本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種自支撐氮化鎵層及其制備方法。

背景技術(shù)：

第三代半導(dǎo)體材料由于能量禁帶一般大于3.0電子伏，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體。相比于傳統(tǒng)的硅基和砷化鎵基半導(dǎo)體材料，寬禁帶半導(dǎo)體(例如碳化硅、氮化鎵、氮化鋁及氮化銦等)由于具有特有的禁帶范圍、優(yōu)良的光、電學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的材料性能，能夠滿足大功率、高溫高頻和高速半導(dǎo)體器件的工作要求，在汽車及航空工業(yè)、醫(yī)療、通訊、軍事、普通照明及特殊條件下工作的半導(dǎo)體器件等方面具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

氮化鎵作為典型的第三代半導(dǎo)體材料，具有直接帶隙寬、熱導(dǎo)率高等優(yōu)異性能而受到廣泛關(guān)注。氮化鎵相較于第一代和第二代半導(dǎo)體材料除了具有更寬的禁帶(在室溫下其禁帶寬度為3.4ev)，可以發(fā)射波長(zhǎng)較短的藍(lán)光，其還具有高擊穿電壓、高電子遷移率、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫及耐腐蝕等特點(diǎn)。因此，氮化鎵非常適合用于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件以及藍(lán)、綠光和紫外光電子器件。目前，氮化鎵半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用已成為全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)。

然而，目前氮化鎵的單晶生長(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，氮化鎵的生長(zhǎng)大多仍采用異質(zhì)外延，所選用的異質(zhì)襯底有硅襯底、碳化硅襯底和藍(lán)寶石襯底；在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)氮化鎵會(huì)帶來(lái)晶格適配和熱適配導(dǎo)致器件中存在殘余應(yīng)力影響其性能。為了進(jìn)一步提高器件性能，需要將氮化鎵從異質(zhì)襯底上剝離以得到自支撐氮化鎵層。

目前所采用的剝離工藝主要有激光剝離、自剝離、機(jī)械剝離及化學(xué)腐蝕剝離等。其中，激光剝離技術(shù)常應(yīng)用于分離藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的氮化鎵，但是，激光剝離對(duì)氮化鎵晶體的平整度要求較高，且不易剝離較大尺寸的氮化鎵晶體；自剝離技術(shù)利用熱失配產(chǎn)生的應(yīng)力作用于外延氮化鎵晶體與異質(zhì)襯底的特定連接處使得外延層和模板斷裂分離，但是，現(xiàn)有的自剝離的過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力往往會(huì)造成氮化鎵外延層的破裂，或者外延層無(wú)法剝離，自剝離技術(shù)對(duì)氮化鎵晶體的生長(zhǎng)工藝、圖形化襯底的設(shè)計(jì)及制作要求較高，自剝離獲得完整的氮化鎵晶體成品率較低；機(jī)械剝離是使用機(jī)械研磨切削除去異質(zhì)襯底，但是，機(jī)械剝離適用于硬度較低且易碎的異質(zhì)襯底；化學(xué)腐蝕剝離應(yīng)用能除去異質(zhì)襯底且不易腐蝕氮化鎵的化學(xué)試劑除去背部的異質(zhì)襯底，化學(xué)剝離要求異質(zhì)襯底的熱穩(wěn)定好且易于腐蝕。由上可知，激光剝離工藝、機(jī)械剝離工藝及化學(xué)腐蝕剝離工藝均需在氮化鎵生長(zhǎng)過(guò)程完成之后執(zhí)行額外的剝離工藝，增加了工藝步驟及工藝復(fù)雜程度，從而增加了成本，同時(shí)，激光剝離工藝、機(jī)械剝離工藝及化學(xué)腐蝕剝離工藝對(duì)異質(zhì)襯底均有苛刻的要求，普適性較差；現(xiàn)有的自剝離工藝雖然可以實(shí)現(xiàn)異質(zhì)襯底與氮化鎵的自剝離，但剝離過(guò)程中會(huì)對(duì)氮化鎵的質(zhì)量造成影響，成品率較低。

因此，如何改進(jìn)自支撐氮化鎵層及其制備方法，以避免上述缺陷的發(fā)生，是亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種自支撐氮化鎵層及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中剝離工藝所存在的種種問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種自支撐氮化鎵層的制備方法，其中，所述自支撐氮化鎵層的制備方法至少包括如下步驟：

提供一襯底；

于所述襯底上形成氮化鎵外延層；采用激光刻蝕所述氮化鎵外延層形成圖形化氮化鎵外延層，其中，所述圖形化氮化鎵外延層具有若干個(gè)圖形開(kāi)口；

于所述圖形化氮化鎵外延層上形成與所述圖形開(kāi)口相對(duì)應(yīng)的圖形化掩膜層，其中，所述圖形化掩膜層覆蓋所述圖形開(kāi)口的底部和側(cè)壁；

進(jìn)行熱生長(zhǎng)，使所述圖形化氮化鎵外延層生長(zhǎng)，于所述圖形化掩膜層上方形成氮化鎵層，其中，所述氮化鎵層與所述圖形化掩膜層之間形成有若干個(gè)孔洞；剝離所述氮化鎵層，以得到所述自支撐氮化鎵層。

