專(zhuān)利名稱(chēng):一種在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域,特別是指ー種利用InGaN插入層和低溫GaN緩沖層作為弱鍵合層使用MOCVD設(shè)備在r面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離a面GaN薄膜的方法。
背景技術(shù):
氮化鎵作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表,可用于制作發(fā)光二極管、激光二極管,高電子遷移率晶體管等光電子器件。由于III族氮化物是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),具有很大的自發(fā)極化和壓電極化,沿C軸有很大的極化電場(chǎng),此電場(chǎng)會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)光器件的復(fù)合效率,發(fā)光波長(zhǎng)也不穩(wěn)定,因此亟待需要非極性面的材料生長(zhǎng)。但得到的非極性面的氮化鎵薄膜中往往存在很高濃度的堆垛層錯(cuò)和位錯(cuò),造成目前氮化鎵非極性面器件還不能達(dá)到應(yīng)有的·要求。文獻(xiàn)中報(bào)道的很多用來(lái)改善c面氮化鎵缺陷的方法應(yīng)用到非極性a面氮化鎵薄膜中的效果并不理想。氮化鎵的單晶生長(zhǎng)困難,價(jià)格昂貴,大規(guī)?;耐|(zhì)外延的生長(zhǎng)目前仍沒(méi)有可能;目前生長(zhǎng)氮化鎵外延膜大多仍采用異質(zhì)外延,所選用的異質(zhì)襯底有Si、碳化硅和藍(lán)寶石。藍(lán)寶石因具有熱穩(wěn)定性好,機(jī)械強(qiáng)度高,不吸收可見(jiàn)光,生長(zhǎng)技術(shù)較為成熟,價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn),目前仍是最適合三族氮化物生長(zhǎng)的襯底。但由于藍(lán)寶石襯底本身的一些劣勢(shì),如,與外延膜晶格失配和熱失配大,硬度高,導(dǎo)電性差,不易集成等,因此,在后續(xù)的エ藝中,藍(lán)寶石的存在是ー個(gè)不容忽視的問(wèn)題?,F(xiàn)在最常用的剝離方法是用激光剝離技術(shù)把藍(lán)寶石襯底以及GaN外延片在緩沖層的位置剝離開(kāi),此方法要精確控制激光波長(zhǎng)以及脈沖時(shí)間,増加了エ藝的難度,也增加了制作成本。
發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題為了克服現(xiàn)有的非極性面氮化鎵缺陷密度高,以及藍(lán)寶石基氮化鎵后續(xù)制作器件エ藝復(fù)雜的不足,本發(fā)明提供了一種采用InGaN插入層和低溫GaN緩沖層作為弱鍵合層在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離a面氮化鎵薄膜的方法,采用該方法能得到質(zhì)量很好的GaN單晶薄膜。( ニ )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供了一種在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的方法,該方法利用MOCVD設(shè)備在r面藍(lán)寶石襯底上以InGaN插入層和GaN低溫緩沖層作為弱鍵合層生長(zhǎng)a面氮化鎵的自剝離薄膜,具體包括以下步驟步驟I :取ー藍(lán)寶石襯底;步驟2 :在MOCVD設(shè)備中通入氨氣,對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行氮化,在其上生成一層氮化層;步驟3:在MOCVD設(shè)備中利用載氣通入銦源、鎵源和氨氣,使得在氮化層上得到InGaN 層;
步驟4 :在MOCVD設(shè)備中利用載氣通入鎵源和氨氣,生長(zhǎng)ー層低溫GaN緩沖層;步驟5 :在MOCVD設(shè)備中利用載氣通入鎵源和氨氣,生長(zhǎng)氮化鎵外延層。上述方案中,步驟I和2中所述藍(lán)寶石襯底為r面藍(lán)寶石襯底。上述方案中,步驟3至5中所述載氣為氮?dú)饣驓錃?。上述方案中,步驟3中所述生長(zhǎng)InGaN時(shí),MOCVD設(shè)備中的生長(zhǎng)溫度設(shè)定為750°C,反應(yīng)室壓強(qiáng)控制在200Torr,銦源和鎵源的載氣流量分別設(shè)定為65SCCM和10SCCM,生長(zhǎng)時(shí)間為12分鐘。上述方案中,步驟4中所述生長(zhǎng)低溫GaN緩沖層吋,MOCVD設(shè)備中的生長(zhǎng)溫度設(shè)定為550°C,反應(yīng)室壓強(qiáng)控制在200Torr,鎵源的載氣流量設(shè)定為20SCCM,生長(zhǎng)時(shí)間為3分鐘,然后升溫到1100°C,并從升溫時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)退火5分鐘。 上述方案中,退火后的LT-GaN/InGaN弱鍵合層的表面形貌為條狀的。上述方案中,步驟5中所述生長(zhǎng)氮化鎵外延層時(shí),MOCVD設(shè)備中的生長(zhǎng)溫度設(shè)定為1100°c,反應(yīng)室壓強(qiáng)控制在50Torr,鎵源載氣流量設(shè)定為20SCCM。上述方案中,步驟5中所述生長(zhǎng)氮化鎵外延層的生長(zhǎng)時(shí)間為60分鐘。