專利名稱：一種使用減薄鍵合結(jié)構(gòu)進行GaN單晶生長的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種采用減薄鍵合結(jié)構(gòu)及HVPE工藝生長GaN單晶的方法，該方法能夠提高外延生長GaN單晶質(zhì)量，屬于光電子技術領域。
背景技術：
到上世紀末期，隨著電子信息行業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的半導體材料已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電子技術發(fā)展對高溫、高頻、高壓以及抗輻射、能發(fā)射藍光等提出的新要求，而以GaN為代表的第三代半導體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小、抗輻射能力強、良好的化學穩(wěn)定性等性質(zhì)，在高亮度藍、綠光二極管、藍光激光器、紫外探測器、激光二極管等光電器件和高溫、高頻大功率電子等微電子器件領域有廣闊的應用前景。但是由于缺乏GaN體單晶，目前商業(yè)化的GaN基器件基本都是采用異質(zhì)外延，襯底材料主要是藍寶石(Al2O3)、GaAs和Si等，但是這些襯底與GaN單晶之間的晶格失配和熱失配較大，在外延的GaN單晶中存在較大的應力并產(chǎn)生較高的位錯密度。為了降低晶格失配和熱失配帶來的應力，并進一步得到高質(zhì)量自支撐GaN單晶襯底材料，研究者嘗試過多種HVPE (氫化物氣相外延)方法生長襯底處理方法。常用的方法有空位輔助分離(Void-assistedseparation)[參見 Y. Oshima, et al, phys. stat. sol. (a)，194(2002)554-558]、側(cè)向外延過生長(ELOG)[參見 H. H. Huang，et al, J. Cryst. Growth311 (2009) 3029-3032]、在襯底與HVPE方法生長GaN之間加入柔性緩沖層[參見Hyun-JaeLee, et al, Applied Physics Letter 91(2007) 192108]以及制備納米結(jié)構(gòu)的襯底[參見C. L. Chao, Appl. Phys. Lett. 95(2009)051905]等。采用這些方法生長出GaN單晶的質(zhì)量都得到一定程度的提高，相應的位錯密度也得到一定減少，但是這些方法的工藝復雜，且GaN單晶中存在的應力并沒有得到完全的釋放。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有GaN單晶生長方法存在的工藝復雜、應力不能完全釋放等問題，提供一種工藝過程簡單、能夠完全釋放應力的使用減薄鍵合結(jié)構(gòu)進行GaN單晶生長的方法。本發(fā)明使用減薄鍵合結(jié)構(gòu)進行GaN單晶生長的方法，包括以下步驟(1)利用MOCVD (金屬有機化學氣相沉積)工藝在襯底(藍寶石襯底或SiC襯底)上外延生長2 μ m-10 μ m厚的GaN薄膜，形成GaN外延片；(2)機械研磨GaN外延片的襯底，將GaN外延片的厚度減薄至20 μ m-100 μ m ；(3)將減薄后的GaN外延片，在25°C _53°C丙酮和25 V -73°C乙醇溶液下分別清洗1分鐘-5分鐘，用去離子水沖洗干凈，再在分析純鹽酸中漂洗1分鐘-5分鐘，去離子水沖洗干凈，氮氣烘干；(4)使用不同金屬層(如Sn/Au、Ti/Au、Ni/Au等)，將減薄后的GaN外延片鍵合到另一襯底(Si、SiC和藍寶石等，可與步驟(1)中的襯底為同一種材料，也可以不同)上，鍵合的壓力為0-10000kg，溫度為0-700°C，鍵合后形成GaN基片；(5)將GaN基片在25°C _53°C丙酮和25°C -73°C乙醇溶液下分別清洗1分鐘_5分鐘，去離子水沖洗干凈，再用氫氟酸漂洗20秒-5分鐘，去離子水沖洗干凈，氮氣烘干；(6)將清洗后的GaN基片放入HVPE(氫化物氣相外延)生長系統(tǒng)中外延生長，得到feiN單晶。