专利名称：一种以H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>腐蚀衬底制备自剥离GaN单晶的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备自剥离氮化镓OiaN)单晶的方法，属于光电子技术领域。
背景技术：
以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料，因其具有的优异性质而因其研究者的广泛关注。氮化镓区别于第一代和第二代半导体材料最重要的物理特点是具有更宽的禁带(在室温下其禁带宽度为3. 4eV)，可以发射波长比红光更短的蓝光。同时其还具有高击穿电压、高电子迁移率、化学性质稳定、耐高温、耐腐蚀等特点，因此非常适合制作抗辐射、 高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件。因此，GaN半导体材料的研究和应用成为目前全球半导体研究的前沿和热点。为了降低晶格失配和热失配带来的应力，并进一步得到高质量自支撑GaN单晶衬底材料，研究者尝试过多种HVPE(氢化物气相外延)生长衬底处理方法。常用方法是使用激光剥离技术，将厚度较大的GaN从蓝宝石衬底上剥离。但是此种方法需要大厚度高质量无裂纹HVPE-GaN，这对在蓝宝石衬底上异质外延GaN有一定困难。通过生长前对衬底进行处理，减小失配带来的应力，并在降温过程中实现HVPE-GaN与衬底的剥离，这一应用也十分广泛。一般来说常见处理方法要达到的目的是在衬底与HVPE生长GaN之间加入柔性缓冲层Hyun-Jae Lee，et al, Applied Physics Letter 91 (2007) 192108，或者是留有空隙 [Y. Oshima, et al, phys. stat. sol. (a)，194 (2002) 5M-558，或是利用周期性纳米图形衬底减小GaN与衬底接触面积(C. L. Chao, Appl. Phys. Lett. 95 (2009)051905) 这些方法能够帮助HVPE (氢化物气相外延)生长GaN在降温过程中从衬底上自剥离得到自支撑GaN单晶衬底。但是这些方法在制备生长衬底时需要复杂的光刻、生长等多步工艺。
发明内容
本发明针对现有GaN单晶制备技术存在的不足，提供一种制备过程简单、成本低的以H3PO4腐蚀衬底制备自剥离GaN单晶的方法，该方法利用简单的一步H3PO4腐蚀方法处理M0CVD_GaN/Al203衬底，达到腐蚀N面MOCVD-GaN效果，在N面GaN上产生十二面体锥形结构。本发明的以H3PO4腐蚀衬底制备自剥离GaN单晶的方法，包括以下步骤(1)利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法在蓝宝石衬底上外延生长 2 μ m-10 μ m厚的GaN薄膜，形成GaN外延片；(2)将GaN外延片浸入温度为220-280°C、浓度为70% -90%的H3PO4溶液中腐蚀 3分钟-30分钟；(3)把腐蚀后的GaN外延片从H3PO4溶液中迅速取出放入冷水中以停止腐蚀；(4)将腐蚀后的GaN外延片清洗、吹干后，放入氢化物气相外延(HVPE)生长系统中外延生长GaN单晶；(5)外延生长GaN单晶结束后经过氢化物气相外延(HVPE)生长系统的降温过程，GaN单晶实现从蓝宝石衬底上自剥离，得到自支撑GaN单晶。上述过程中，外延片腐蚀后部分GaN薄膜已经被穿透，形成六角形腐蚀坑，六角形腐蚀坑相互连接形成不规则形状的大型腐蚀坑。GaN薄膜与蓝宝石接触的N面被浓磷酸腐蚀后，依照不同晶面腐蚀速率不同显现出两套晶面族，总共呈现出十二个面，形成具有十二面锥聚集的结构。这种衬底经过HVPE生长后最大的腐蚀坑被填满，而十二面锥结构之间留有空隙，阻断了位错的延伸，为应力释放流出了空隙。同时由于十二面锥的顶点朝向蓝宝石衬底，减小了 GaN与蓝宝石衬底之间的接触面积，当HVPE-GaN厚度足够大时，能够实现降温后自剥离得到自支撑GaN单晶。本发明具有成本低、简单易行的特点，适合于批量生产。
