專利名稱：一種GaN襯底的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種GaN襯底的制備技術(shù)，屬于光電子器件的制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前廣泛使用的藍寶石或者碳化硅襯底與GaN材料之間的晶格失配和熱失配較大，造成GaN材料及其器件的質(zhì)量下降。利用HVPE、M0CVD或MBE結(jié)合的外延方法制備自支撐GaN或復(fù)合厚膜GaN襯底技術(shù)一直對于GaN大功率LED、激光器等高性能的光電器件等方面都有非常重要的意義。由于藍寶石或碳化硅等襯底與GaN材料有很大的晶格失配和熱失配，GaN襯底的制備一直都受到殘余應(yīng)力大、外延片彎曲甚至開裂的影響而不能得到廣泛應(yīng)用。目前GaN 自支撐襯底中的應(yīng)力控制的辦法主要包括(1)低溫插入層技術(shù)，主要是在生長過程中插入一層低溫的應(yīng)力調(diào)制層，達到緩解應(yīng)力的效果。(2)圖型化襯底的方法利用襯底的圖形，釋放在生長過程帶來的應(yīng)力。(3)側(cè)向外延技術(shù)通過側(cè)向外延，形成狹長的空隙，達到應(yīng)力的釋放。以上所述三種方法，對低溫插入層、側(cè)向外延技術(shù)等工藝的要求較高，過程相對復(fù)雜，容易受到工藝過程的影響而使GaN襯底材料的晶體質(zhì)量受到影響，量產(chǎn)的產(chǎn)率不高，導(dǎo)致現(xiàn)有的GaN襯底還未能商業(yè)化，價格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備GaN自支撐或GaN厚膜襯底的新方法。本發(fā)明提供的制備GaN襯底的方法區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的核心是，在襯底(如Si，藍寶石，SiC等)外延生長表面上形成一過渡層，該過渡層由含有碳納米管的hN、高h組分 InGaN材料或GaAs材料組成，隨后再生長厚膜GaN，從而獲得低成本、高質(zhì)量的厚膜GaN襯底或經(jīng)過去除襯底工藝或自分離工藝得到自支撐GaN襯底。該方法具體包括如下步驟1)在襯底上形成過渡層；所述襯底為可以實現(xiàn)GaN生長的材料，如藍寶石襯底、碳化硅襯底、GaN襯底、Si 襯底、LiAlO2襯底等；或者在藍寶石、碳化硅、GaN、Si, LiAlO2等襯底上生長了厚度為10納米-100微米的GaN、A1N、InN或者三種材料的合金薄膜材料。所述過渡層為碳納米管與化1高h組分InGaN材料或GaAs材料組成。hN、高 In組分InGaN材料或GaAs材料的厚度為10-500納米。具體步驟是在襯底上設(shè)置碳納米管陣列，即依據(jù)鋪設(shè)碳納米管的襯底性質(zhì)，通過沉積一層催化劑層，通入碳源反應(yīng)氣體，利用加熱或者激光照射等辦法生長，或者其他方法形成碳納米管。碳納米管排列的結(jié)構(gòu)和尺寸，可以根據(jù)之后的GaN外延生長以及外延層與襯底分離的需要來確定，首先對不同的襯底材料，根據(jù)晶向以及晶體生長模式，確定不同的納米碳管的排列方式，碳納米管可以為單壁、多壁，也可以鋪設(shè)單層或多層碳納米管，碳納米管的直徑為1-100納米，碳納米管可以有序排列，也可以無規(guī)則排列，規(guī)則排列中，可形成矩形、 六角形、正方形、平行四邊形等任意平面幾何形狀的分布，也可以是金字塔形、六角柱，四面體等立體三維分布，重復(fù)周期10納米-100微米，整體尺度可以根據(jù)需要，在從1微米到6 英寸或者更大的尺寸。在碳納米管陣列上再采用MBE、MOCVD技術(shù)，生長InN或高h組分的InGaN外延層，形成InN或InGaN和碳納米管的結(jié)合。該層在生長厚膜GaN時，具有調(diào)節(jié)與釋放應(yīng)力的作用；同時在厚膜GaN與襯底分離時作為犧牲層。上述hGaN材料也可以是利用M0CVD、 LPE,MBE等技術(shù)生長的GaAs或者InGaAs材料。其中所述MOCVD生長MN或者InGaN包括緩沖層和高溫層總厚度在10納米-600納米，具體厚度根據(jù)需要設(shè)計，其中，MBE生長溫度為380-450度。