一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法技术

本发明专利技术公开了一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法，包括以下步骤：步骤1：取c面蓝宝石单晶衬底；步骤2：在蓝宝石衬底上生长出氮化硼二维材料；步骤3：生长了氮化硼二维材料的蓝宝石衬底表面上，使用卤化物气相外延生长出氮化镓厚膜；步骤4：降低至室温，获得高质量的氮化镓厚膜。本发明专利技术可提高氮化镓外延的晶体质量，减少因晶格失配产生的位错，有助于机械剥离氮化镓外延。离氮化镓外延。离氮化镓外延。

【技术实现步骤摘要】
一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法。

技术介绍

[0002]作为一种典型的第三代半导体材料，氮化镓具有许多优异的特性，包括高电子迁移率、直接带隙、高热稳定性，物理化学性质稳定等。当前，氮化镓已被应用在众多不同功能的器件中，如高电子迁移率晶体管、发光二极管和紫外探测器。氮化镓是信息化时代下最重要的信息功能材料之一，吸引了学界与工业界研究者们的广泛关注。尽管氮化镓性质优异，但受限于氮元素的解离压很高，作为电子器件重要部分的氮化镓衬底材料极难通过传统的熔体生长法进行制备。目前工业上氮化镓主要还是通过异质外延的方法进行大规模制备，如卤化物气相沉积、金属有机化学气相沉积等，异质外延氮化镓存在着以下缺陷：一方面异质外延抬高了衬底制备的成本；另一方面，衬底与外延层的晶格失配会导致在界面处产生大量缺陷，如位错、层错等，这无疑降低了异质外延器件的综合性能。因此，低成本的制造出大尺寸氮化镓衬底，对于整个氮化镓半导体产业都有着非同小可的影响。
[0003]六方氮化镓因其具有与石墨烯相近的蜂窝状结构、以及高达6eV的宽带隙引起了研究者们的广泛关注，六方氮化硼层内由交替的sp2杂化硼原子和氮原子与层间的范德瓦尔斯相互作用组成。六方氮化硼具有低介电常数、高温度稳定性、高抗氧化能力和高热导率等优异特性，有望在深紫外光发射器等方面提供保护涂层和介电层等应用。此外，由于六方氮化硼与氮化镓之间仅存在1.6％的晶格失配，它也可以作为一种理想的易于剥离且能与氮化镓产生良好外延关系的中间材料。研究结果显示，多晶氮化硼可被用作缓冲层外延氮化镓，但生长出的氮化镓材料是多晶的。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是：目前行业采用的蓝宝石衬底异质外延氮化镓会产生较大的晶格失配，并且在剥离氮化镓外延与衬底过程中造成大量缺陷，这严重制约了氮化镓产业的发展，本专利技术提供了解决上述问题的一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0006]一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：取c面蓝宝石单晶衬底；
[0008]步骤2：在蓝宝石衬底上生长出氮化硼二维材料；
[0009]步骤3：生长了氮化硼二维材料的蓝宝石衬底表面上，使用卤化物气相外延生长出氮化镓厚膜；
[0010]步骤4：降低至室温，获得高质量的氮化镓厚膜。
[0011]目前行业采用的蓝宝石衬底异质外延氮化镓会产生较大的晶格失配，并且在剥离
氮化镓外延与衬底过程中造成大量缺陷，这严重制约了氮化镓产业的发展。本专利技术采用氮化硼作为外延氮化镓缓冲层材料，与氮化镓之间仅有0.13％的晶格失配，并且可以用于机械剥离的插层材料。在蓝宝石上外延单层的高质量氮化硼材料，而后通过HVPE远程外延氮化镓，一方面可提高氮化镓外延的晶体质量，减少因晶格失配产生的位错；另一方面，氮化硼的存在有助于机械剥离氮化镓外延。
[0012]进一步优选，所述步骤1中，c面蓝宝石单晶衬底的厚度为400μm
‑
500μm，斜切角为0.25
°
～0.6
°
。
[0013]进一步优选，所述步骤2中，生长氮化硼二维材料的方法CVD生长工艺。
[0014]进一步优选，所述步骤2中，采用CVD生长工艺生长氮化硼二维材料，生长温度设定为 1300℃～1500℃，压力设定为0.05Torr～0.2Torr，生长时间为20min～60min。
[0015]进一步优选，所述步骤3中，外延生长出氮化镓的方法包括：采用HVPE工艺，生长温度设定在1020℃～1080℃，压力设定在550Torr～800Torr，生长时间为60min～180min。
[0016]进一步优选，所述步骤4中，降温时间为30min～120min。
