温退火炉中，使其下表面(12)面向腐蚀性气源(此时，蓝宝石衬底上表面(11)与腐蚀性气源是相隔离的)，通入腐蚀性气体(包括但不限于氧气、氨气、氢气和氯化氢等气体)，升温到1000?1800°C，在腐蚀性气氛中焙烧I?3小时；然后取出蓝宝石衬底(I)，依次用丙酮、酒精和去离子水清洗表面，以备下一步MOCVD外延生长。经过此处理，气体分子在蓝宝石衬底的下表面经过吸附与解吸过程，实现表面重构，形成有利于GaN成核、快速生长GaN多晶层的表面态层(13)。
[0037]2、将经高温气体腐蚀处理过的蓝宝石衬底(I)，放进MOCVD反应室中进行常规的GaN外延生长，其具体步骤为:先升温1000?1100°C，用氢气对蓝宝石衬底上表面(11)进行预处理，然后降温至500?600°C生长低温缓冲层，缓冲层厚度30?60nm，然后再次升到900?1100°C生长GaN单晶层(21)，其厚度I?6 μ m，得到如图2所示的蓝宝石衬底GaN模板⑵。
[0038]3、把MOCVD外延制备的所述蓝宝石衬底GaN模板(2)，置于如附图3所示的HVPE系统⑶中，进行双面同时快速生长GaN，其具体步骤为:将GaN模板⑵置于特制的托盘支架(33)上，利用石英直套筒(32)外的HVPE腔室加热装置(31)对系统进行加热，调整GaN模板的上表面(22)与气体输运管道(34)的角度(O?180° );驱动石英支撑杆(35)旋转托盘支架(33)及其上置GaN模板(2)，其旋转速率O?200rpm ;调控源气体在GaN模板(2)的上表面(22)与下表面(23)附近的浓度及其配比，使得在GaN模板(2)的上表面(22)上外延生长高品质的GaN单晶层(41)，其厚度5?300 μ m，在模板GaN模板(2)的下表面(23)上外延生长GaN多晶层(42)，其厚度10?400 μ m ;调控GaN模板⑵的上表面
(22)与下表面(23)附近的流场与温场，以控制两表面材料外延生长的速度与晶态结构；从而使上、下两表面异质外延生长所产生的弯曲应力互相平衡抵消，获得表面平整无弯曲的GaN复合衬底(4)。
[0039]实施例二:
[0040]1、采用酸溶液对蓝宝石衬底(I)下表面(12)进行表面刻蚀，其具体步骤为:将蓝宝石衬底浸泡在以一定比例与水或双氧水混合的盐酸溶液中(此时蓝宝石衬底上表面
(11)采用石蜡密封与酸溶液进行隔离)，将溶液温度升至50?100°C，处理I?30分钟；然后取出衬底，先用去蜡水清除其上表面(11)的石蜡；再后依次用丙酮、酒精和去离子水清洗表面，以备下一步MOCVD外延生长。经过此处理后，蓝宝石衬底下表面实现表面化学改性，形成利于GaN成核、快速生长GaN多晶层的表面态(13)。
[0041]2、将经酸溶液腐蚀处理过的蓝宝石衬底(I)，放进MOCVD反应室中进行常规的GaN外延生长，其具体步骤为:先升温1000?1100°C，用氢气对蓝宝石衬底上表面(11)进行预处理；然后降温至500?600°C生长低温缓冲层，其厚度30?60nm ;再后升温到900?IlOOcC生长GaN单晶层(21)，其厚度I?6 μ m，得到如图2所示的蓝宝石衬底GaN模板⑵。
[0042]3、把MOCVD外延生长所得的蓝宝石衬底GaN模板(2)，置于如附图3所示的HVPE系统(3)中，进行双面同时快速生长GaN，其步骤为:将GaN模板(2)置于特制的托盘支架
(33)上，利用石英直套筒(32)外的HVPE腔室加热装置(31)对系统进行加热，调整GaN模板(2)的上表面(22)与气体输运管道(34)的角度(O?180° );驱动石英支撑杆(35)旋转托盘支架(33)及其上置GaN模板(2)，其旋转速率O?200rpm ;调控源气体在GaN模板
(2)的上表面(22)与下表面(23)附近的浓度及其配比，使得在GaN模板(2)的上表面(22)上生长高品质的GaN单晶层(41)，其厚度5?300 μ m，在GaN模板(2)的下表面(23)上生长GaN多晶层(42)，其厚度10?400 μ m;调控GaN模板⑵的上表面(22)与下表面(23)附近的流场与温场，以管控在GaN模板(2)的两表面GaN晶体生长的速度与晶态结构；从而使上下两表面的异质外延生长所产生的弯曲应力互相平衡抵销，获得表面平整无弯曲的GaN复合衬底(4)。
[0043]附图5所示，采用本发明一种异质衬底表面改性调控基片弯曲度的方法，在原位双面同时生长制备的不同厚度的GaN多晶层(42)与20um GaN单晶层(41)组成的不同GaN复合衬底(4)的曲率半径的变化曲线图。
[0044]上述两个实施例，只是本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，依照本发明原理，还可以做出若干替换、变化和修改，衍生出其它各种方案，包括选择性地组合其中几种方案的各种方案。但凡在其中，只要涉及利用表面处理技术促使异质衬底下表面发生表面吸附、表面重构、表面粗化等表面物理化学改性，以形成利于氮化物成核与氮化物多晶层快速生长的表面态的技术及方法；只要涉及利用HVPE原位双面同时生长不同晶态结构与厚度的氮化物层，使双表面的异质外延生长所产生的弯曲应力互相平衡抵销而获表面平整无弯曲的GaN复合衬底的技术及方法，均涵盖在本发明专利所保护范围。