優(yōu)選地，所述氮化鎵外延層的激光刻蝕深度為大于等于所述氮化鎵外延層的厚度的一半，且小于等于所述氮化鎵外延層的厚度。

優(yōu)選地，所述氮化鎵外延層的激光刻蝕圖形為條狀或者點(diǎn)狀，所述圖形開(kāi)口的寬度為10μm～100μm，相鄰兩個(gè)圖形開(kāi)口的間距為10μm～100μm。

優(yōu)選地，所述氮化鎵外延層的激光刻蝕深度和激光刻蝕圖形通過(guò)調(diào)節(jié)激光束的波長(zhǎng)、光斑大小、能量密度以及激光刻蝕時(shí)間來(lái)進(jìn)行控制；其中，所述激光束的波長(zhǎng)為220nm～248nm，所述激光束的能量密度為大于等于400mj/cm²。

優(yōu)選地，所述自支撐氮化鎵層的制備方法還包括如下步驟：

在采用激光刻蝕所述氮化鎵外延層形成圖形化氮化鎵外延層之后，清洗所述圖形化氮化鎵外延層。

優(yōu)選地，清洗所述圖形化氮化鎵外延層，具體方法為：

采用酸性溶液對(duì)所述圖形化氮化鎵外延層進(jìn)行第一次清洗；

采樣去離子水對(duì)所述圖形化氮化鎵外延層進(jìn)行第二次清洗；

采用氮?dú)夥諊蹈伤鰣D形化氮化鎵外延層。

優(yōu)選地，進(jìn)行熱生長(zhǎng)，使所述圖形化氮化鎵外延層生長(zhǎng)，于所述圖形化掩膜層上方形成氮化鎵層，具體方法為：

設(shè)置熱生長(zhǎng)條件，進(jìn)行第一層熱生長(zhǎng)，使所述圖形化氮化鎵外延層作為籽晶層成核并生長(zhǎng)晶體，隨后通過(guò)側(cè)向生長(zhǎng)在所述圖形化掩膜層上方聚合，以得到氮化鎵緩沖層，其中，所述氮化鎵緩沖層與所述圖形化掩膜層之間形成有若干個(gè)孔洞；

調(diào)節(jié)熱生長(zhǎng)條件，進(jìn)行第二層熱生長(zhǎng)，且第二層熱生長(zhǎng)的生長(zhǎng)速率高于第一層熱生長(zhǎng)的生長(zhǎng)速率，以在所述氮化鎵緩沖層上繼續(xù)生長(zhǎng)氮化鎵厚膜，從而得到所述氮化鎵層。

優(yōu)選地，所述氮化鎵緩沖層為低溫氮化鎵緩沖層、低壓氮化鎵緩沖層或高五三比氮化鎵緩沖層中的一種或兩種的疊加；其中，所述低溫氮化鎵緩沖層的生長(zhǎng)溫度為800℃～1000℃，所述低壓氮化鎵緩沖層的生長(zhǎng)壓力為30torr～600torr，所述高五三比氮化鎵緩沖層的五三比為10～200。

優(yōu)選地，進(jìn)行熱生長(zhǎng)，使所述圖形化氮化鎵外延層生長(zhǎng)，于所述圖形化掩膜層上方形成氮化鎵層，具體方法為：

多次調(diào)節(jié)熱生長(zhǎng)條件，進(jìn)行多層熱生長(zhǎng)，且后一層熱生長(zhǎng)的生長(zhǎng)速率高于前一層熱生長(zhǎng)的生長(zhǎng)速率，以使所述圖形化氮化鎵外延層生長(zhǎng)，在所述圖形化掩膜層上方生長(zhǎng)多層氮化鎵薄膜，從而得到所述氮化鎵層，其中，所述氮化鎵層與所述圖形化掩膜層之間形成有若干個(gè)孔洞。

在進(jìn)行熱生長(zhǎng)時(shí)，熱生長(zhǎng)條件包括：熱生長(zhǎng)環(huán)境中通入氨氣或者氨氣與載氣的混合氣體，生長(zhǎng)溫度為900℃～1100℃，生長(zhǎng)壓力為1torr～400torr，五三比為5～600，氨氣的流量為10sccm～50slm，其中，所述載氣包括氮?dú)狻錃?、氦氣或者氬氣中的至少一種。

優(yōu)選地，剝離所述氮化鎵層，以得到所述自支撐氮化鎵層，具體方法為：

在形成氮化鎵層后，進(jìn)行降溫，將溫度自然降至室溫或者以5℃/min～30℃/min的降溫速率降至室溫，從而使所述氮化鎵層自所述圖形化氮化鎵外延層與所述孔洞相間的圖形柱處自動(dòng)剝離，以得到所述自支撐氮化鎵層。

優(yōu)選地，所述圖形化掩膜層采用鉻、銅、鈦、鎢、鎳或者二氧化硅中的任一種材料。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種自支撐氮化鎵層，其中，所述自支撐氮化鎵層采用如上所述的自支撐氮化鎵層的制備方法制備得到。

如上所述，本發(fā)明的自支撐氮化鎵層及其制備方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明通過(guò)在襯底上形成氮化鎵外延層，并采用激光刻蝕氮化鎵外延層形成圖形化氮化鎵外延層，接著形成與圖形化氮化鎵外延層的圖形開(kāi)口相對(duì)應(yīng)的圖形化掩膜層，且圖形化掩膜層覆蓋圖形開(kāi)口的底部和側(cè)壁，隨后進(jìn)行熱生長(zhǎng)，使圖形化氮化鎵外延層生長(zhǎng)，在圖形化掩膜層上方形成氮化鎵層，最后剝離氮化鎵層，得到自支撐氮化鎵層；本發(fā)明對(duì)制備工藝要求較低，能夠使氮化鎵層從襯底上自動(dòng)剝離，從而實(shí)現(xiàn)氮化鎵層的快速自剝離，且自剝離過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力不會(huì)對(duì)氮化鎵層造成影響，能夠獲得高成品率的自支撐氮化鎵層。

