[发明专利]衬底、基于所述衬底的自支撑GaN单晶及其制备方法

说明书

本发明涉及半导体技术领域，提供一种衬底，包括基底，所述基底上表面具有一个分布均匀且方向与厚度均保持一致的纳米柱层，所述纳米柱层高度为0.2～5um；任意两纳米柱之前间隔相等，所述间隔为0.2～5um；所述纳米柱层任一纳米柱的端面均为圆形端面或者正六边形端面，其直径或对角线长度为50～1000nm。本发明具有以下优点：(1)生长在纳米柱上的氮化镓材料同样具有纳米结构特性，位错很低；(2)在纳米柱层二维侧向生长GaN层过程中进一步降低位错；(3)纳米柱之间存在的均匀空隙，可以有效吸收HVPE异质外延产生的应力；(4)在降温时由于热胀冷缩不同的应力可以使氮化镓和衬底在纳米柱交界处更容易地剥离。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种衬底以及基于所述衬 底的自支撑GaN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 温时与蓝宝石容易剥离。

然而此类方法存在不足：1、成本高，需要昂贵的设备和指标过 程如光刻机或MOCVD；2、需要额外的设备及工序，从而使过程控 制性能差，良率降低；3、吸收应力的效果不是非常显著。目前工业 上的氮化镓自支撑衬底最大在4寸左右，远没有达到异质衬底如硅、 蓝宝石、碳化硅的尺寸比如8寸甚至更大。

发明内容

本发明针对以上问题，做出研究改进，提供一种衬底以及基于该 衬底的自支撑GaN单晶及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供一种衬底，包括基底，所述基底上 表面具有一个分布均匀且方向与厚度均保持一致的纳米柱层，所述纳 米柱层高度为0.2～5um；任意两纳米柱之前间隔相等，所述间隔为 0.2～5um；所述纳米柱层任一纳米柱的端面均为圆形端面或者正六边 形端面，其直径或对角线长度为50～1000nm。

作为本发明的优选设置，所述基底包括但不限于硅基底、蓝宝石 基底、碳化硅基底或砷化镓基底中任一种。

作为本发明的优选设置，所述GaN纳米柱层生长基于HVPE方 法，温度控制为400～800℃，V/III100～500，压力0.1～1atm，同 时在载气中通入HCl，HCl在气相中的分率为0.01～0.2。生长时间 10～30min，并在GaN纳米柱层生长沉积完成后升温至1000℃在 NH3环境中进行退火处理3～10min。

作为本发明的优选设置，所述纳米柱层中纳米柱呈正六边形排 布。

作为本发明的优选设置，所述基底与所述纳米柱层间还设有一层 过渡金属层作为催化剂促进纳米柱层生长，所述金属层厚度5～ 20nm。