图1是本发明方法的流程图。图2是本发明方法的图解示意图。图3是本发明制作的H3PO4腐蚀衬底表面形貌扫描电子显微镜(SEM)图像。图4是本发明制作的H3PO4腐蚀衬底GaN的N面形成十二面锥状结构扫描电子显微镜(SEM)图像。图5是本发明制备的自支撑GaN单晶N面形貌扫描电子显微镜(SEM)图像。其中1、蓝宝石衬底，2、GaN薄膜，3、腐蚀后的GaN薄膜，4、HVPE生长的GaN单晶。
具体实施例方式本发明的以H3PO4腐蚀衬底制备自剥离GaN单晶的方法是采用H3PO4腐蚀MOCVD生长GaN薄膜外延片来制备具有N面腐蚀十二面锥状结构衬底，图1和图2给出了具体制备过程(1)利用MOCVD方法在蓝宝石衬底1上外延生长厚度为3 μ m_5 μ m的GaN薄膜2， 参见图2中的(a)图，形成GaN外延片；(2)将MOCVD生长的GaN外延片浸入220_280°C的浓度为70% -90%的H3PO4溶液中腐蚀3分钟-30分钟；(3)把腐蚀后的GaN外延片从H3PO4溶液中迅速取出放入冷水中以停止其腐蚀，得到腐蚀后的GaN薄膜3(参见图2中的(b)图)。此时部分GaN薄膜已经被穿透，形成大型不规则形状腐蚀坑，其形貌如图3所示。GaN薄膜与蓝宝石衬底接触的N面(GaN薄膜的N 面是指与蓝宝石衬底1连接的那一面)被腐蚀并形成十二面锥状结构，结构形貌如图4所
7J\ ο(4)将上述腐蚀后的GaN外延片经过去离子水清洗、吹干后，放入HVPE生长系统中外延生长GaN单晶4，参见图2中的(c)图。(5)外延生长GaN单晶4结束后，经过HVPE的降温过程，GaN单晶4实现从蓝宝石衬底1上自剥离，得到自支撑的GaN单晶。自支撑GaN单晶N面的形貌扫描电子显微镜 (SEM)图像如图5所示。上述采用H3PO4腐蚀衬底生长的GaN单晶，减小了 GaN与蓝宝石衬底的接触面积， 留出空隙释放应力。当HVPE生长厚度较大时能够实现自剥离，得到GaN单晶。
权利要求
1. 一种以H3PO4腐蚀衬底制备自剥离GaN单晶的方法，其特征是，包括以下步骤(1)利用金属有机化学气相沉积的方法在蓝宝石衬底上外延生长2μ m-10 μ m厚的GaN 薄膜，形成GaN外延片；(2)将GaN外延片浸入温度为220-280°C、浓度为70%-90%的H3PO4溶液中腐蚀3分钟-30分钟；(3)把腐蚀后的GaN外延片从H3PO4溶液中迅速取出放入冷水中以停止腐蚀；(4)将腐蚀后的GaN外延片清洗、吹干后，放入氢化物气相外延生长系统中外延生长 GaN单晶；(5)外延生长GaN单晶结束后经过氢化物气相外延生长系统的降温过程，GaN单晶实现从蓝宝石衬底上自剥离，得到自支撑GaN单晶。
全文摘要
本发明提供一种以H3PO4腐蚀衬底制备自剥离GaN单晶的方法，包括以下步骤(1)利用金属有机化学气相沉积的方法在蓝宝石衬底上外延生长2μm-10μm厚的GaN薄膜，形成GaN外延片；(2)将GaN外延片浸入温度为220-280℃、浓度为70％-90％的H3PO4溶液中腐蚀3分钟-30分钟；(3)把腐蚀后的GaN外延片从H3PO4溶液中迅速取出放入冷水中以停止腐蚀；(4)将腐蚀后的GaN外延片清洗、吹干后，放入氢化物气相外延生长系统中外延生长GaN单晶，(5)外延生长GaN单晶结束后经过氢化物气相外延生长系统的降温过程，GaN单晶实现从蓝宝石衬底上自剥离，得到自支撑GaN单晶。本发明具有成本低、简单易行的特点，适合于批量生产。
文档编号C30B25/20GK102418143SQ20111036634
公开日2012年4月18日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者吴拥中, 张浩东, 张雷, 邵永亮, 郝霄鹏 申请人:山东大学