另外，本發(fā)明在襯底上形成氮化鎵外延層，氮化鎵外延層可以同時(shí)作為后續(xù)刻蝕工藝的刻蝕層和后續(xù)氮化鎵生長(zhǎng)工藝的籽晶層，簡(jiǎn)化了工藝，節(jié)約了材料。同時(shí)，本發(fā)明采用激光刻蝕氮化鎵外延層，由于激光束從氮化鎵外延層的上表面垂直向下刻蝕，從而能夠得到圖形垂直度更好的圖形化氮化鎵外延層，且由于不采用化學(xué)試劑，不會(huì)造成圖形化氮化鎵外延層被化學(xué)試劑腐蝕，從而提高了圖形化氮化鎵外延層的質(zhì)量，作為后續(xù)氮化鎵生長(zhǎng)工藝的籽晶層，進(jìn)而提高了氮化鎵層的生長(zhǎng)質(zhì)量。同時(shí)，本發(fā)明在形成氮化鎵層的過(guò)程中，圖形化氮化鎵外延層作為籽晶層成核并生長(zhǎng)晶體，隨后通過(guò)側(cè)向生長(zhǎng)在圖形化掩膜層上方聚合，最終形成表面光滑的氮化鎵層，而由于圖形化掩膜層僅覆蓋圖形開(kāi)口的底部和側(cè)壁，因而在圖形化掩膜層和氮化鎵層之間會(huì)形成孔洞，孔洞不僅可以釋放隨后生長(zhǎng)的氮化鎵層晶格間的應(yīng)力，進(jìn)一步提高氮化鎵層的生長(zhǎng)質(zhì)量，還有助于實(shí)現(xiàn)后續(xù)剝離工藝中氮化鎵層的自剝離。

附圖說(shuō)明

圖1顯示為本發(fā)明第一實(shí)施方式的自支撐氮化鎵層的制備方法的流程示意圖。

圖2～圖8顯示為本發(fā)明第一實(shí)施方式的自支撐氮化鎵層的制備方法中各步驟的具體結(jié)構(gòu)示意圖。

元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明

100襯底

200氮化鎵外延層

201圖形化氮化鎵外延層

202圖形開(kāi)口

300圖形化掩膜層

400氮化鎵層

401孔洞

402自支撐氮化鎵層

s1～s6步驟

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

請(qǐng)參閱圖1～圖8，本發(fā)明的第一實(shí)施方式涉及一種自支撐氮化鎵層的制備方法。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施方式中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

如圖1所示，本實(shí)施方式的自支撐氮化鎵層402的制備方法至少包括如下步驟：

步驟s1，提供一襯底100，請(qǐng)參閱圖2。

作為示例，襯底100可以為硅襯底100、藍(lán)寶石襯底100、碳化硅襯底100、砷化鎵襯底100或者氮化鎵襯底100中的任一種。

步驟s2，于襯底100上形成氮化鎵外延層200，請(qǐng)參閱圖3。

作為示例，氮化鎵外延層200可以為低溫氮化鎵層、摻雜氮化鎵層或者不同切面(offcut)的氮化鎵層，請(qǐng)對(duì)offcut做具體定義。其中，低溫氮化鎵層的生長(zhǎng)溫度為800℃～1000℃，摻雜氮化鎵層所摻雜的元素包括鐵、硫、硅、碲、氧或碳中的至少一種。

作為示例，氮化鎵外延層200的厚度為0.5μm～10μm。優(yōu)選地，氮化鎵外延層200的厚度為1μm～9μm，例如：2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm或者8μm。

作為示例，氮化鎵外延層200采用mocvd工藝或氨熱法形成于襯底100上。需要說(shuō)明的是，采用mocvd工藝或氨熱法形成氮化鎵外延層200的工藝為本領(lǐng)域人員所熟知，此處不再累述。

步驟s3，采用激光刻蝕氮化鎵外延層200形成圖形化氮化鎵外延層201，其中，圖形化氮化鎵外延層201具有若干個(gè)圖形開(kāi)口202，請(qǐng)參閱圖4。

作為示例，為了使后續(xù)生長(zhǎng)的氮化鎵與圖形開(kāi)口202內(nèi)的圖形化掩膜層300之間能夠形成孔洞401，氮化鎵外延層200的激光刻蝕深度d為大于等于氮化鎵外延層200的厚度的一半，且小于等于氮化鎵外延層200的厚度。優(yōu)選地，氮化鎵外延層200的激光刻蝕深度d為大于等于氮化鎵外延層200的厚度的3/4，且小于等于氮化鎵外延層200的厚度。最優(yōu)地，氮化鎵外延層200的激光刻蝕深度d等于氮化鎵外延層200的厚度。在氮化鎵外延層200的激光刻蝕深度d為等于氮化鎵外延層的厚度時(shí)，圖形開(kāi)口202暴露部分襯底100，能夠使后續(xù)生長(zhǎng)的氮化鎵與圖形開(kāi)口202內(nèi)的圖形化掩膜層300之間形成的孔洞401的面積最大，從而能夠最大限度地釋放隨后生長(zhǎng)的氮化鎵層晶格間的應(yīng)力，得到質(zhì)量最佳的氮化鎵層400，并能夠?qū)崿F(xiàn)后續(xù)剝離工藝中氮化鎵層400的快速自剝離，最終獲得高成品率的自支撐氮化鎵層402。