MOCVD生長緩沖層溫度500-600度，高溫層溫度為900-1100度。2)運用各種外延生長組合技術(shù)在上述過渡層上生長厚膜GaN材料。所述各種外延技術(shù)包括金屬有機化學(xué)氣相沉積法、氫氣物氣相外延、分子束外延或者其他包括改變生長參數(shù)、調(diào)節(jié)生長結(jié)構(gòu)等技術(shù)的組合，如先在金屬有機化學(xué)氣相沉積法或者分子束外延生長薄膜GaN，再利用氫氣物氣相外延快速生長厚膜GaN。薄膜GaN的厚度可以在50納米-500微米；厚膜GaN的厚度可以在2微米-10毫米。其中所述MOCVD生長高溫GaN外延層的溫度范圍在900-1200度，壓力在100_450Torr。其中所述HVPE快速生長溫度范圍在600-1100度，壓力范圍為250-700Torr。其中所述MBE生長的GaN溫度為 700-900度。在上述的生長過程中，均可結(jié)合各種不同生長參數(shù)組合的生長模式轉(zhuǎn)化的方法。如不同時期采用不同的反應(yīng)室溫度、壓力、氣體流量等。3)對上述制備好的厚膜GaN層襯底進行機械拋光等工藝，降低表面粗糙度?；?，采用分離技術(shù)，將上述厚膜GaN層剝離，并進行切割、機械研磨和化學(xué)拋光，形成自支撐GaN襯底。襯底分離技術(shù)具體為激光剝離技術(shù)、機械研磨、化學(xué)腐蝕、加熱處理或自分離技術(shù)。激光剝離技術(shù)可采用紅外激光器、紅光激光器或者準分子激光器(如KrF激光器)、固體紫外激光器(如YAG激光器)對2)中所制備的厚膜GaN照射實現(xiàn)分離；機械研磨可對原有襯底進行掩膜，得到我們需要的自支撐GaN襯底；加熱處理，可采用500-750 度加熱分解過渡層等。自分離技術(shù)利用在生長過程中厚膜GaN的應(yīng)力調(diào)整，自行和原有襯底分離實現(xiàn)自支撐GaN襯底。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下技術(shù)優(yōu)點和效果選用InN或者高h組分的InGaN材料與碳納米管形成過渡層可以有效地通過 InGaN中h的組分、高度或者其他生長參數(shù)來控制高溫GaN層的應(yīng)力，利于厚膜自支撐GaN 的分離，實現(xiàn)自支撐GaN襯底，且納米碳管結(jié)構(gòu)具有控制應(yīng)力釋放的時間、程度以及外延層的厚度等特點，高組分的hGaN及^iN材料對于激光有更強烈的吸收，并且可以使用可見光激光器(如625nm紅光激光器)或紅外激光器進行激光剝離，而GaN材料對于可見光是透明的，這樣可以有效的降低激光剝離對于GaN的破壞；其次，可以采用熱處理的方式對過渡層加熱，溫度控制在500-750度之間，GaN的分解溫度在> 1000度，低溫的熱處理也不會造成對GaN的破壞。本發(fā)明制備方便，工藝條件相對簡單且更易控制，價格低廉，可以選擇不同的襯底，可支持多種襯底分離技術(shù)，實現(xiàn)GaN的自支撐襯底制備。


附圖為本發(fā)明實施例制備GaN自支撐襯底的流程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合通過實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。實施例一 c面自支撐GaN襯底的制備，如附圖所示1)襯底可為藍寶石、碳化硅、Si等襯底，或是在藍寶石、碳化硅、Si等襯底上已生長的GaN、A1N、InN或其他三族氮化物材料薄膜。在襯底上平行排列納米碳管，排列方式為沿生長平面的平行排列，排列的方式可以是等周期，或周期無序的結(jié)構(gòu)，納米碳管可為單根納米碳管，也可為一簇納米碳管，為單層或多層等各種形式。本實施例選用c面的藍寶石襯底，選用等周期沿襯底參考邊垂直方向排列的單層納米碳管；納米碳管的直徑為1-100納米，本實施例采用5納米；周期為1-100微米，優(yōu)選1-10微米，本實施例采用2微米；2)使用MBE生長技術(shù)生長hNM料，形成碳納米管與hN的過渡層，InN材料的總厚度在10納米-500納米，本實施例中采用100納米。MBE生長溫度為380-450度，本實施例中采用400度。