[发明专利]氮化镓衬底、氮化镓单晶层及其制造方法

说明书

本发明公开了氮化镓衬底、氮化镓单晶层及其制造方法，包括以下步骤：提供一衬底；在所述衬底上生长低温氮化镓，做高温处理，形成晶种；利用晶种生长形成氮化镓薄膜，通过控制厚度来控制应力，得到带有裂纹的氮化镓薄膜；在带有裂纹的氮化镓薄膜上形成氮化镓衬底。本发明的有益效果是利用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）生长的氮化镓裂纹会使因晶格失配产生的应力得到释放，通过对氮化镓层厚度的控制，得到带有裂纹氮化镓薄膜‑图形掩膜衬底，这样再用氢化物气相外延（HVPE）进行侧向外延生长（ELOG）的内应力就会显著减小，从而提高晶体质量。

技术领域

本发明涉及氮化镓单晶材料生长技术，尤其是涉及一种减少HVPE外延膜缺陷、提高外延膜质量的氮化镓衬底、氮化镓单晶层及其制造方法。

背景技术

氮化镓、碳化硅和金刚石等宽禁带半导体材料称为第三代半导体，它们具有击穿电压更大、介电常数更小、饱和电子漂移速率更高、导热性能更好、能隙更宽（Eg≥2.3eV）等优异性能。其中GaN因化学性质更稳定、耐高温、耐腐蚀性的特点，非常适合制作高频、大功率和高密度集成的电子器件。

由于氮化镓材料的特殊性质，采用传统的单晶生长方法很难生长出单晶。最近，利用HVPE的高生长速率和较高结晶质量的特性，可以实现氮化镓材料的厚膜生长，其厚膜可达到几毫米以上。氮化镓材料的外延生长目前主要采用异质衬底进行生长，例如蓝宝石、碳化硅等,其普遍存在由于晶格失配和热失配导致的位错密度大等缺陷问题。而氮化镓衬底属于同质外延，不会存在晶格失配和热失配的问题，利用HVPE技术在氮化镓衬底上生长氮化镓外延膜，可以提高外延膜质量。如中国发明专利授权公告号CN101459215B公开了采用自剥离用于生产氮化镓单晶衬底的方法，包括(a)在由具有比氮化镓更小热膨胀系数的材料制成的平坦基础衬底上生长氮化镓膜并冷却氮化镓膜以使基础衬底和氮化镓膜向上凸起弯曲，并在氮化镓膜中产生裂纹；(b)在位于向上凸起的基础衬底上的产生裂纹的氮化镓膜上生长氮化镓单晶层；以及(c)冷却具有长成的氮化镓单晶层的所得产品以使向上凸起的所得产品变平或使向上凸起的所得产品向下凸起弯曲并同时使基础衬底和氮化镓单晶层在插入其间的产生裂纹的氮化镓膜处相互自剥离。该专利的裂纹氮化镓薄膜是利用异质外延不同材料间晶格失配、热膨胀系数差异产生的，再在裂纹氮化镓上生长氮化镓单晶层，最后利用基础衬底和氮化镓单晶层之间的裂纹氮化镓实现自剥离，也就是说这里的裂纹只是为了后续物理剥离氮化镓单晶层提供方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的HVPE法生长氮化镓外延膜过程中产生缺陷过多，为此提供一种氮化镓衬底及其制造方法。

本发明的技术方案是：氮化镓衬底的制造方法，包括以下步骤：

提供一衬底；

在所述衬底上生长低温氮化镓，做高温处理，形成晶种；

利用晶种生长形成氮化镓薄膜，通过控制厚度来控制应力，得到带有裂纹的氮化镓薄膜；

以带有裂纹的氮化镓薄膜为基础形成氮化镓衬底。

上述方案的改进是所述氮化镓衬底是复合衬底，所述复合衬底的形成过程如下：在带有裂纹的氮化镓薄膜上形成图形化的掩膜层，以掩膜层为掩模，在掩模上进行刻蚀，使其表面形成由若干孔槽构成的孔阵列，形成带有裂纹的GaN薄膜、图形掩膜的复合衬底。

上述方案中所述衬底是异质衬底。

上述方案中所述异质衬底的材质为蓝宝石、碳化硅或硅。

上述方案中所述低温氮化镓由MOCVD生长而成，工艺温度为500℃-550℃，厚度为200埃-300埃。

上述方案中所述高温处理的工艺温度在1000℃-1200℃，腔室压力400 torr -600torr。

上述方案中所述晶种生长形成氮化镓薄膜的过程包括利用MOCVD技术进行的3D生长和2D生长。