作為示例，氮化鎵外延層200的激光刻蝕圖形為條狀或者點(diǎn)狀，激光刻蝕完成后，圖形化氮化鎵外延層201中包括若干個(gè)圖形開(kāi)口202和與圖形開(kāi)口202相間分布的若干個(gè)圖形柱，圖形柱為條狀或者點(diǎn)狀；圖形開(kāi)口(即氮化鎵外延層200的每個(gè)刻蝕區(qū)域)202的寬度為1μm～100μm，優(yōu)選50μm；相鄰兩個(gè)圖形開(kāi)口202的間距為10μm～100μm，優(yōu)選50μm。

作為示例，氮化鎵外延層200的激光刻蝕深度和激光刻蝕圖形通過(guò)調(diào)節(jié)激光束的波長(zhǎng)、光斑大小、能量密度以及激光刻蝕時(shí)間來(lái)進(jìn)行控制；其中，激光束的波長(zhǎng)為220nm～248nm，激光束的能量密度為大于等于400mj/cm²。需要說(shuō)明的是，激光束能夠使氮化鎵外延層200的刻蝕區(qū)域發(fā)生分解反應(yīng)而被刻蝕，反應(yīng)式：2gan＝2ga+n2。此外，在進(jìn)行激光刻蝕時(shí)，激光束從氮化鎵外延層200的上表面垂直向下刻蝕，并按照一定的刻蝕路徑完成所需圖形的刻蝕，從而能夠得到圖形垂直度更好的圖形化氮化鎵外延層201，其中，刻蝕路徑可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，優(yōu)選地，刻蝕路徑為折線型掃描或螺旋型掃描。

步驟s4，于圖形化氮化鎵外延層201上形成與圖形開(kāi)口202相對(duì)應(yīng)的圖形化掩膜層300，其中，圖形化掩膜層300覆蓋圖形開(kāi)口202的底部和側(cè)壁，請(qǐng)參閱圖5。

作為示例，圖形化掩膜層300采用鉻、銅、鈦、鎢、鎳或二氧化硅中的任一種材料。此外，圖形化掩膜層300的厚度可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定，優(yōu)選地，圖形化掩膜層300的厚度可以為但不僅限于10nm～2000nm，更優(yōu)地，圖形化掩膜層300的厚度可以為50nm～1000nm。

作為示例，根據(jù)圖形化氮化鎵外延層201的圖形，采用黃光工藝制備圖形化掩膜層300，圖形化掩膜層300具有掩膜開(kāi)口，且圖形化掩膜層300覆蓋圖形開(kāi)口202的底部和側(cè)壁，其中，掩膜開(kāi)口的形狀、位置和寬度均與圖形化氮化鎵外延層201的圖形完全一致。需要說(shuō)明的是，采用黃光工藝制備圖形化掩膜層300的工藝為本領(lǐng)域人員所熟知，此處不再累述。

步驟s5，進(jìn)行熱生長(zhǎng)，使圖形化氮化鎵外延層201生長(zhǎng)，于圖形化掩膜層上方形成氮化鎵層400，其中，氮化鎵層400與圖形化掩膜層300之間形成有若干個(gè)孔洞401，請(qǐng)參閱圖6和圖7。

其中，在進(jìn)行熱生長(zhǎng)時(shí)，熱生長(zhǎng)條件包括：熱生長(zhǎng)環(huán)境中通入氨氣或者氨氣與載氣的混合氣體，生長(zhǎng)溫度為900℃～1100℃，生長(zhǎng)壓力為1torr～400torr，五三比為5～600，氨氣的流量為10sccm～50slm，其中，所述載氣包括氮?dú)狻錃?、氦氣或者氬氣中的至少一種。

需要說(shuō)明的是，在形成氮化鎵層400的過(guò)程中，圖形化氮化鎵外延層201作為籽晶層成核并生長(zhǎng)晶體，隨后通過(guò)側(cè)向生長(zhǎng)在圖形化掩膜層300上方聚合，最終形成表面光滑的氮化鎵層400，而由于圖形化掩膜層300僅覆蓋圖形開(kāi)口202的底部和側(cè)壁，因而當(dāng)圖形化氮化鎵外延層201生長(zhǎng)并聚合在圖形化掩膜層300上方時(shí)，會(huì)在圖形化掩膜層300和聚合形成的氮化鎵層之間形成孔洞401，孔洞401不僅可以釋放隨后生長(zhǎng)的氮化鎵層晶格間的應(yīng)力，進(jìn)一步提高氮化鎵層400的生長(zhǎng)質(zhì)量，還有助于實(shí)現(xiàn)后續(xù)剝離工藝中氮化鎵層400的自剝離。

作為示例，可以采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝、分子束外延工藝或氫化物氣相外延工藝使圖形化氮化鎵外延層201生長(zhǎng)，于圖形化掩膜層300上方形成氮化鎵層400。