3)使用MOCVD生長技術(shù)生長GaN材料。本實施例中生長GaN厚度為6微米。其生長過程在以氮氣和氫氣為載氣的條件下進行。首先是在400-600度經(jīng)過大約 30秒-2分鐘的氨氣氮化處理，而后在高溫條件下生長2-15微米的高溫GaN外延層。高溫 GaN外延層的溫度范圍在900-1200度，壓力在100_500Torr。在本實施例中，由于選用c面藍寶石襯底，研究表明6微米的GaN外延層是比較優(yōu)化的選擇。在其他的條件下該步GaN 外延層厚度是由襯底晶向、生長條件、目標參數(shù)等綜合決定。4)將MOCVD生長的6微米GaN外延片放入HVPE中快速生長厚膜GaN?？偤穸仍?300微米以上。本實施例采用1毫米。HVPE快速生長溫度范圍在600-1100度，壓力范圍為 250-700Torro5)為了進一步獲得自支撐的GaN襯底材料，將生長完的在藍寶石上的厚膜GaN材料進行激光剝離、機械研磨、加熱處理或化學(xué)腐蝕。所述激光剝離可采用紅外激光器，也可用紅光激光器。過渡層吸收激光產(chǎn)生的大量熱量，在界面附近處高溫分解，再用稀鹽酸適當清洗，即可分離藍寶石襯底和GaN層。所述機械研磨可采用普通機械方法，把藍寶石從背面開始研磨，最終得到自支撐的GaN襯底。所述加熱處理，可采用500-750度加熱，MBE低溫生長的InN與碳納米管形成的過渡層，在500-750度時熱分解，同時500-750度的溫度不會對高溫GaN產(chǎn)生影響。所述化學(xué)腐蝕辦法，可利用磷酸、硫酸、氫氧化鈉等對藍寶石襯底有腐蝕作用的溶液進行襯底的腐蝕，從而達到去除襯底的效果。6)對獲得的自支撐GaN材料，進行切割、機械和化學(xué)拋光等表面處理工藝，獲得 250微米-800微米厚度的GaN襯底。實施例二 c面GaN厚膜襯底的制備1)襯底為藍寶石、碳化硅、Si等襯底，或是在藍寶石、碳化硅、Si等襯底上已生長的GaN、AlN、InN或其他三族氮化物材料薄膜；選用等周期沿襯底參考邊垂直方向排列的單層納米碳管；納米碳管的直徑為1-100納米，本實施例采用5納米；周期為1-100微米，優(yōu)選 1-10微米，本實施例采用2微米；
2)使用MBE生長技術(shù)生長Ina9G^llN材料，組成碳納米管與Ina9GiiaiN過渡層。 Ina9GEiaiN材料的厚度在10納米-500納米，本實施例中采用100納米。MBE生長溫度為 400-450度，本實施例中采用420度。3)使用MOCVD生長技術(shù)生長GaN材料。本實施例中生長GaN厚度為6微米。其生長過程在以氮氣和氫氣為載氣的條件下進行。首先是在400-600度經(jīng)過大約 30秒-2分鐘的氨氣氮化處理，而后在高溫條件下生長2-15微米的高溫GaN外延層。高溫 GaN外延層的溫度范圍在900-1200度，壓力在100_500Torr。在本實施例中，由于選用c面藍寶石襯底，研究表明6微米的GaN外延層是比較優(yōu)化的選擇。在其他的條件下該步GaN 外延層厚度是由襯底晶向、生長條件、目標參數(shù)等綜合決定。4)將MOCVD生長的6微米GaN外延片放入HVPE中快速生長厚膜GaN。生長層厚度在10-300微米。本實施例生長200微米。HVPE快速生長溫度范圍在600-1100度，壓力范圍為 250-70(ΧΓοη·。5) GaN生長層表面平滑的情況下，可直接得到GaN模板襯底，隨后進行化學(xué)、機械拋光等步驟，獲得表面光滑的含有原生長襯底的GaN復(fù)合襯底。實施例三非極性a面自支撐GaN或厚膜復(fù)合襯底的制備1)襯底為r面藍寶石、碳化硅、Si等襯底，或是在藍寶石、碳化硅、Si等襯底上已生長的GaN、A1N、InN或其他三族氮化物材料薄膜；碳納米管排列方式為沿生長平面的平行排列，排列的方式可以是等周期，或周期無序的結(jié)構(gòu)，納米碳管可為單根納米碳管，也可為一簇納米碳管等各種形式本實施例選用r面藍寶石襯底，選用等周期沿襯底參考邊垂直方向排列的單層納米碳管；納米碳管的直徑為1-100納米，本實施例采用5納米；周期為 1-100微米，優(yōu)選1-10微米，本實施例采用2微米；2)使用MBE生長技術(shù)生長InN材料，組成碳納米管與hN的過渡層。InN材料的厚度總厚度在10納米-500納米，本實施例中采用100納米。