[发明专利]一种利用多层二维晶体掩膜制备氮化镓单晶衬底的方法

说明书

本发明公开了一种利用多层二维晶体掩膜制备氮化镓单晶衬底的方法。本发明利用层状结构的二维晶体分离层和厚膜分离层结合原位刻蚀和高温退火等方法制备低位错密度的GaN厚膜，二维晶体分离层和厚膜分离层作为二维晶体掩膜能够防止在GaN厚膜中引入热失配应力，提高GaN单晶衬底的晶体质量，位错密度低，且具有良好的尺寸扩展能力；基板能够重复利用，工艺简单，节能环保；利用多层二维晶体掩膜实现多块GaN单晶衬底的单次原位制备与分离，能够提高产率并降低生产成本。

技术领域

本发明涉及氮化镓单晶衬底的制备技术，具体涉及一种利用多层二维晶体掩膜技术制备低位错密度GaN单晶衬底的方法。

背景技术

以纤锌矿结构氮化物半导体为材料基础的发光二极管(LEDs)、高电子迁移率晶体管(HEMTs)、激光二极管(LDs)等电子及光电子器件在固态照明、新型显示、射频通讯和感知探测等领域具有广阔的应用市场和巨大的产业产值。氮化物半导体器件的器件性能依赖于衬底选择，相比于蓝宝石(Al₂O₃)等异质衬底，采用氮化镓(GaN)单晶衬底可以避免衬底与外延结构的晶格与热膨胀系数失配问题，将外延结构(器件结构)的位错密度从10⁸-10¹⁰cm^-2量级降至10⁶-10⁷cm^-2量级，提升光电器件功率密度及寿命、电子器件功率密度及击穿场强等核心参数2个量级以上。

目前，国内外主要采用氢化物气相外延(HVPE)技术在Al₂O₃衬底上制备GaN单晶厚膜，分离Al₂O₃衬底和GaN单晶厚度以得到自支撑的GaN单晶衬底，代表企业为美国Cree、日本住友、苏州纳维和东莞中镓等。由于GaN与Al₂O₃衬底间存在超过10％的晶格失配与超过30％的热膨胀系数失配，导致GaN单晶厚膜中存在超过5×10⁶cm^-2的位错密度，进而限制了GaN单晶衬底的晶体质量及后端同质外延GaN基器件性能。HVPE法GaN单晶衬底制备工艺中通常采用的低温缓冲层技术、氧化硅掩膜技术、周期性生长技术等，难于在10⁶cm^-2量级的基础上进一步降低GaN单晶厚膜中的位错密度。因此，需要开发新型技术方案以降低HVPE法GaN单晶衬底中的位错密度、提高产率并降低生产成本，满足大功率GaN基LD、高可靠性GaN基HEMT对低位错密度GaN单晶衬底的需求。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种利用多层二维晶体掩膜技术制备低位错密度GaN单晶衬底的方法，利用多层二维晶体掩膜结合原位刻蚀和高温退火等方法制备低位错密度的GaN厚膜，利用多层二维晶体掩膜实现多块GaN单晶衬底的单次原位制备与分离，高质量、低成本、高产率地实现GaN单晶衬底。

本发明的利用多层二维晶体掩膜技术制备低位错密度GaN单晶衬底的方法，包括以下步骤：

1)制备底层氮化物模板：

a)提供具有单晶纤锌矿结构的氮化物的基板；

b)将基板置于氢化物气相沉积系统中沉积层状结构的二维晶体分离层，层状结构的二维晶体分离层中层与层间采用范德华力连接，范德华力的作用强度小于氮化物中层与层间的共价键强度，在外力作用下层状结构的二维晶体分离层比为氮化物的基板更容易实现层与层之间的分离；

c)采用氯化氢气体在氢化物气相沉积系统中原位活化二维晶体分离层，通过氯化氢气体和二维晶体分离层的化学反应，在二维晶体分离层的表面形成悬挂键，作为氮化物成核位点，二维晶体分离层和基板组成的氮化物模板；

2)制备中间氮化物功能层：