作為示例，進(jìn)行熱生長(zhǎng)的具體操作為：先將步驟s4得到的結(jié)構(gòu)置于氫化物氣相外延設(shè)備中，氫化物氣相外延設(shè)備內(nèi)包括鎵舟區(qū)及襯底區(qū)，步驟s4得到的結(jié)構(gòu)位于襯底區(qū)；然后向鎵舟區(qū)通入氯化氫以生成氯化鎵，隨后將生成的氯化鎵通入到襯底區(qū)；最后再向襯底區(qū)通入氨氣或者氨氣與載氣的混合物，氨氣與氯化鎵反應(yīng)使圖形化氮化鎵外延層201生長(zhǎng)，從而在圖形化掩膜層300上方形成氮化鎵層400。其中，氯化氫的流量為1sccm～3000sccm，優(yōu)選地，氯化氫的流量為10sccm～2000sccm，更優(yōu)地，氯化氫的流量為20sccm～1000sccm；氨氣的流量為10sccm～50slm，優(yōu)選地，氨氣的流量為20sccm～40slm，更優(yōu)地，氨氣的流量為30sccm～30slm；生長(zhǎng)溫度為900℃～1100℃，優(yōu)選地，生長(zhǎng)溫度為950℃～1080℃，更為優(yōu)選地，生長(zhǎng)溫度為970℃～1070℃；生長(zhǎng)壓力為1torr～400torr，優(yōu)選10torr～300torr，更優(yōu)選20torr～200torr，最優(yōu)選50torr～100torr；五三比(即氮元素與鎵元素的摩爾比)為5～600，優(yōu)選地，五三比為7～300，更優(yōu)地，五三比為10-100。

在本實(shí)施方式中，步驟s5的具體方法為：

步驟s51，設(shè)置熱生長(zhǎng)條件，進(jìn)行第一層熱生長(zhǎng)，使圖形化氮化鎵外延層201作為籽晶層成核并生長(zhǎng)晶體，隨后通過(guò)側(cè)向生長(zhǎng)在圖形化掩膜層300上方聚合，如圖6所示，以得到氮化鎵緩沖層，其中，氮化鎵緩沖層與圖形化掩膜層300之間形成有若干個(gè)孔洞401。

需要說(shuō)明的是，在形成氮化鎵緩沖層的過(guò)程中，圖形化氮化鎵外延層201作為籽晶層成核并生長(zhǎng)晶體，隨后通過(guò)側(cè)向生長(zhǎng)在圖形化掩膜層300上方聚合，最終形成表面光滑的氮化鎵緩沖層，而由于圖形化掩膜層300僅覆蓋圖形開(kāi)口202的底部和側(cè)壁，因而當(dāng)?shù)壘彌_層形成在圖形化掩膜層300上方時(shí)，會(huì)在圖形化掩膜層300和氮化鎵緩沖層之間形成孔洞401，孔洞401不僅可以釋放隨后生長(zhǎng)的氮化鎵厚膜晶格間的應(yīng)力，進(jìn)一步提高氮化鎵層400的生長(zhǎng)質(zhì)量，還有助于實(shí)現(xiàn)后續(xù)剝離工藝中氮化鎵層400的自剝離。

作為示例，氮化鎵緩沖層為低溫氮化鎵緩沖層、低壓氮化鎵緩沖層或高五三比氮化鎵緩沖層中的一種或兩種的疊加；其中，低溫氮化鎵緩沖層為生長(zhǎng)溫度低于后續(xù)氮化鎵厚膜生長(zhǎng)溫度的氮化鎵緩沖層，低壓氮化鎵緩沖層為生長(zhǎng)壓力低于常壓的氮化鎵緩沖層，高五三比氮化鎵緩沖層為形成過(guò)程中五三比大于后續(xù)氮化鎵厚膜形成過(guò)程中五三比的氮化鎵緩沖層。其中：

氮化鎵緩沖層可以為低溫氮化鎵緩沖層，其生長(zhǎng)溫度為900℃～1000℃，其厚度為1μm～100μm，優(yōu)選5μm～70μm，更優(yōu)選10μm～50μm。低溫氮化鎵緩沖層可以減少后續(xù)生長(zhǎng)的氮化鎵厚膜內(nèi)的位錯(cuò)密度，提高氮化鎵層500的質(zhì)量。

氮化鎵緩沖層還可以為低壓氮化鎵緩沖層，其生長(zhǎng)壓力為30torr～600torr，優(yōu)選10torr～300torr，更優(yōu)選20torr～200torr，最優(yōu)選50torr～100torr。低壓氮化鎵緩沖層的生長(zhǎng)溫度為900℃～1100℃，厚度為1μm～100μm，優(yōu)選厚度為5μm～50μm，更優(yōu)選厚度為10μm～30μm。氮化鎵在低壓條件下更傾向于橫向外延生長(zhǎng)，低壓條件增加了氮化鎵外延生長(zhǎng)的側(cè)向生長(zhǎng)速率，促進(jìn)了圖形化氮化鎵外延層201作為籽晶層橫向聚合連接的速率，可以在此橫向聚合后的低壓氮化鎵緩沖層上繼續(xù)生長(zhǎng)氮化鎵厚膜，為氮化鎵厚膜的生長(zhǎng)提供了材質(zhì)相同的生長(zhǎng)襯底，可以提高后續(xù)生長(zhǎng)的氮化鎵厚膜的表面平整度，進(jìn)而提高了氮化鎵層500的質(zhì)量，降低了其位錯(cuò)密度。