MBE生長溫度為380-450度， 本實施例中采用400度。3)使用MOCVD生長技術(shù)生長GaN材料。本實施例中生長GaN厚度為6微米。其生長過程在以氮氣和氫氣為載氣的條件下進行。首先是在400-600度經(jīng)過大約 30秒-2分鐘的氨氣氮化處理，而后在高溫條件下生長2-15微米的高溫GaN外延層。高溫 GaN外延層的溫度范圍在1040-1200度，壓力在75-15(yTorr。在本實施例中，由于選用r面藍寶石襯底，研究表明6微米的GaN外延層是比較優(yōu)化的選擇。在其他的條件下該步GaN 外延層厚度是由襯底晶向、生長條件、目標參數(shù)等綜合決定。4)將MOCVD生長的6微米GaN外延片放入HVPE中快速生長a面厚膜GaN。生長層厚度在10微米以上。本實施例采用200微米和1毫米，分別用于制備a面復(fù)合襯底和自支撐襯底。HVPE快速生長溫度范圍在1020-1150度，壓力范圍為75-20(yTorr。對于生長層厚度較薄的200微米GaN，表面平滑的情況下，可直接得到GaN模板襯底，隨后進行化學(xué)、機械拋光等步驟，獲得表面光滑的含有原生長襯底的a面GaN復(fù)合襯底。5)為了進一步獲得自支撐的GaN襯底材料，將生長完的在藍寶石上的厚膜GaN材料進行激光剝離、機械研磨、加熱處理或化學(xué)腐蝕。所述激光剝離可采用紅外激光器，也可用紅光激光器。過渡層吸收激光產(chǎn)生的大量熱量，在界面附近處高溫分解，再用稀鹽酸適當清洗，即可分離藍寶石襯底和GaN層。所述機械研磨可采用普通機械方法，把藍寶石從背面開始研磨，最終得到自支撐的GaN襯底。所述加熱處理，可采用500-750度加熱，MBE低溫生長的InN與碳納米管形成的過渡層，在500-750度時熱分解，同時低溫不會對高溫GaN產(chǎn)生影響。所述化學(xué)腐蝕辦法，可利用磷酸、硫酸、氫氧化鈉等對藍寶石襯底有腐蝕作用的溶液進行襯底的腐蝕，從而達到去除襯底的效果。6)對獲得的自支撐非極性a面GaN材料，進行切割、機械和化學(xué)拋光等表面處理工藝，獲得250微米-800微米厚度的GaN襯底。實施例四、非極性m面自支撐GaN或厚膜復(fù)合襯底的制備1)襯底可為Y-LiAlO2、碳化硅、Si等襯底，或是在碳化硅、Si、Y -LiAlO2等襯底上已生長的GaN、AlN、InN或其他三族氮化物材料薄膜；碳納米管排列方式為沿生長平面的平行排列，排列的方式可以是等周期，或周期無序的結(jié)構(gòu)，納米碳管可為單根納米碳管，也可為一簇納米碳管等各種形式本實施例選用m方向SiC襯底。選用等周期沿襯底參考邊垂直方向排列的單層納米碳管；納米碳管的直徑為1-100納米，本實施例采用5納米；周期為1-100微米，優(yōu)選1-10微米，本實施例采用2微米；2)使用MBE生長技術(shù)生長InN材料，組成碳納米管與hN的過渡層。InN材料的厚度總厚度在10納米-500納米，本實施例中采用100納米。溫度為380-450度，本實施例中采用400度。3)使用MOCVD生長技術(shù)生長GaN材料。本實施例中生長GaN厚度為6微米。其生長過程在以氮氣和氫氣為載氣的條件下進行。首先是在400-600度經(jīng)過大約 30秒-2分鐘的氨氣氮化處理，而后在高溫條件下生長2-15微米的高溫GaN外延層。高溫 GaN外延層的溫度范圍在900-1200度，壓力在100_450Torr。4)將MOCVD生長的GaN外延片放入HVPE中快速生長m面厚膜GaN?？偤穸仍?0 微米以上。本實施例采用200微米和1毫米，分別用于制備a面復(fù)合襯底和自支撐襯底。 HVPE快速生長溫度范圍在1020-1100度，壓力范圍為75-30(yTOrr。對于生長層厚度200微米，GaN生長層表面平滑的情況下，可直接得到GaN模板襯底，隨后進行化學(xué)、機械拋光等步驟，獲得表面光滑含有原生長襯底的GaN復(fù)合襯底。5)為了進一步獲得自支撐的GaN襯底材料，將生長完的在藍寶石上的厚膜GaN材料進行機械研磨、加熱處理或化學(xué)腐蝕。所述機械研磨可采用普通機械方法，把藍寶石從背面開始研磨，最終得到自支撐的GaN襯底。所述加熱處理，可采用500-750度加熱，MBE低溫生長的InN與碳納米管形成的過渡層，在500-750度時熱分解，同時低溫不會對高溫GaN 產(chǎn)生影響。。