[0017]进一步优选，所述步骤4中，外延出氮化镓的厚度为1μm～500μm。
[0018]进一步优选，其特征在于，还包括步骤5：机械剥离获得高质量的氮化镓。
[0019]进一步优选，所述步骤5中，具体方法包括：将氮化镓表面通过粘结剂与外来衬底粘连，然后通过机械力将生长有氮化硼二维材料的蓝宝石衬底与氮化镓外延层分离；再清洗掉氮化镓上的粘结剂。
[0020]进一步优选，具体方法包括：将氮化镓表面通过粘结剂In与外来衬底粘连，然后通过机械力将生长有氮化硼二维材料的蓝宝石衬底与氮化镓外延层分离；再使用三氯化铁溶液清洗掉氮化镓上的In粘结剂，三氯化铁溶液的浓度设置在0.5mol/L～3mol/L，清洗时间设置在20min ～60min。
[0021]本专利技术具有如下的优点和有益效果：
[0022]本专利技术提供的一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法，使用氮化硼作为蓝宝石与氮化镓外延之间的外延缓冲层，并优化设计了相关制备工艺，具有诸多优点：
[0023]1、氮化硼作为蓝宝石异质外延氮化镓的缓冲层，与氮化镓晶格匹配更小；
[0024]2、氮化硼作为中间机械剥离插层材料，氮化硼的存在有助于机械剥离氮化镓外延。不仅降低了剥离难度与成本，更减小了剥离过程中对于氮化镓外延层的破坏。
附图说明
[0025]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：
[0026]图1为本专利技术实施例的氮化镓外延生长方法的流程图。
[0027]图2为本专利技术实施例制备的易于剥离的晶圆级氮化镓的结构示意图，不含机械剥离相关结构；附图中标记及对应的零部件名称：100
‑
蓝宝石衬底，101
‑
氮化硼缓冲层，102
‑
GaN外延层，
[0028]图3为本专利技术实施例制备的易于剥离的晶圆级氮化镓的结构示意图，含机械剥离相关结构；附图中标记及对应的零部件名称：103
‑
蓝宝石衬底，104
‑
氮化硼缓冲层，105
‑
GaN外延层，106
‑
In粘结剂，107
‑
支撑衬底层。
[0029]图4为本专利技术实施例1制备的氮化镓外延薄膜的X射线衍射图谱。
[0030]图5为本专利技术实施例2制备的氮化镓外延薄膜的原子力显微镜微观形貌图，具体为高度图。
[0031]图6为本专利技术实施例2制备的氮化镓外延薄膜的原子力显微镜微观形貌图，具体为振幅图。
[0032]图7为本专利技术实施例2制备的氮化镓外延薄膜的原子力显微镜微观形貌图，具体为相位图。
具体实施方式
[0033]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术的限定。
[0034]在以下描述中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：取c面蓝宝石单晶衬底；步骤2：在蓝宝石衬底上生长出氮化硼二维材料；步骤3：生长了氮化硼二维材料的蓝宝石衬底表面上，使用卤化物气相外延生长出氮化镓厚膜；步骤4：降低至室温，获得高质量的氮化镓厚膜。2.根据权利要求1所述的一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法，其特征在于，所述步骤1中，c面蓝宝石单晶衬底的厚度为400μm
‑
500μm，斜切角为0.25
°
～0.6
°
。3.根据权利要求1所述的一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法，其特征在于，所述步骤2中，生长氮化硼二维材料的方法CVD生长工艺。4.根据权利要求3所述的一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法，其特征在于，所述步骤2中，采用CVD生长工艺生长氮化硼二维材料，生长温度设定为1300℃～1500℃，压力设定为0.05Torr～0.2Torr，生长时间为20min～60min。5.根据权利要求1所述的一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法，其特征在于，所述步骤3中，外延生长出氮化镓的方法包括：采用HVPE工艺，生长温度设定在1020℃～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔玮，马亚庆，杨军，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：