氮化鎵緩沖層還可以為高五三比(氮與鎵的摩爾比)氮化鎵緩沖層，高五三比氮化鎵緩沖層生長(zhǎng)過(guò)程中的五三比大于后續(xù)生長(zhǎng)的氮化鎵厚膜的五三比，高五三比氮化鎵緩沖層的五三比為10～200，優(yōu)選五三比為20～100，更優(yōu)選五三比為30～80。高五三比氮化鎵緩沖層的厚度可以為1μm～100μm，優(yōu)選厚度為5μm～70μm，更優(yōu)選厚度為10μm～60μm。高五三比氮化鎵緩沖層的生長(zhǎng)溫度為900℃～1100℃。高五三比氮化鎵緩沖層的晶格結(jié)構(gòu)與后續(xù)在其上表面生長(zhǎng)的氮化鎵厚膜的晶格結(jié)構(gòu)相同，同時(shí)，后續(xù)生長(zhǎng)的氮化鎵厚膜可以在高五三比氮化鎵緩沖層上預(yù)先橫向聚合，再在此基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行氮化鎵厚膜的生長(zhǎng)，有利于降低晶格應(yīng)力，降低位錯(cuò)密度，進(jìn)而提高得到的氮化鎵層500的質(zhì)量。

作為示例，在形成氮化鎵緩沖層后還可以進(jìn)行高溫退火，進(jìn)一步減少后續(xù)生長(zhǎng)的氮化鎵厚膜晶體的位錯(cuò)密度，從而提高得到的氮化鎵層的質(zhì)量。其中，在進(jìn)行高溫退火時(shí)，退火溫度為1000℃-1300℃，退火壓力大于等于常壓(760torr)，退火環(huán)境中通入氮?dú)?、氫氣、氨氣、氬氣中的一種或幾種。優(yōu)選地，高溫退火的退火溫度為1040℃-1200℃，更優(yōu)地，高溫退火的退火溫度為1050℃-1150℃，最優(yōu)地，高溫退火的退火溫度為1060℃-1100℃。優(yōu)選地，高溫退火的退火環(huán)境為氮?dú)狻錃夂桶睔庵械囊环N或幾種，更優(yōu)地，高溫預(yù)退火的退火環(huán)境為氫氣和/或氨氣。

步驟s52，調(diào)節(jié)熱生長(zhǎng)條件，進(jìn)行第二層熱生長(zhǎng)，且第二層熱生長(zhǎng)的生長(zhǎng)速率高于第一層熱生長(zhǎng)的生長(zhǎng)速率，以在氮化鎵緩沖層上繼續(xù)生長(zhǎng)氮化鎵厚膜，從而得到氮化鎵層400，如圖7所示。

作為示例，氮化鎵厚膜的厚度為300μm～5000μm，優(yōu)選400μm～4000μm，更優(yōu)選500μm～3000μm。

作為示例，通過(guò)調(diào)節(jié)熱生長(zhǎng)條件來(lái)調(diào)節(jié)氮化鎵晶體層的結(jié)構(gòu)，其中，調(diào)節(jié)熱生長(zhǎng)條件的方法至少包括控制所通入氨氣或者所通入氨氣和載氣的流量和濃度，以及五三比等。

需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，在步驟s4中，當(dāng)圖形化掩膜層300采用鉻、銅、鈦、鎢或者鎳中的任一種材料時(shí)，在熱生長(zhǎng)氮化鎵層400的過(guò)程中，圖形化掩膜層300也會(huì)發(fā)生氮化反應(yīng)，反應(yīng)后圖形化掩膜層300內(nèi)形成有若干個(gè)小孔；當(dāng)圖形化掩膜層300采用的材料為二氧化硅時(shí)，在熱生長(zhǎng)氮化鎵層400的過(guò)程中，圖形化掩膜層300不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng)，圖形化掩膜層300內(nèi)也不會(huì)形成有小孔。

步驟s6，剝離氮化鎵層400，以得到自支撐氮化鎵層402，請(qǐng)參閱圖8。

在本實(shí)施方式中，步驟s6的具體方法為：

在形成氮化鎵層400后，進(jìn)行降溫，將溫度自然降至室溫或者以5℃/min～30℃/min的降溫速率降至室溫，從而使氮化鎵層400自圖形化氮化鎵外延層201與孔洞401相間的圖形柱處自動(dòng)剝離，以得到自支撐氮化鎵層402。

需要說(shuō)明的是，當(dāng)圖形化掩膜層300內(nèi)沒(méi)有形成小孔時(shí)，在降溫過(guò)程中，氮化鎵層400自圖形化氮化鎵外延層201與孔洞401相間的圖形柱處自動(dòng)剝離；當(dāng)圖形化掩膜層300內(nèi)形成有小孔時(shí)，在降溫過(guò)程中，氮化鎵層400自圖形化掩膜層300內(nèi)部的小孔處以及氮化鎵層400自圖形化氮化鎵外延層201與孔洞401相間的圖形柱處自動(dòng)剝離。

值得一提的是，氮化鎵層400在自動(dòng)剝離之后，還需要對(duì)剝離面進(jìn)行表面處理，以去除殘留的圖形化氮化鎵外延層201及圖形化掩膜層300等，并對(duì)氮化鎵層400的表面進(jìn)行研磨拋光等處理，以得到所需厚度、表面平整度較高的自支撐氮化鎵層402，如圖8所示。