本發(fā)明通過GaN外延片減薄、清洗干燥、GaN外延片鍵合、再清洗干燥以及HVPE法生長，最后得到了應力完全釋放的高質(zhì)量GaN單晶，是一種完全釋放GaN單晶殘余應力的有效方法，可以大大提高單晶質(zhì)量，具有制作簡單、工藝成熟的特點，適合批量生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明使用減薄鍵合結(jié)構(gòu)進行GaN單晶生長方法的流程圖。圖2是制備的具有減薄鍵合結(jié)構(gòu)的GaN基片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3將藍寶石襯底上MOCVD方法生長的GaN外延片減薄后使用Ti/Au金屬層鍵合到Si襯底上按HVPE方法生長制備的GaN單晶樣品的斷面SEM(掃描電子顯微鏡)圖。圖4是本發(fā)明制備的使用BMGS (鍵合(Bonding)MOCVD GaN/藍寶石(Sapphire)，具有減薄鍵合結(jié)構(gòu)，MOCVD方法生長的藍寶石GaN外延片)基片與使用MGS (M0CVD GaN/藍寶石(Sapphire)，MOCVD方法生長的GaN外延片)基片制備樣品的拉曼光譜。圖中1、GaN薄膜，2、襯底，3、鍵合金屬層，4、鍵合襯底，5、Si襯底，6、Ti/Au金屬層，7、藍寶石襯底，8、在藍寶石襯底上外延生長的GaN薄膜，9、GaN單晶。
具體實施例方式圖1給出了本發(fā)明的使用減薄鍵合結(jié)構(gòu)進行GaN單晶生長方法的流程圖，具體包括以下步驟(1)利用MOCVD (金屬有機化學氣相沉積)工藝在襯底(藍寶石襯底或SiC襯底)上外延生長2 μ m-10 μ m厚的GaN薄膜，形成GaN外延片。(2)機械研磨GaN外延片的襯底，將GaN外延片的厚度減薄至20 μ m-100 μ m ；(3)將減薄后的GaN外延片，在25°C _53°C丙酮和25 V -73°C乙醇溶液下分別清洗1分鐘-5分鐘，用去離子水沖洗干凈，再在濃鹽酸(分析純)中漂洗1分鐘-5分鐘，去離子水沖洗干凈，氮氣烘干。(4)使用不同金屬層(如Sn/Au、Ti/Au、Ni/Au等)，將減薄后的GaN外延片鍵合到某種襯底(Si、SiC和藍寶石等，可與步驟(1)中的襯底為同一種材料，也可以不同)上，鍵合的壓力為0-10000kg，溫度為0-700°C。鍵合后形成具有減薄鍵合結(jié)構(gòu)的GaN基片，GaN基片的結(jié)構(gòu)如圖2所示，自上至下依次為GaN薄膜1、襯底2、鍵合金屬層3和鍵合襯底4。(5)將GaN基片在25°C _53°C丙酮和25°C -73°C乙醇溶液下分別清洗1分鐘_5分鐘，去離子水沖洗干凈，再用氫氟酸漂洗20秒-5分鐘，去離子水沖洗干凈，氮氣烘干；(6)將清洗后的GaN基片放入HVPE (氫化物氣相外延)生長系統(tǒng)中外延生長，得到feiN單晶。圖3給出了一種按上述方法具體制備的GaN單晶樣品的斷面SEM(掃描電子顯微鏡)圖，該GaN單晶樣品，以藍寶石為襯底MOCVD生長GaN外延片，減薄后使用Ti/Au金屬層鍵合鍵合到Si襯底(鍵合襯底)上，然后HVPE法生長得到GaN單晶，完全釋放掉了應力。其具體的制備步驟如下(1)利用MOCVD方法在藍寶石襯底外延生長2 μ m厚的GaN薄膜，形成GaN外延片。(2)機械研磨GaN外延片的襯底，使GaN外延片的厚度為96 μ m。(3)將減薄后的GaN外延片，在53°C丙酮和73°C乙醇溶液下分別清洗5分鐘，去離子水沖洗干凈，濃鹽酸(分析純)中漂洗5分鐘，再去離子水沖洗干凈，氮氣烘干。(4)在Si襯底上先后沉積Ti (70nm) /Au (3 μ m) /Ti (70nm)金屬層，將減薄后的GaN外延片鍵合到Si襯底上，鍵合壓力為3000kg，溫度為350°C ；形成具有減薄鍵合結(jié)構(gòu)的GaN基片。