利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法
【专利摘要】利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法，涉及氮化物基光电器件。1)GaN层晶的第一性原理方法模拟计算；2)制样前对蓝宝石衬底预处理；3)GaN缓冲层的生长；4)GaN外延生长制备。利用分离能与应力的关系，在HVPE方法生长的GaN外延层中进行特殊处理，有效地控制GaN外延层厚度分布来调节应力梯度分布，以便GaN外延层在临界厚度实现自分离的现象。通过调控外延生长参数以实现原位GaN自分离技术，在HVPE中生长同时即可完成GaN自分离，方法简单，操作容易，实用性高。
【专利说明】利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及氮化物基光电器件，尤其是涉及一种利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法。
【背景技术】
[0002]近几年，III族氮化物InN、GaN、AlN作为宽禁带直接半导体而备受关注，而GaN基半导体又因具有优越的热稳定、化学稳定、高导热成为最具开发潜力和发展前景的材料，已经广泛应用于发光二极管、激光器以及光探测器制备材料。经过过去几十年的研究，氮化物材料已取得新的突破，但是目前氮化物薄膜普遍采用异质生长，很大程度上阻碍III族氮化物晶体质量的提高。制备高质量的氮化物外延层成为氮化物基光电器件的关键科学问题和难题之一。
[0003]由于氮化镓基光电器件普遍采用蓝宝石衬底，使得氮化镓与蓝宝石之间存在较大的晶格和热失配，而这些失配很容易导致残余应变，以至于导致了大量的位错，甚至出现了肉眼可见的裂缝与极大的压力场。同时，高位错的氮化镓又制约了制备高晶体质量的AlGaN外延层，这些问题严重制约了(Al)GaN基异质结构质量和性能的进一步快速发展。
[0004]为了克服异质生长所引起的一系列问题，近年来的研究工作报道，通过缓冲层来减少应变，衬底剥离技术(H.Amano, N.Sawaki, 1.Akasaki, and Y.Toyoda, AppliedPhysics Letters48, 353 (1986))、激光剥离技术(中国专利 2005100952458)、湿法化学刻蚀(K.Y.Zang, D.ff.C.Cheong, H.F.Liu, H.Liu, J.H.Teng, and S.J.Chua, NanoscaleResearch Letters5, 1051(2010))以及在条纹晶种侧向外延生长法来分离GaN与蓝宝石或娃衬底以及近来 Kobayashi 和他的同事(Y.Kobayashi, K.Kumakura, T.Akasaka, andT.Makimoto, Nature484, 223 (2012))通过在蓝宝石和GaN之间插入六角BN的微机械分离法来获得分离的GaN，然而以上方法不仅程序复杂，而且也不可避免地给界面带来位错甚至削弱了晶体质量。如何简易获得高质量自支撑的氮化镓成为了技术上的难题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的旨在提供一种利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法。
[0006]本发明包括以下步骤:
[0007]I) GaN层晶的第一性原理方法模拟计算:
[0008]采用基于密度泛函理论的VASP程序包，电子-离子相互作用采用投影缀加波赝势法(PAW)描述，平面波的截断动能取550eV，采用8X8X1的Monkhorst-Pack k点网格方法，计算模型的基本单元由11层原子薄层组成，同时用15 A的真空来保证GaN表面模型上下表面无相互影响，周期性的超晶胞的表面为未吸附原子的情况，保留悬挂键以了解表面
局域电子态的性质，为了确定分离能，定义表面分离能公式
【权利要求】
1.利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法，其特征在于包括以下步骤: DGaN层晶的第一性原理方法模拟计算: 采用基于密度泛函理论的VASP程序包，电子-离子相互作用采用投影缀加波赝势法(PAff)描述，平面波的截断动能取550eV，采用8X8X I的Monkhorst-Pack k点网格方法，计算模型的基本单元由11层原子薄层组成，同时用15 A的真空来保证GaN表面模型上下表面无相互影响，周期性的超晶胞的表面为未吸附原子的情况，保留悬挂键以了解表面局域电子态的性质，为了确定分离能，定义表面分离能公式:
2.如权利要求1所述利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法，其特征在于在步骤2)中，所述净化表面的时间为IOmin。
3.如权利要求1所述利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法，其特征在于在步骤2)中，所述预退火处理的时间为2h。
4.如权利要求1所述利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法，其特征在于在步骤3)中，所述GaN第一缓冲层的厚度为20nm。
5.如权利要求1所述利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法，其特征在于在步骤3)中，所述沉积GaN第二缓冲层是在200Torr低压下沉积GaN第二缓冲层，GaN第二缓冲层的厚度为2 μ m。
6.如权利要求1所述利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法，其特征在于在步骤4)中，所述GaN的厚度为30~500μ m。
7.如权利要求1所述利用应力梯度分离氮化物自支撑衬底的方法，其特征在于在步骤4)中，所述通过HVPE方法在GaN第二缓冲层上生长GaN的具体方法为:首先在隔离的反应器内用氯化氢与镓在920°C下反应生成氯化镓，接着转移至沉积区，沉积区的温度可为1060°C，氨气以脉冲方式通入，周期为40S，流量调节在0.7~1.5slm之间，同时40~60sccm的氯化氢持续供应。
【文档编号】C30B25/02GK103943467SQ201410208201
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】蔡端俊, 林娜, 吴洁君 申请人:厦门大学