本實(shí)施方式的自支撐氮化鎵層的制備方法，通過(guò)在襯底100上氮化鎵外延層200，并采用激光刻蝕氮化鎵外延層200形成圖形化氮化鎵外延層201，接著形成與圖形化氮化鎵外延層201的圖形開(kāi)口202相對(duì)應(yīng)的圖形化掩膜層300，且圖形化掩膜層300覆蓋圖形開(kāi)口202的底部和側(cè)壁，隨后進(jìn)行熱生長(zhǎng)，使圖形化氮化鎵外延層201生長(zhǎng)，在圖形化掩膜層300上方形成氮化鎵層400，最后剝離氮化鎵層400，得到自支撐氮化鎵層402；本實(shí)施方式對(duì)制備工藝要求較低，能夠使氮化鎵層400從襯底上自動(dòng)剝離，從而實(shí)現(xiàn)氮化鎵層400的快速自剝離，且自剝離過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力不會(huì)對(duì)氮化鎵層400造成影響，能夠獲得高成品率的自支撐氮化鎵層402。

另外，本實(shí)施方式的自支撐氮化鎵層的制備方法，在襯底100上形成氮化鎵外延層200，氮化鎵外延層200可以同時(shí)作為后續(xù)刻蝕工藝的刻蝕層和后續(xù)氮化鎵生長(zhǎng)工藝的籽晶層，簡(jiǎn)化了工藝，節(jié)約了材料。同時(shí)，本實(shí)施方式的自支撐氮化鎵層的制備方法，采用激光刻蝕氮化鎵外延層200，由于激光束從氮化鎵外延層的上表面垂直向下刻蝕，從而能夠得到圖形垂直度更好的圖形化氮化鎵外延層201，且由于不采用化學(xué)試劑，不會(huì)造成圖形化氮化鎵外延層被化學(xué)試劑腐蝕，從而提高了圖形化氮化鎵外延層的質(zhì)量，作為后續(xù)氮化鎵生長(zhǎng)工藝的籽晶層，進(jìn)而提高了氮化鎵層400的生長(zhǎng)質(zhì)量。同時(shí)，本實(shí)施方式的自支撐氮化鎵層的制備方法，在形成氮化鎵層400的過(guò)程中，圖形化氮化鎵外延層201作為籽晶層成核并生長(zhǎng)晶體，隨后通過(guò)側(cè)向生長(zhǎng)在圖形化掩膜層300上方聚合，最終形成表面光滑的氮化鎵層，而由于圖形化掩膜層300僅覆蓋圖形開(kāi)口202的底部和側(cè)壁，因而在圖形化掩膜層300和氮化鎵層之間會(huì)形成孔洞401，孔洞401不僅可以釋放隨后生長(zhǎng)的氮化鎵層晶格間的應(yīng)力，進(jìn)一步提高氮化鎵層400的生長(zhǎng)質(zhì)量，還有助于實(shí)現(xiàn)后續(xù)剝離工藝中氮化鎵層400的自剝離。

上面各種方法的步驟劃分，只是為了描述清楚，實(shí)現(xiàn)時(shí)可以合并為一個(gè)步驟或者對(duì)某些步驟進(jìn)行拆分，分解為多個(gè)步驟，只要包含相同的邏輯關(guān)系，都在本專利的保護(hù)范圍內(nèi)；對(duì)算法中或者流程中添加無(wú)關(guān)緊要的修改或者引入無(wú)關(guān)緊要的設(shè)計(jì)，但不改變其算法和流程的核心設(shè)計(jì)都在該專利的保護(hù)范圍內(nèi)。

本發(fā)明的第二實(shí)施方式涉及一種自支撐氮化鎵層的制備方法。第二實(shí)施方式與第一實(shí)施方式大致相同，主要區(qū)別之處在于：在第一實(shí)施方式中，步驟s5通過(guò)熱生長(zhǎng)氮化鎵緩沖層和氮化鎵厚膜，從而形成氮化鎵層400；而在本實(shí)施方式中，步驟s5通過(guò)熱生長(zhǎng)多層氮化鎵薄膜形成氮化鎵層400，此外，本實(shí)施方式中在步驟s3和步驟s4之間還增加了清洗圖形化氮化鎵外延層201的步驟。具體地說(shuō)：

本實(shí)施方式的自支撐氮化鎵層的制備方法還包括如下步驟：在步驟s3之后，清洗圖形化氮化鎵外延層201。

在本實(shí)施方式中，清洗圖形化氮化鎵外延層201，具體方法為：

首先，采用酸性溶液對(duì)圖形化氮化鎵外延層201進(jìn)行第一次清洗。

其次，采樣去離子水對(duì)圖形化氮化鎵外延層201進(jìn)行第二次清洗。

最后，采用氮?dú)夥諊蹈蓤D形化氮化鎵外延層201。

作為示例，酸性溶液可以采用鹽酸、稀硫酸、稀硝酸、氫氟酸或者雙氧水中的一種或幾種。

需要說(shuō)明的是，在激光刻蝕后，刻蝕區(qū)域(即圖形開(kāi)口202內(nèi))會(huì)出現(xiàn)殘留的金屬鎵，為了避免殘留的金屬鎵對(duì)后續(xù)氮化鎵層的生長(zhǎng)造成影響而降低獲得的自支撐氮化鎵層的質(zhì)量，需要本實(shí)施方式的清洗步驟對(duì)圖形化氮化鎵外延層201進(jìn)行徹底清洗，從而得到干凈的圖形化氮化鎵外延層201。

