專利名稱：一種半導體氮化鎵外延薄膜襯底的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于制備單晶藍寶石支撐的氮化鎵襯底的方法，具體地說，是關(guān)于單晶藍寶 石支撐的準懸浮半導體氮化鎵外延薄膜襯底的制備方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)及摻雜GaN是重要的寬禁帶半導體材料，在光電子器件如藍、白光發(fā) 光二極管(LED)及短波長激光二極管(LD)和功能電子器件等方面有廣泛的應用前 景，它牽涉到難以估計的巨大商業(yè)和軍用市場。目前各國和大企業(yè)均大力開發(fā)以氮化 鎵基半導體薄膜為基礎(chǔ)的器件和應用。半導體氮化鎵光電子器件和功能電子器件需要 使用高品質(zhì)的GaN外延薄膜。為追求高品質(zhì)外延生長，目前制備GaN基半導體薄膜和 器件的最好也是最主要的技術(shù)是金屬有機化合物氣相沉積(M0CVD)方法，其使用的襯 底為藍寶石(A1203)單晶襯底。
為實現(xiàn)高品質(zhì)的外延生長，M0CVD技術(shù)要求GaN半導體薄膜在高溫下生長于六方 結(jié)構(gòu)單晶襯底表面。考慮到所有因素，如晶格結(jié)構(gòu)、熱學與化學穩(wěn)定性、力學及電學 特性等，藍寶石Al203襯底被認為是最適合使用的襯底材料[Phys. Stat. Sol. No. 6 (2003) 1629]。然而，由于藍寶石Al203晶格常數(shù)與GaN晶格常數(shù)有相當大的不同(晶 格失配)，因此外延生長的GaN薄膜中存在有相當高的失配應力和缺陷。再由于藍寶 石&1203單晶襯底與GaN外延薄膜的熱膨脹系數(shù)差別很大，因此在薄膜和器件完成高溫 條件下的外延生長后，在降溫過程中又會引入很大的熱收縮應力。大量缺陷和大的應 力會影響器件的性能和使用壽命，是高品質(zhì)器件和工藝必須要設(shè)法減小和解決的問題。 如果使用GaN單晶體作為襯底材料將不會出現(xiàn)由于襯底和外延薄膜晶格失配及熱膨脹 系數(shù)差別帶來的缺陷和應力。在相同的工藝制備技術(shù)條件下，使用GaN單晶體作為襯底， 可以使器件(如藍、白光LED，短波長LD和GaN功率電子器件)具有更好的性能和更長的 壽命。因此，各國和各大企業(yè)均關(guān)注GaN單晶的制備和將其作為襯底使用可能性的前期研 究工作。
目前有兩種技術(shù)在發(fā)展， 一種是氮氣與金屬鎵在高溫高壓下直接反應合成GaN單晶， 另一種是氫化物氣相外延生長在藍寶石八1203單晶襯底上快速制備大尺寸GaN厚膜。直接反 應合成GaN單晶雖然可以使用助溶劑降低生長溫度，但難以獲得大尺寸晶體。同時考慮到制造成本，反應合成GaN單晶作為襯底使用在商業(yè)方面也不是短期需要考慮的方向。氫化 物氣相外延可以快速生長大尺寸GaN厚膜。如果在達到一定厚度(比如20微米)后利用 紫外激光束照射GaN外延薄膜使之分解并與襯底發(fā)生無損傷剝離，有多篇文獻進行了描述 (如APPLIED PHYSICS LETTERS 72， 599 (1998) ; APPLIED PHYSICS LETTERS 77, 1819 (2000); APPLIED PHYSICS LETTERS 84， 2757 (2004); APPLIED PHYSICS LETTERS ，86， 52108 (2005)),但該技術(shù)存在兩方面的基本瓶頸問題1)在藍寶石AIA單晶襯底上外延生長 的GaN厚膜由于前面討論的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差別而存在相當高的應力缺陷；2)即 使達到一定厚度(比如20微米)的GaN厚膜，其作為襯底使用在后繼工藝中的力學穩(wěn)定 性仍然是不足夠的。