一种GaN单晶衬底的制备方法

本发明涉及gan制法，具体为一种gan单晶衬底的制备方法。

背景技术：

1、gan基iii-v族氮化物是重要的直接带隙的宽禁带半导体材料，在发光二极管(led)、激光二极管(ld)和紫外光探测器等光电子器件，以及微波、电力电子等微电子功率器件领域中有着广泛的应用前景。

2、目前的gan单晶衬底的制备方法一般以蓝宝石、sic、si等材料作为异质单晶衬底，在上面进行异质外延得到gan厚膜材料，然后采用激光剥离技术或自分离技术去除异质衬底而获得gan单晶衬底，但异质衬底与gan材料间存在晶格与热胀参数的失配往往使gan厚膜在生长的过程中存在较大的残余应力，导致厚膜内材料缺陷较多，在衬底剥离时受到gan分解产生的冲击力而容易出现碎裂的问题，一般只能做2-4寸的衬底，无法制作大尺寸衬底。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明目的是提供一种大尺寸、高质量、大幅减少应力的gan单晶衬底的制备方法。

2、技术方案：本发明所述的一种gan单晶衬底的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤一，在基板上依次生长阻挡层、第一键合层，在衬底上依次生长gan外延薄膜、第二键合层；

4、步骤二，将第一键合层与第二键合层通过范德华力键合，形成键合层，去除衬底，得到顺次相连的基板、阻挡层、键合层、gan外延薄膜；

5、步骤三，通过湿法腐蚀使得gan外延薄膜远离键合层的一侧表面形成具有(10-11)晶面的gan岛；

6、步骤四，在gan岛上，采用hvpe(氢化物气相外延)法在800～1000℃生长gan，形成gan厚膜；

7、步骤五，通过hf(氢氟酸)或boe(缓冲氧化物刻蚀液)法腐蚀去掉键合层，将基板与gan厚膜分离；

8、步骤六，采用cmp法(化学机械抛光)对gan厚膜做表面研磨、抛光处理，得到gan单晶衬底。

9、进一步地，步骤一中，基板为aln陶瓷基板，第一键合层为sio2或si3n4。生长阻挡层、第一键合层的总厚度为1～3μm。生长阻挡层采用lpcvd(低压化学气相沉积)法或pecvd(等离子体增强化学气相沉积)法，lpcvd法的生长温度为600～800℃，优选为700℃，pecvd法的生长温度为300～500℃；第一键合层的生长温度为300～500℃，优选为350℃。

10、进一步地，步骤二中，gan外延薄膜通过mocvd(金属有机化合物化学气相沉积)法在900～1100℃生长，厚度为1～4μm。第二键合层通过pecvd(等离子体增强化学气相沉积)法在300～500℃生长，厚度为0.5～1.5μm，第二键合层与第一键合层材料相同。

11、进一步地，步骤三中，去除衬底时先减薄，再用干法刻蚀。

12、进一步地，步骤四中，湿法腐蚀是通过氢氧化钾溶液，溶液浓度质量比5～30％，在25～80℃下腐蚀gan外延薄膜，优选为60℃。湿法腐蚀可将晶体表面的材料溶解掉，有效去除线位错，获得高质量晶体。线位错是一种晶格中的缺陷，由于晶格错位引起。当腐蚀液中的化学物质与晶体表面发生反应时，会导致晶体表面附近材料的溶解，从而使线位错消失。

13、进一步地，步骤五中，gan厚膜的厚度为800μm～2mm，优选为1mm，生长gan的生长速度为10～50μm/h。大尺寸的gan(氮化镓)单晶相较于小尺寸的单晶具有以下优点：

14、(1)提高器件性能：大尺寸的gan单晶可以提供更大的面积，使得制备的器件具有更高的功率处理能力和更低的电阻等特性。这对于高频、高功率应用如射频功率放大器、高效率电力转换器等非常重要。

15、(2)降低材料损失：在制备gan器件时，需要通过外延生长技术获得合适尺寸的gan单晶衬底。大尺寸的单晶可以提供更多的晶面，减少晶体缺陷密度，降低材料的损失。提高制备效率：大尺寸的gan单晶可以同时制备多个器件，提高制备效率和产量。这对于大规模商业化生产非常重要。

