[发明专利]一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种易于剥离的晶圆级氮化镓外延生长方法。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明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，本发明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。

本发明通过下述技术方案实现：

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。

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。本发明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。

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°。

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。

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。