【主权项】
1.一种异质衬底表面改性调控基片弯曲度的方法，其特征在于，采用表面处理技术，对异质衬底下表面进行物理化学改性，使两表面呈现不同表面态；再用HVPE生长技术，在异质衬底的上表面外延生长高品质氮化物单晶层，同时在衬底下表面生长氮化物多晶层；在氮化物生长过程中原位调控基片弯曲度； 它包括以下步骤: (1)将氮化物异质衬底的下表面，采用表面处理技术进行物理、化学改性，形成利于氮化物成核、氮化物多晶快速生长的表面态； 所述表面处理技术包括:高温气体腐蚀，酸、碱溶液湿法刻蚀，研磨技术，其中一种或两种及其以上方法联合使用； (2)将步骤(I)处理过的衬底放入MOCVD反应室中，利用衬底预处理技术、低温缓冲层技术高温生长的两步法，在衬底上表面外延生长薄层氮化物单晶，得到氮化物模板； (3)将步骤(2)制备的氮化物模板，采用HVPE生长技术，调控设备及生长工艺，进行原位双面同时快速生长氮化物(即在衬底的上表面生长高品质氮化物单晶层，在衬底下表面生长与上表面单晶层厚度相匹配的氮化物多晶层)，得到基片弯曲度小(其曲率半径大于5m)的、符合产业化标准的氮化物复合衬底。2.根据权利要求1所述的一种异质衬底表面改性调控基片弯曲度的方法，在步骤(I)表面处理技术中所述高温气体腐蚀，其特征在于，将异质基片置于高温退火炉中，在腐蚀性气体气氛(此时，基片的上表面与腐蚀性气体气氛是隔离的)，及900?1800°C高温下，对异质基片下表面进行退火处理，使气体分子在基片表面发生吸附与解吸的物理、化学反应，使基片下表面表面重构，形成利于氮化物成核、快速生长多晶层的表面态。3.根据权利要求1所述的一种异质衬底表面改性调控基片弯曲度的方法，在步骤(I)表面处理技术中所述酸、碱溶液湿法刻蚀，其特征在于，将所述基片浸泡在一定温度酸溶液中(此时，异质衬底上表面与酸溶液是隔离的)，或将所述基片浸泡在碱熔融液中(此时，异质衬底上表面与碱熔融液是隔离的);在温度20?400°C，湿法刻蚀处理I?60分钟，使基片下表面化学改性，形成利于氮化物成核、快速生长多晶层的表面态。4.根据权利要求1所述的一种异质衬底表面改性调控基片弯曲度的方法，在步骤(I)表面处理技术中所述研磨技术，其特征在于，采用金刚砂磨盘或材质硬度高于衬底材质的研磨料摩擦衬底下表面，在机械力作用下，使基片下表面粗化与改性，形成利于氮化物成核、快速生长多晶层的表面态。5.根据权利要求1所述的一种异质衬底表面改性调控基片弯曲度的方法，其特征在于，所述衬底在其上表面生长的氮化物单晶层与在其下表面生长的氮化物多晶层的厚度比为0.6?0.9 ;所述衬底及制备的氮化物复合衬底，其直径可以是I英寸或是2英寸或是6英寸或是8英寸。6.根据权利要求1所述的一种异质衬底表面改性调控基片弯曲度的方法，在所述步骤(3)中所述使用HVPE生长技术，调控设备及生长工艺，进行原位双面同时快速生长氮化物，其特征在于，无需引入第三异质外延层，主要通过特殊结构设计的内置托盘支架，调控其上置氮化物模板表面与源气体输运路径间的相对角度，通过调控氮化物的生长工艺，控制氮化物模板上、下表面附近的流场、温场，控制源气体输运扩散到达氮化物模板上、下表面的浓度及其配比，从而掌控在异质衬底的双面原位同时生长氮化物层的生长速度与形态，即在衬底上表面生长高品质的氮化物单晶层，在经过表面处理而改性的衬底下表面生长与上表面单晶层厚度相匹配的氮化物多晶层，从而获得基片弯曲度小、符合产业化标准的氮化物复合衬底。
【专利摘要】本发明公开了一种表面处理技术对异质衬底表面进行物理化学改性，使两表面呈现不同表面态，再通过HVPE技术在异质衬底的上表面外延生长高品质氮化物单晶层(以供作器件制备)，同时在下表面生长氮化物多晶层，从而达到原位控制基片弯曲度的方法。本发明可有效地降低基片对外延层的压应力作用，使其在生长的过程中同时实现降低外延层中的残余应力、位错等缺陷，达到提高外延层的晶体质量。本发明最大优点是基片表面处理技术简单，容易控制，稳定性能好，而且不需改造常规HVPE系统，也不需要引进第三异质外延层，只需对基片进行简单预处理，控制HVPE氮化物生长条件,便可得到曲率半径满足后续器件制备要求的高品质氮化物复合衬底，用于制备高光学和电学性能的光电子和微电子器件，改进器件品质，提高产品良率。
【IPC分类】H01L21/02, C30B29/40, C30B25/18
【公开号】CN105648524
【申请号】
【发明人】刘南柳, 李顺峰, 李春霞, 熊欢, 张国义
【申请人】东莞市中镓半导体科技有限公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2014年11月14日