另外，在本實(shí)施方式中，步驟s5的具體方法為：

多次調(diào)節(jié)熱生長(zhǎng)條件，進(jìn)行多層熱生長(zhǎng)，且后一層熱生長(zhǎng)的生長(zhǎng)速率高于前一層熱生長(zhǎng)的生長(zhǎng)速率，以使圖形化氮化鎵外延層201生長(zhǎng)，在圖形化掩膜層300上生長(zhǎng)多層氮化鎵薄膜，從而得到氮化鎵層400。

作為示例，每層氮化鎵薄膜的生長(zhǎng)溫度為900℃～1100℃，優(yōu)選地，生長(zhǎng)溫度為950℃～1080℃，更為優(yōu)選地，生長(zhǎng)溫度為970℃～1070℃；氮化鎵薄膜的厚度小于300μm，優(yōu)選1μm～100μm，更優(yōu)選5μm～70μm，最優(yōu)選10μm～50μm。

本實(shí)施方式的自支撐氮化鎵層的制備方法，通過(guò)清洗圖形化氮化鎵外延層201，并多次熱生長(zhǎng)形成氮化鎵層400，能夠有效提高晶體質(zhì)量并降低裂片，從而進(jìn)一步提高獲得的自支撐氮化鎵層402的成品率。

由于本實(shí)施方式是與本發(fā)明第一實(shí)施方式的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的改進(jìn)，因此第一實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)在本實(shí)施方式中依然有效，在第一實(shí)施方式中所能達(dá)到的技術(shù)效果在本實(shí)施方式中也同樣可以實(shí)現(xiàn)，為了減少重復(fù)，這里不再贅述。相應(yīng)地，本實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)也可應(yīng)用在第一實(shí)施方式中。

本發(fā)明的第三實(shí)施方式涉及一種自支撐氮化鎵層，其中，自支撐氮化鎵層402采用上述第一實(shí)施方式或第二實(shí)施方式所涉及的自支撐氮化鎵層的制備方法制備得到。

由于本實(shí)施方式的自支撐氮化鎵層402是采用本發(fā)明第一實(shí)施方式或第二實(shí)施方式所涉及的自支撐氮化鎵層的制備方法制備得到的，因而對(duì)制備工藝要求較低，氮化鎵層400能夠從襯底100上自動(dòng)剝離，且在自剝離過(guò)程中不會(huì)受到熱應(yīng)力影響，從而大大提高了自支撐氮化鎵層402的成品率。

不難發(fā)現(xiàn)，本實(shí)施方式為與第一實(shí)施方式或第二實(shí)施方式相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品實(shí)施方式，第一實(shí)施方式或第二實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)在本實(shí)施方式中依然有效，為了減少重復(fù)，這里不再贅述。相應(yīng)地，本實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)也可應(yīng)用在第一實(shí)施方式中。

綜上所述，本發(fā)明的自支撐氮化鎵層及其制備方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明通過(guò)在襯底上形成氮化鎵外延層，并采用激光刻蝕氮化鎵外延層形成圖形化氮化鎵外延層，接著形成與圖形化氮化鎵外延層的圖形開(kāi)口相對(duì)應(yīng)的圖形化掩膜層，且圖形化掩膜層覆蓋圖形開(kāi)口的底部和側(cè)壁，隨后進(jìn)行熱生長(zhǎng)，使圖形化氮化鎵外延層生長(zhǎng)，在圖形化掩膜層上方形成氮化鎵層，最后剝離氮化鎵層，得到自支撐氮化鎵層；本發(fā)明對(duì)制備工藝要求較低，能夠使氮化鎵層從襯底上自動(dòng)剝離，從而實(shí)現(xiàn)氮化鎵層的快速自剝離，且自剝離過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力不會(huì)對(duì)氮化鎵層造成影響，能夠獲得高成品率的自支撐氮化鎵層。

另外，本發(fā)明在襯底上形成氮化鎵外延層，氮化鎵外延層可以同時(shí)作為后續(xù)刻蝕工藝的刻蝕層和后續(xù)氮化鎵生長(zhǎng)工藝的籽晶層，簡(jiǎn)化了工藝，節(jié)約了材料。同時(shí)，本發(fā)明采用激光刻蝕氮化鎵外延層，由于激光束從氮化鎵外延層的上表面垂直向下刻蝕，從而能夠得到圖形垂直度更好的圖形化氮化鎵外延層，且由于不采用化學(xué)試劑，不會(huì)造成圖形化氮化鎵外延層被化學(xué)試劑腐蝕，從而提高了圖形化氮化鎵外延層的質(zhì)量，作為后續(xù)氮化鎵生長(zhǎng)工藝的籽晶層，進(jìn)而提高了氮化鎵層的生長(zhǎng)質(zhì)量。同時(shí)，本發(fā)明在形成氮化鎵層的過(guò)程中，圖形化氮化鎵外延層作為籽晶層成核并生長(zhǎng)晶體，隨后通過(guò)側(cè)向生長(zhǎng)在圖形化掩膜層上方聚合，最終形成表面光滑的氮化鎵層，而由于圖形化掩膜層僅覆蓋圖形開(kāi)口的底部和側(cè)壁，因而在圖形化掩膜層和氮化鎵層之間會(huì)形成孔洞，孔洞不僅可以釋放隨后生長(zhǎng)的氮化鎵層晶格間的應(yīng)力，進(jìn)一步提高氮化鎵層的生長(zhǎng)質(zhì)量，還有助于實(shí)現(xiàn)后續(xù)剝離工藝中氮化鎵層的自剝離。

所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施方式僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。