上述方案中,步驟5中所述生長(zhǎng)氮化鎵外延層的厚度為I. 2 μ m左右。(三)有益效果本發(fā)明與傳統(tǒng)的緩沖層技木、圖形襯底技術(shù)相比,采用InGaN插入層和低溫GaN層作為弱鍵合層,具有更大的優(yōu)勢(shì)。InGaN在后續(xù)升溫的過(guò)程中會(huì)發(fā)生分解,In釋放出去,在藍(lán)寶石襯底和GaN外延膜之間產(chǎn)生條狀的弱鍵合層(如圖2所示),能夠?qū)崿F(xiàn)GaN的橫向外延生長(zhǎng),外延膜在生長(zhǎng)結(jié)束后的降溫過(guò)程中,弱鍵合層斷裂,實(shí)現(xiàn)了單晶高質(zhì)量GaN薄膜的自剝離。弱鍵合層在生長(zhǎng)過(guò)程中既起到了釋放應(yīng)力,提高晶體質(zhì)量的作用;在降溫的過(guò)程中又促進(jìn)了 GaN外延膜的自動(dòng)剝離。剝離的GaN薄膜和目前市場(chǎng)上的單晶GaN單晶片的顔色一致。與目前最常用的激光剝離技術(shù)相比,此方法由于是在生長(zhǎng)完成后自動(dòng)完成的,所以エ藝更為簡(jiǎn)單,也消除了激光剝離設(shè)備的花費(fèi)。
為進(jìn)ー步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容,以下結(jié)合具體實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的描述,其中圖I是本發(fā)明提供的在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的生長(zhǎng)順序示意圖;圖2是本發(fā)明提供的在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的自剝離氮化鎵薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合具體實(shí)施例,并參照附圖,對(duì)本發(fā)明進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。針對(duì)現(xiàn)在最常用的激光剝離技術(shù)將藍(lán)寶石襯底以及GaN外延片在緩沖層的位置剝離開(kāi)時(shí)要精確控制激光波長(zhǎng)以及脈沖時(shí)間,增加エ藝的難度,也增加的制作成本的問(wèn)題,本發(fā)明提供的a面氮化鎵自剝離方法,在生長(zhǎng)結(jié)束后降溫的過(guò)程中,弱鍵合層會(huì)發(fā)生斷裂,高質(zhì)量的氮化鎵外延膜從藍(lán)寶石襯底上剝離下來(lái),脫離了藍(lán)寶石襯底。弱鍵合層在生長(zhǎng)過(guò)程中起到了釋放應(yīng)力,提高晶體質(zhì)量的作用;在降溫的過(guò)程中又對(duì)GaN外延膜的自動(dòng)剝離起到了關(guān)鍵的作用,此弱鍵合層是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)所在。此發(fā)明對(duì)于GaN厚膜的發(fā)展是很有意義的。如將此發(fā)明與HVPE結(jié)合,將會(huì)生長(zhǎng)出高結(jié)晶質(zhì)量的自剝離氮化鎵厚膜。這將會(huì)是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的又一大突破。本發(fā)明采用以InGaN插入層和低溫GaN緩沖層作為弱鍵合層,此層起到了柔性襯底的作用,不僅對(duì)外延層中的應(yīng)カ起到了很大的釋放作用,晶體質(zhì)量得到了很大的提高,較其他的側(cè)向外延生長(zhǎng)更具有生長(zhǎng)エ藝簡(jiǎn)單,易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的關(guān)鍵在于解決藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量的GaN薄膜以及外延膜剝離的問(wèn)題。生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示,生長(zhǎng)過(guò)程包括以下步驟步驟I :取ー襯底,該襯底為r (1012)面藍(lán)寶石; 步驟2 :在該襯底上通過(guò)MOCVD設(shè)備生長(zhǎng)ー層InGaN插入層,以釋放后續(xù)的外延GaN膜中的應(yīng)力。生長(zhǎng)溫度設(shè)定在750°C,反應(yīng)室壓強(qiáng)控制在200Torr,生長(zhǎng)時(shí)間為12分鐘,銦源,鎵源載氣流量分別設(shè)定為65SCCM,10SCCM,氨氣的流量為3SLM ;步驟3 生長(zhǎng)ー薄層的低溫GaN緩沖層,生長(zhǎng)溫度設(shè)定為550°C,反應(yīng)室壓強(qiáng)控制在200Torr,生長(zhǎng)時(shí)間為3min,鎵源的流量為20SCCM,氨氣的流量為3SLM ;步驟4 :生長(zhǎng)GaN外延層,生長(zhǎng)溫度設(shè)定為1100°C,反應(yīng)室壓強(qiáng)控制在50Torr,生長(zhǎng)時(shí)間為60min,鎵源的流量為20SCCM,氨氣的流量為O. 8SLM。GaN作為新一代寬禁帶半導(dǎo)體光電材料中的優(yōu)秀ー員,如果能成功制備出高質(zhì)量非極性的單晶薄膜,必將會(huì)在光學(xué)器件領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的應(yīng)用前景。