所述化學(xué)腐蝕辦法，可利用磷酸、硫酸、氫氧化鈉等對SiC襯底有腐蝕作用的溶液進行襯底的腐蝕，從而達到去除襯底的效果。6)對獲得的自支撐GaN材料，進行切割、機械和化學(xué)拋光等表面處理工藝，獲得 250微米-800微米厚度的m面自支撐GaN襯底。上面描述的實施例并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的變換和修改，因此本發(fā)明的保護范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種GaN襯底的制備方法，其步驟包括1)在襯底上生長一過渡層，該過渡層為含有碳納米管的hN、高h組分InGaNUnGaAs 或feiAs材料；2)外延生長厚膜GaN材料，形成厚膜GaN襯底或進行GaN剝離，形成自支撐GaN襯底。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1)中，所述襯底為藍寶石襯底、 碳化硅襯底、GaN襯底、Si襯底、LiAlO2襯底；或者在藍寶石、碳化硅、GaN, Si、LiAlO2等襯底上生長厚度為10納米-100微米的GaN、A1N、InN或者三者的合金薄膜材料。
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1)具體為首先在襯底上設(shè)置碳納米管陣列，隨后在碳納米管陣列上生長hN、高h組分InGaN材料、InGaAs或GaAs材料。
4.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，在襯底上沉積一層催化劑層，通入碳源反應(yīng)氣體，利用加熱或者激光照射等辦法生長碳納米管陣列。
5.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，利用MBE、M0CVD技術(shù)，生長InN或高h 組分的hfeiN外延層，或利用MOCVD、LPE、MBE等技術(shù)生長的GaAs或者InGaAs。
6.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述過渡層的厚度為10-500納米。
7.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中，外延生長手段包括金屬有機化學(xué)氣相沉積法、氫氣物氣相外延、分子束外延或者各種外延手段的組合。
8.如權(quán)利要7所述的制備方法，其特征在于，外延生長步驟包括先采用金屬有機化學(xué)氣相沉積法或者分子束外延生長薄膜GaN，再利用氫氣物氣相外延快速生長厚膜GaN。
9.如權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述薄膜GaN的厚度在50納米-500微米之間；厚膜GaN的厚度是2微米-10毫米。
10.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中，所述剝離手段為激光剝離、機械研磨、化學(xué)腐蝕、加熱分解過渡層，也可以是自分離技術(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種GaN襯底的制備方法，屬于光電子器件的制備領(lǐng)域。本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的核心是在襯底(如Si，藍寶石，SiC等)外延生長表面上形成一過渡層，該過渡層為含有碳納米管的InN、高In組分InGaN材料或GaAs等材料層，隨后再生長厚膜GaN，獲得厚膜GaN襯底或經(jīng)過去除襯底工藝或自分離工藝得到自支撐GaN襯底。本發(fā)明制備方法簡單、工藝條件易控制、價格低廉，可以選擇不同的襯底，還可支持多種襯底分離技術(shù)。
文檔編號H01L21/20GK102226985SQ20111011743
公開日2011年10月26日 申請日期2011年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月8日
發(fā)明者于彤軍, 吳潔君, 張國義, 楊志堅, 王新強, 賈傳宇, 龍浩 申請人:北京大學(xué)