在這樣的技術(shù)背景下，如何解決目前GaN基半導體器件制備中遇到的 瓶頸問題，進一步減小已經(jīng)完成或部分完成的器件的內(nèi)部外延應力和缺陷密度，是目前本 領(lǐng)域研究的難點和熱點。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種半導體氮化鎵外延薄膜襯底的制備方法， 制得力學穩(wěn)定性強的半導體氮化鎵外延薄膜襯底，該半導體氮化鎵外延薄膜襯底的外延應 力小、且襯底的內(nèi)部缺陷密度少。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種半導體氮化鎵外延薄膜襯底的制備方法，其步驟包括-
1) 采用紫外激光束由藍寶石襯底處入射，照射藍寶石襯底上的GaN外延薄膜；
2) 調(diào)整激光束能量密度，使照射到GaN外延薄膜上的激光束形成能量密度不同的陣 列圖形；
3) 照射能量密度高的GaN外延薄膜部分與藍寶石襯底發(fā)生無損傷剝離，照射能量密 度低的GaN外延薄膜部分仍然與藍寶石襯底連接，制得準懸浮的半導體氮化鎵外延薄膜襯 底。
上述激光束能量密度高部分的能量密度為大于400毫焦/平方厘米。 上述激光束能量密度低部分的能量密度為小于200毫焦/平方厘米。 上述聚焦微激光束能量密度高的部分與能量比較低的部分的面積比為10: 1。
通過遮擋、聚焦等方法使紫外激光束形成能量密度不同的陣列圖形，該陣列圖形為線 形或圓形等系列圖形。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是利用陣列圖形技術(shù)，采用紫外聚焦激光束得到部分剝離的GaN外延薄膜襯底，制得由 G單晶藍寶石提供力學支撐的大面積準懸浮aN外延薄膜襯底；從而使GaN外延薄膜襯底的 力學支撐仍然由單晶藍寶石提供，其可以有足夠的力學穩(wěn)定性而作為襯底使用在后繼工藝 中。且該準懸浮GaN薄膜襯底的外延應力小、缺陷密度少。進一步將其作為生長GaN外延 薄膜器件的襯底時，可減小GaN外延薄膜器件內(nèi)部的外延應力和缺陷密度。
圖la為使用本發(fā)明技術(shù)得到的由藍寶石襯底提供力學支撐的大面積準懸浮GaN薄膜 示意圖lb為圖la的A-A截面示意圖；其中，l一藍寶石襯底；2—GaN薄膜； 圖lc為圖la的B-B截面示意圖2a為使用線形陣列圖形的聚焦微激光束直接轟擊GaN外延薄膜后的顯微鏡照片； 圖2b為圖2a的局部放大圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述
(1) 使用在藍寶石襯底上外延生長的GaN薄膜；
(2) 使用準分子脈沖紫外激光器(Lambda 203D,激光波長248nm)形成聚焦激光束。 聚焦微激光束形成如附圖la所示的陣列圖形。聚焦微激光束照射在GaN外延薄膜形成正 方形陣列圖形，其中聚焦微激光束能量密度高的部分為圓點，圓點外為能量比較低的部分。
本發(fā)明聚焦微激光束陣列圖形可以通過遮擋、聚焦形成。
(3) 聚焦微激光束由藍寶石襯底方向入射GaN外延薄膜，通過調(diào)整激光束能量密度(約 400毫焦/平方厘米)參考圖lb， A-A截面圖顯示通過調(diào)整激光束能量密度，激光束能 量密度高部分為大于400毫焦/平方厘米的能量密度，使聚焦微激光束照射能量密度高部 分(圓點)的GaN外延薄膜分解并與襯底發(fā)生無損傷剝離。參考圖lc， B-B截面圖，激光 束能量密度低部分為小于200毫焦/平方厘米的能量密度，使圓圈外能量比較低的部分GaN 外延薄膜與藍寶石襯底仍然連接，為準懸浮GaN薄膜提供柱型力學支撐。附圖2為使用線 形陣列圖形的聚焦微激光束直接轟擊GaN外延薄膜襯底后的實驗結(jié)果顯微鏡照片(附圖2b 放大500倍，1 cm = 20微米。其中標尺小格為l mm)。其中聚焦激光束能量密度高的部 分線寬約8微米，能量密度低的部分線寬約2微米，不同能量密度成線形分布。顯微鏡照片顯示了分解區(qū)和未分解區(qū)呈現(xiàn)出的線形陣列圖形(線間距約10微米)。其中暗和黑區(qū) 域為分解的GaN區(qū)域(約8微米寬)，是由于分解出的金屬Ga不透光造成的。沒有分解 的GaN薄膜呈現(xiàn)淺顏色(約卜2微米)。沒有分解的GaN仍然與藍寶石襯底連接。原子力 顯微鏡實驗顯示，分解刻蝕區(qū)與無損傷區(qū)高度差約幾十納米。顯微鏡照片的暗和黑區(qū)域是 于GaN。