然而,目前市場(chǎng)上的GaN單晶的制備價(jià)格都較為昂貴,并不能滿(mǎn)足器件制作的需要,也不能滿(mǎn)足大范圍的同質(zhì)外延生長(zhǎng)。為了解決此問(wèn)題,本發(fā)明中引入了由InGaN插入層和低溫GaN緩沖層組成的弱鍵合層來(lái)實(shí)現(xiàn)GaN外延膜的自剝離,除了生長(zhǎng)成本低,エ藝簡(jiǎn)單之外,本發(fā)明也得到了自剝離的高質(zhì)量非極性a面GaN薄膜。該方法在未來(lái)的實(shí)際生產(chǎn)中必定會(huì)有很大的應(yīng)用價(jià)值。以上所述的具體實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明,所應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的方法,其特征在干,該方法利用MOCVD設(shè)備在r面藍(lán)寶石襯底上以InGaN插入層和GaN低溫緩沖層作為弱鍵合層生長(zhǎng)a面氮化鎵的自剝離薄膜,具體包括 步驟I :取ー藍(lán)寶石襯底; 步驟2 :在MOCVD設(shè)備中通入氨氣,對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行氮化,在其上生成ー層氮化層; 步驟3 :在MOCVD設(shè)備中利用載氣通入銦源、鎵源和氨氣,使得在氮化層上得到InGaN層; 步驟4 :在MOCVD設(shè)備中利用載氣通入鎵源和氨氣,生長(zhǎng)ー層低溫GaN緩沖層; 步驟5 :在MOCVD設(shè)備中利用載氣通入鎵源和氨氣,生長(zhǎng)氮化鎵外延層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的方法,其特征在于,步驟I和2中所述藍(lán)寶石襯底為r面藍(lán)寶石襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的方法,其特征在于,步驟3至5中所述載氣為氮?dú)饣驓錃狻?br>
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的方法,其特征在于,步驟3中所述生長(zhǎng)InGaN時(shí),MOCVD設(shè)備中的生長(zhǎng)溫度設(shè)定為750°C,反應(yīng)室壓強(qiáng)控制在200Torr,銦源和鎵源的載氣流量分別設(shè)定為65SCCM和10SCCM,生長(zhǎng)時(shí)間為12分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的方法,其特征在于,步驟4中所述生長(zhǎng)低溫GaN緩沖層時(shí),MOCVD設(shè)備中的生長(zhǎng)溫度設(shè)定為550°C,反應(yīng)室壓強(qiáng)控制在200Torr,鎵源的載氣流量設(shè)定為20SCCM,生長(zhǎng)時(shí)間為3分鐘,然后升溫到1100°C,并從升溫時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)退火5分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的方法,其特征在于,退火后的LT-GaN/InGaN弱鍵合層的表面形貌為條狀的。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的方法,其特征在于,步驟5中所述生長(zhǎng)氮化鎵外延層時(shí),MOCVD設(shè)備中的生長(zhǎng)溫度設(shè)定為1100°C,反應(yīng)室壓強(qiáng)控制在50Torr,鎵源載氣流量設(shè)定為20SCCM。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的方法,其特征在于,步驟5中所述生長(zhǎng)氮化鎵外延層的生長(zhǎng)時(shí)間為60分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的方法,其特征在于,步驟5中所述生長(zhǎng)氮化鎵外延層的厚度為1.2μπι。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自剝離氮化鎵薄膜的方法,利用MOCVD設(shè)備在r面藍(lán)寶石襯底上以InGaN插入層和GaN低溫緩沖層作為弱鍵合層生長(zhǎng)a面氮化鎵的自剝離薄膜,具體包括取一藍(lán)寶石襯底;在MOCVD設(shè)備中通入氨氣,對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行氮化,在其上生成一層氮化層;在MOCVD設(shè)備中利用載氣通入銦源、鎵源和氨氣,使得在氮化層上得到InGaN層;在MOCVD設(shè)備中利用載氣通入鎵源和氨氣,生長(zhǎng)一層低溫GaN緩沖層;在MOCVD設(shè)備中利用載氣通入鎵源和氨氣,生長(zhǎng)氮化鎵外延層。本發(fā)明以InGaN插入層和低溫GaN緩沖層做弱鍵合層,可以得到高結(jié)晶質(zhì)量的自剝離GaN薄膜。
文檔編號(hào)C30B25/18GK102839417SQ20121032576
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者王建霞, 李志偉, 趙桂娟, 桑玲, 劉長(zhǎng)波, 魏鴻源, 焦春美, 楊少延, 劉祥林, 朱勤生, 王占國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所