16、(3)提高器件可靠性：大尺寸的gan单晶具有更好的结构一致性和晶体质量，可以提高器件的可靠性和长期稳定性。

17、(4)降低成本：虽然大尺寸的gan单晶通常会面临生长难度和杂质控制等技术挑战，但一旦成功实现大尺寸单晶的高效生产，可以降低材料成本和器件制备成本，促进gan器件的商业化应用。

18、制备原理：湿法腐蚀涉及两个主要过程：扩散和反应。扩散过程：腐蚀液中的化学物质通过晶体表面附近的溶解层，扩散到晶体内部。这种扩散过程是通过晶体表面的离子交换或分子扩散来实现的。反应过程：一旦腐蚀液中的化学物质达到晶体内部，它们会与晶体材料发生化学反应。在与晶体表面附近的材料发生反应的过程中，腐蚀液中的化学物质会将晶体中的材料溶解掉。对于线位错，腐蚀液中的化学物质会优先与线位错区域的材料发生反应，导致其溶解，从而去除线位错。要实现有效的线位错去除，需要选择合适的腐蚀液和调节腐蚀条件。这包括腐蚀液的成分、温度、浸泡时间等。通过优化这些参数，可以实现对线位错的选择性腐蚀，即只消除线位错而保留晶体的其他部分完好。

19、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

20、1、aln陶瓷基板与gan厚膜的热膨胀系数一致，不存在失配，有助于消除大厚度gan层生长中应力的积累，长厚时不容易碎裂，能够成功制备大尺寸的gan单晶；

21、2、采用湿法腐蚀，能够有效去除线位错，获得高质量晶体；

22、3、aln陶瓷基板可以重复利用，有利于节省成本。

技术特征：

1.一种gan单晶衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种gan单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，基板(1)为aln陶瓷基板，第一键合层(3)为sio2或si3n4。

3.根据权利要求1所述的一种gan单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，生长阻挡层(2)、第一键合层(3)的总厚度为1～3μm。

4.根据权利要求1所述的一种gan单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，生长阻挡层(2)采用lpcvd法或pecvd法，lpcvd法的生长温度为600～800℃，pecvd法的生长温度为300～500℃；生长第一键合层(3)采用pecvd法，第一键合层(3)的生长温度为300～500℃。

5.根据权利要求1所述的一种gan单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，gan外延薄膜(5)通过mocvd法在900～1100℃生长，厚度为1～4μm。

6.根据权利要求1所述的一种gan单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，第二键合层(6)通过pecvd法在300～500℃生长，厚度为0.5～1.5μm，第二键合层(6)与第一键合层(3)材料相同。

7.根据权利要求1所述的一种gan单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，去除衬底(4)时先减薄，再用干法刻蚀。

8.根据权利要求1所述的一种gan单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，湿法腐蚀是通过氢氧化钾溶液在25～80℃下腐蚀gan外延薄膜(5)。

9.根据权利要求1所述的一种gan单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，gan厚膜(9)的厚度为800μm～2mm。

10.根据权利要求1所述的一种gan单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，生长gan的生长速度为10～50μm/h。

技术总结
本发明公开了一种GaN单晶衬底的制备方法，包括以下步骤：在基板上依次生长阻挡层、第一键合层，在衬底上依次生长GaN外延薄膜、第二键合层；将第一键合层与第二键合层键合，形成键合层，去除衬底，得到自下而上的基板、阻挡层、键合层、GaN外延薄膜；通过湿法腐蚀使得GaN外延薄膜远离键合层的一侧表面形成具有(10‑11)晶面的GaN岛；在GaN岛上，采用HVPE法在800～1000℃生长GaN，形成GaN厚膜；通过HF或BOE法腐蚀去掉键合层，将基板与GaN厚膜分离；对GaN厚膜做表面研磨、抛光处理。本发明基板与GaN厚膜的热膨胀系数一致，不存在失配，长厚时不容易碎裂，能够制备大尺寸GaN单晶。

技术研发人员：范谦,顾星,倪贤锋
受保护的技术使用者：东南大学苏州研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19