本發(fā)明也可利用移動藍寶石襯底與激光束掃描等方法使被照射部分形成大面積線形 圖形而得到大面積準懸浮GaN薄膜襯底；
本發(fā)明可進一步通過合適的后處理工藝，減小準懸浮GaN外延薄膜襯底的應力以及降 低缺陷密度。
以上通過詳細實施例描述了本發(fā)明所提供的GaN薄膜襯底制備方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員應當理解，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明做一定的變形或修改；其制備 方法也不限于實施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種半導體氮化鎵外延薄膜襯底的制備方法，其步驟包括1)采用紫外激光束由藍寶石襯底處入射，照射藍寶石襯底上的GaN外延薄膜；2)調(diào)整激光束能量密度，使照射到GaN外延薄膜上的激光束形成能量密度不同的陣列圖形；3)照射能量密度高的GaN外延薄膜部分與藍寶石襯底發(fā)生無損傷剝離，照射能量密度低的GaN外延薄膜部分仍然與藍寶石襯底連接，制得準懸浮的半導體氮化鎵外延薄膜襯底。
2、 如權(quán)利要求1所述的半導體氮化鎵外延薄膜襯底的制備方法，其特征在于，上述 激光束能量密度高部分為大于400毫焦/平方厘米的能量密度。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的半導體氮化鎵外延薄膜襯底的制備方法，其特征在于， 上述激光束能量密度低部分為小于200毫焦/平方厘米的能量密度。
4、 如權(quán)利要求1所述的半導體氮化鎵外延薄膜襯底的制備方法，其特征在于，上述 聚焦微激光束能量密度高的部分與能量比較低的部分的面積比為10: 1—1: 1。
5、 如權(quán)利要求1所述的半導體氮化鎵外延薄膜襯底的制備方法，其特征在于，通過 遮擋、聚焦等方法使紫外激光束形成能量密度不同的陣列圖形。
6、 如權(quán)利要求5所述的半導體氮化鎵外延薄膜襯底的制備方法，其特征在于，所述 能量密度不同的陣列圖形為線形或圓形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單晶藍寶石支撐的準懸浮半導體氮化鎵外延薄膜襯底的制備方法，屬于氮化鎵襯底技術(shù)領(lǐng)域，該方法包括采用紫外激光束由藍寶石襯底處入射，照射藍寶石襯底上的GaN外延薄膜；調(diào)整激光束能量密度，使照射到GaN外延薄膜上的激光束形成能量密度不同的陣列圖形；照射能量密度高的GaN外延薄膜部分與藍寶石襯底發(fā)生無損傷剝離，照射能量密度低的GaN外延薄膜部分仍然與藍寶石襯底連接，制得準懸浮的半導體氮化鎵外延薄膜襯底。本發(fā)明制得的GaN外延薄膜襯底的力學支撐仍然由單晶藍寶石提供，其可以有足夠的力學穩(wěn)定性而作為襯底使用在后繼工藝中。且該準懸浮GaN薄膜襯底的外延應力小、缺陷密度少。
文檔編號H01L21/02GK101556914SQ20081010352
公開日2009年10月14日 申請日期2008年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
發(fā)明者康香寧, 張國義, 熊光成, 連貴君 申請人:北京大學