[发明专利]基于ScAlMgO4

说明书

本发明提供基于ScAlMgO₄衬底的氮化镓单晶制备方法，包括如下步骤：(1)提供ScAlMgO₄衬底；(2)在所述ScAlMgO₄衬底表面进行缓冲层生长；(3)所述缓冲层进行退火处理；(4)于所述缓冲层上生长GaN晶体；(5)降温，GaN晶体自所述ScAlMgO₄衬底自动剥离。本发明不需要使用复杂的MOCVD沉积GaN并预处理以制作掩模或分离层的工艺，有效降低了生产成本；相比于传统衬底如蓝宝石，具有更高的质量与更大的曲率半径，对于生长4英寸以上的GaN来说，不会造成OFFCUT不均匀的问题；最后，本发明可以实现连续生长成厚度高达5毫米以上的晶棒，进一步降低了成本。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种基于ScAlMgO₄衬底的氮化镓单晶及其制备方法。

背景技术

GaN是第三代宽禁带半导体的典型代表，已被广泛应用于半导体照明、微波功率器件和电力电子器件等方面，展现出巨大的应用前景。用于氮化镓生长的最理想衬底自然是氮化镓单晶材料，这样的同质外延(即外延层和衬底是同一种材料)可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是氮化镓单晶生长困难，价格昂贵，大规模化同质外延生长目前仍然没有可能。因此，目前氮化镓单晶制备仍然采用异质外延，如硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底等。

目前基本上所有的商业化GaN衬底(晶圆，基片)都是通过HVPE制造的。但是其尺寸通常还是局限在2寸，更大的尺寸比如4英寸受到了曲率半径的限制。而HVPE由于采用异质外延，晶格常数和热膨胀数造成的应力会引起氮化镓在长厚时或冷却时开裂。

现有的解决方法是在蓝宝石表面先用MOCVD生长几微米GaN薄膜并进行界面处理形成各种掩模，一方面减少生长时的起始缺陷并形成应力屈服型衬底，从而使GaN生长的临界厚度尽可能大比如达到几百微米甚至几个毫米；另一方面是制造弱界面，这样可以在降温时由于热膨胀数不同引入的切应力来造成GaN和蓝宝石或其他衬底的自动剥离。这种方法的本质是通过插入一个在异质衬底界面上的过渡层，达到降低生长时的位错和应力的目的，并使生长的氮化镓在降温时与衬底如蓝宝石容易剥离。

然而此类方法存在不足：以蓝宝石为基础的HVPE由于采用晶格失配常数达-13.9％的异质材料，其生长的氮化镓晶体位错比较高，同时由于应力曲率半径在10米以下限制了到4寸的拓展，同时剥离和降位错工艺复杂造成良率低，最后只能采用单片法造成生产成本过于高昂。

发明内容

本发明针对以上问题以及现有技术缺点，做出研究改进，提供一种基于 ScAlMgO₄衬底的氮化镓单晶及其制备方法，本发明采用了与GaN晶格常数非常接近的ScAlMgO₄作为HVPE生长的衬底，通过在ScAlMgO₄衬底沉积缓冲层，在生长时得到位错密度在1E6cm^-2以下的GaN晶体。

具体而言，本发明提供的基于ScAlMgO₄衬底的氮化镓单晶制备方法，包括以下步骤：

(1)提供ScAlMgO₄衬底；

(2)在所述ScAlMgO₄衬底表面进行缓冲层生长；

(3)所述缓冲层进行退火处理；

(4)于所述缓冲层上生长GaN晶体；

(5)降温，GaN晶体自所述ScAlMgO₄衬底自动剥离。

作为本发明的优选设置，所述ScAlMgO₄衬底为圆形或正六边形。