专利名称：一种制备无裂氮化物半导体衬底的方法
技术领域：
本发明属于氮化物半导体技术领域，尤其涉及一种制备无裂氮化物半导体 碎于底的方法。
背景技术：
以GaN为代表的GaN基氮化物半导体(包括GaN、 AlGaN、 InGaN等)具有 较宽的直接带隙，同时还具有具有击穿电压高、饱和电子漂移速率高、化学及 热稳定性好等特点，因而其在蓝、绿光及紫外发光二极管、激光二极管、紫外 探测器以及高温、高频、高功率等恶劣环境下工作的半导体器件等方面具有广 泛的应用前景。其中研究较多具有重大应用前景的GaN基器件有GaN基LED、 LD、紫外探测器、HEMT等。
目前制约包括GaN基器件在内的氮化物半导体性能及可靠性提高的关键问 题是缺乏合适的衬底材料。氮化物半导体的熔点极高，达到其熔点时的平衡蒸 汽压极高，所以氮化物单晶生长非常困难。到目前为止，制备氮化物单晶衬底 最成熟的方法是HVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy,氢化物气相外延法)， 该方法是在异质村底上生长厚度超过200微米的氮化物单晶膜，然后将异质衬 底去掉，从而得到氮化物半导体自支撑衬底。但是在异质衬底上生长，得到的 氮化物单晶位错密度较大，并且容易造成晶格失配及热膨胀系数失配等缺陷， 从而引发裂紋甚至晶片破裂。为了降低位错密度，得到晶片较完好的氮化物衬 底，现有技术中(详见美国专利US 7, 323,256 B2 )提供了如下解决方案将 HVPE法生长分为两步，首先在长坑条件下生长，该条件下生长的GaN表面有很 多坑，然后再在填坑条件下生长，该条件下将前一步生长的坑填平，得到光滑 无坑的表面。在长坑生长条件下生长，位错向坑底集中，使坑与坑之间部分的 位错密度大大降低。但在该解决方案中，坑中的位错在填坑过程中会延续到生长表面，同时在对GaN进行化学机械(CMP )抛光时，被填坑的位置与其他位置 的抛光速率会有差别。我们通过实验发现，采用以上方法生长氮化镓衬底，当 生长的GaN厚度超过200Mm,在降温时热应力仍会造成晶片开裂，并且在用机械 研磨或激光剥离方法剥离衬底过程中也极易造成开裂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制备无裂氮化物半导体衬底的方法， 采用该方法能够有效降低氮化物衬底的位错密度，得到较完好的无裂氮化物半 导体衬底。
为解决上述技术问题，本发明方法包括如下步骤
步骤l、采用HVPE法，并通过控制工艺条件在异质衬底上生长一层具有坑 状表面的氮化物；
步骤2、在所述具有坑状表面的氮化物层上加入插入层，该插入层为过渡金 属或其合金；
步骤3、对带有所述插入层的氮化物外延片进行高温退火处理；
步骤4、采用HVPE法，并通过控制工艺条件在经过所述退火处理的插入层
上继续生长一层具有光滑表面的氮化物；
步骤5、进行相应后续处理，从而得到氮化物半导体衬底。
步骤1所述具有坑状表面的氮化物层厚度可以为2ym 100ym。
步骤2所述加入插入层的操作可以是将所述具有坑状表面的氮化物层从
HVPE反应器中取出，而在该HVPE反应器之外进行的。
步骤2所述加入插入层的方法可以为^f兹控濺射法，所述插入层材料可以为
金属钛。
步骤3所述退火处理可以是在HVPE反应器中进行的。 步骤4所述具有光滑表面的氮化物层厚度可至少为200Mm。 步骤5所述后续处理为在所述具有光滑表面的氮化物层生长结束后，进行 降温处理。则热应力使插入层处发生破裂，从而得到自支撑氮化物半导体衬底，
即具有光滑表面的氮化物层。
本发明的有益效果为
本发明在现有的两步法制备氮化物衬底的基础上，增加了加入插入层并对 插入层进行高温退火的步骤，不但进一步降低了位错密度，緩解了应力对氮化 物衬底的作用，解决了生长结束后降温，以及氮化物自支撑衬底自剥离时晶片 易开裂的问题，而且有效解决了氮化物衬底晶片表面抛光速率不均勻的问题。
图l是制备无裂氮化镓自支撑村底的流程示意图。
具体实施例方式
下面结合附图，并以制备氮化镓自支撑衬底为例对本发明作进一步详细说明。
图1制备无裂氮化镓自支撑村底的流程示意图，图中101为异质衬底，102 为坑状表面GaN层，103为插入层，104为无坑GaN层，105为剥离后得到的自 支撑衬底。
根据已有的经验，高温条件下较易实现光滑表面GaN的生长，低温较易实 现坑状表面GaN生长；低生长速率较易实现光滑表面GaN的生长，高生长速率 较易实现坑状表面GaN的生长；低V/III比(NH3/HC1流量比)较易实现光滑表 面GaN的生长，高V/III比较易实现坑状表面GaN的生长。而坑状表面不易出 现裂紋。由于采用工艺设备不同，实现生长具有某种表面状态的氮化物所需的 工艺条件不尽相同，但以上规律均适用。
如图1所示，本发明方法具体包括如下步骤
步骤A、首先在偏离优化生长的条件下，用HVPE法在异质衬底101上生长 一层坑状表面的氮化镓层102，厚度2Mafl00Wn;
步骤B、将坑状表面的GaN外延片取出，加入插入层103。具体可以采用磁 控溅射、真空蒸发、电子束蒸发、电镀、化学气相沉积这些方法，而插入层材 料可以为Ti、 W、 Ni、 Ta、 Co 、 Cr、 Au、 Pt等金属或合金；