(5)將GaN基片在53°C丙酮和73°C乙醇溶液下分別清洗5分鐘，去離子水沖洗干凈，氫氟酸漂洗1分鐘，再去離子水沖洗干凈，氮氣烘干。(6)將GaN基片放入HVPE生長系統(tǒng)中外延生長，得到如圖3所示的GaN單晶，其結(jié)構(gòu)自下至上依次為Si襯底5、Ti/Au金屬層6、藍寶石襯底7、在藍寶石襯底上外延生長的GaN薄膜8和GaN單晶9。由圖3給出的樣品斷面SEM分析圖，可以看到本發(fā)明提供的方法能夠形成非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，且沒有由于殘余應力導致的缺陷存在。圖4所示為使用減薄鍵合結(jié)構(gòu)和未使用減薄鍵合結(jié)構(gòu)制備的GaN單晶樣品的拉曼
散射圖譜。以下公式可以計算GaN單晶樣品的殘余應力大小Δω/ , , \o=—-(cm 'GPal)，其中ο是樣品表面存在的殘余應力，Δ ω是E2峰的頻移。無應力狀態(tài)下GaN的氏峰位置為566. 2cm—1，使用本發(fā)明BMGS基片與使用MGS基片制備GaN單晶樣品的E2峰位置分別為566. 3186cm"1和567. 2959cm"1,由上述公式計算得到其殘余應力分別為0. 02758GPa和0. 2549GPa,結(jié)果證明使用減薄鍵合的結(jié)構(gòu)可以完全釋放掉feiN中的應力。通過實驗，在本發(fā)明給出的各參數(shù)的范圍內(nèi)，通過改變各參數(shù)的具體值均可以獲得減薄鍵合結(jié)構(gòu)不同的GaN單晶基片，對獲得的各種GaN單晶基片按HVPE方法進行外延生長，都能夠得到應力完全釋放的高質(zhì)量GaN單晶。
權(quán)利要求
1. 一種使用減薄鍵合結(jié)構(gòu)進行GaN單晶生長的方法，其特征是，包括以下步驟(1)利用MOCVD工藝在襯底上外延生長2μ m-10 μ m厚的feiN薄膜，形成GaN外延片；(2)機械研磨GaN外延片的襯底，將GaN外延片的厚度減薄至20μ m-100 μ m ；(3)將減薄后的GaN外延片，在25°C_53°C丙酮和25°C _73°C乙醇溶液下分別清洗1分鐘-5分鐘，用去離子水沖洗干凈，再在分析純鹽酸中漂洗1分鐘-5分鐘，去離子水沖洗干凈，氮氣烘干；(4)使用不同金屬層，將減薄后的GaN外延片鍵合到另一襯底上，鍵合的壓力為0-10000kg，溫度為0-700°C，鍵合后形成GaN基片；(5)將GaN基片在25°C_53°C丙酮和25°C -73°C乙醇溶液下分別清洗1分鐘_5分鐘，去離子水沖洗干凈，再用氫氟酸漂洗20秒-5分鐘，去離子水沖洗干凈，氮氣烘干；(6)將清洗后的GaN基片放入HVPE生長系統(tǒng)中外延生長，得到GaN單晶。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種使用減薄鍵合結(jié)構(gòu)進行GaN單晶生長的方法，包括以下步驟(1)利用MOCVD方法在襯底上生長GaN薄膜，形成GaN外延片；(2)將GaN外延片減??；(3)將減薄GaN外延片清洗干凈并干燥；(4)使用金屬層將減薄GaN外延片鍵合到其它襯底上，形成GaN基片；(5)清洗干凈GaN基片并干燥；(6)將GaN基片按HVPE方法外延生長，得到GaN單晶。本發(fā)明通過GaN外延片減薄、清洗干燥、GaN外延片鍵合、再清洗干燥以及HVPE法生長，最后得到了應力完全釋放的高質(zhì)量GaN單晶，是一種完全釋放GaN單晶殘余應力的有效方法，可以大大提高單晶質(zhì)量，具有制作簡單、工藝成熟的特點，適合批量生產(chǎn)。
文檔編號C30B29/40GK102560676SQ20121001583
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者劉曉燕, 吳擁中, 張浩東, 戴元濱, 田媛, 邵永亮, 郝霄鵬 申請人:山東大學