步骤C、将带有插入层103的GaN外延片放入HVPE设备，高温退火，由于 晶格失配及表面张力的作用，插入层103向坑中集中，在坑与坑间隙处出现缝 隙，漏出部分GaN表面；
步骤D、然后在优化生长条件下生长一层表面光滑的氮化镓104， GaN从插 入层的缝隙处开始生长，通过横向生长将整个插入层103覆盖，并继续生长一 定厚度， 一般要生长200卿以上的厚度。这样由于横向生长，使集中在坑中的 很多位错不能穿透到所述表面光滑的氮化镓层104中，大大降低了无坑氮化镓 层104中的位错密度，并且本实施例中坑不是被后续生长的GaN填充，而是由 插入层材料将坑填充，坑仍具有缓解应力的作用，因此，得到的无坑氮化镓层 104不易破裂。也因此后续生长的氮化物晶片表面不再有抛光速率不均匀的问 题。
步骤E、生长结束后降温，异质衬底101和GaN热膨胀系数不同造成的热应 力在插入层103处集中，并产生破裂，从而实现了无坑GaN层104与下面的坑 状表面GaN层102及异质衬底101的分离，得到无裂低位错GaN自支撑衬底即 分离后的无坑GaN层104部分。
下面通过一个具体的实例对本发明方法工艺工程作进一步i兌明，在该实施 例中，本发明方法具体包括如下步骤
1、 将一面蓝宝石抛光片衬底放入HVPE反应炉内，升温到1000。C,开始坑 状表面GaN的生长。控制V/III (NH3与HC1的流量比)为50， HC1流量设为 100sccm,生长20分钟，得到厚度约为50Mfli的坑状表面GaN;
2、 将生长的晶片取出，利用磁控溅射，在坑状GaN上镀一层金属Ti,厚度 约200nm。
3、 再将晶片放入HVPE炉内，升温到1020 ~ 1080。C进行高温退火，退火时 间控制在30~ 120min。
4、 然后采用优化的条件继续生长光滑表面的GaN层。生长温度控制在1050 °C， V/III比为15, HC1流量为50sccm，生长4小时，生长得到的光滑表面的GaN厚度约400Mm。
5、生长结束后降温，异质衬底及坑状表面GaN层因热应力自动剥离，如果 异质衬底及坑状表面GaN层未从光滑表面GaN层上完全剥离，则需要采取相应 措施以使其完全剥离，从而得到自支撑GaN单晶衬底即光滑表面的GaN层。
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，所应注意的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，本领
围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求记载的技术方案 及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种制备无裂氮化物半导体衬底的方法，其特征在于包括如下步骤:步骤1、采用HVPE法，并通过控制工艺条件在异质衬底上生长一层具有坑状表面的氮化物；步骤2、在所述具有坑状表面的氮化物层上加入插入层，该插入层为过渡金属或其合金；步骤3、对带有所述插入层的氮化物外延片进行高温退火处理；步骤4、采用HVPE法，并通过控制工艺条件在经过所述退火处理的插入层上继续生长一层具有光滑表面的氮化物；步骤5、进行相应后续处理，从而得到氮化物半导体衬底。
2、 根据权利要求1所述的制备无裂氮化物半导体衬底的方法，其特征在于 步骤1所述具有坑状表面的氮化物层厚度为2|jm~ 100um。
3、 根据权利要求1所述的制备无裂氮化物半导体衬底的方法，其特征在于 步骤2所述加入插入层的操作是将所述具有坑状表面的氮化物层从HVPE反应器中取出，而在该HVPE反应器之外进行的。
4、 根据权利要求3所述的制备无裂氮化物半导体村底的方法，其特征在于 所述加入插入层的方法为i兹控、践射法。
5、 根据权利要求3或4所述的制备无裂氮化物半导体衬底的方法，其特征 在于所述插入层材料为金属钛。
6、 根据权利要求l或3所述的制备无裂氮化物半导体衬底的方法，其特征 在于步骤3所述退火处理是在HVPE反应器中进^f亍的。
7、 根据权利要求1或2所述的制备无裂氮化物半导体衬底的方法，其特征 在于 步骤4所述具有光滑表面的氮化物层厚度至少为200刚。 8、根据权利要求1或3所述的制备无裂氮化物半导体衬底的方法，其特征 在于步骤5所述后续处理为在所述具有光滑表面的氮化物层生长结束后降温。
全文摘要
本发明公开了一种制备无裂氮化物半导体衬底的方法，采用该方法能够能够有效降低氮化物衬底的位错密度，还能解决氮化物衬底表面抛光速率不均匀的问题。该方法包括步骤1.采用HVPE法，并通过控制工艺条件在异质衬底上生长一层具有坑状表面的氮化物；步骤2.将所述具有坑状表面的氮化物层从HVPE反应炉中取出，并在其上加入插入层，该插入层为过渡金属或其合金；步骤3.将带有所述插入层的氮化物外延片放回HVPE反应炉中，进行高温退火处理；步骤4.采用HVPE法，并通过控制工艺条件在经过所述退火处理的插入层上继续生长一层具有光滑表面的氮化物；步骤5.生长结束后降温，插入层处发生破裂，从而得到氮化物半导体衬底。
文档编号H01L21/02GK101373709SQ200810167620
公开日2009年2月25日 申请日期2008年10月21日 优先权日2008年10月21日
发明者严如岳, 于祥潞, 徐永宽, 巍 杨, 程红娟, 赖占平 申请人:中国电子科技集团公司第四十六研究所