专利名称：改进的制备自支撑氮化镓衬底的激光剥离的方法
技术领域：
本发明涉及改进蓝宝石衬底上剥离氮化镓(GaN)的激光剥离技术，并同时降低获得的无裂缝自支撑GaN衬底中应力的方法和技术。
背景技术：
以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料，其1.9-6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能使其成为短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备的最优选材料。
由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。然而，用GaN衬底进行同质外延获得III族氮化物薄膜材料却显示出了极其优越的性能，因此用低位错密度衬底进行GaN同质外延是改善III族氮化物外延层质量的较好办法。
目前，大面积GaN衬底通常都是在异质衬底(如蓝宝石、SiC、Si等)上气相生长GaN厚膜，然后将原异质衬底分离后获得的。蓝宝石是目前生长GaN使用最普遍的异质衬底。为了得到自支撑GaN衬底，必须除去蓝宝石衬底。由于蓝宝石极其稳定，难以采用化学腐蚀方法。一般的方法是机械磨削，但因蓝宝石很硬，不仅要消耗大量的金刚石磨料，成本很高而且速度极慢。激光辐照的方法，是利用激光对GaN厚膜和衬底的界面区加热使之熔化，从而获得自支撑的GaN衬底。激光剥离方法的优点是时间快，蓝宝石衬底可回收使用。
采用激光剥离方法，需要首先将样品粘结在其他的衬底上，即GaN转移技术。常用的粘结剂是有机胶(如硅橡胶，环氧树脂等)或者金属合金。但是在将蓝宝石衬底去掉后，为了获得自支撑的GaN衬底，还需要将有机胶或者合金去除。有机胶由于固化后，很难溶解于溶剂中；即使采用能够溶解的有机胶(如有机玻璃)，在溶解的过程中，由于胶本身会发生体积变化，很容易使GaN碎裂，从而影响到GaN衬底的完整性。采用将有机胶氧化焚烧的方法，反应过程中的体积变化和产生的气体也会将GaN衬底碎裂，很难获得完整的GaN衬底。而合金去除一般采用酸腐蚀的方法，过程中产生的气体(如氢气)同样也会使得GaN碎裂，降低了产率。另外采用的黏附衬底(如硅片和蓝宝石等)，也需要同时去掉，会增加工艺难度和成本。
在本发明中，我们采用激光扫描辐照技术，直接从蓝宝石衬底上将GaN薄膜剥离下来，获得自支撑无裂缝GaN衬底。
发明内容
本发明目的是无需采用衬底转移的方法，而是用激光扫描辐照技术直接将GaN薄膜从蓝宝石衬底上剥离下来，获得无裂缝自支撑GaN衬底。
本发明的技术解决方案是改进的制备自支撑氮化镓衬底的激光剥离的方法，在650-800℃下空气气氛中直接用合适波长的紫外激光器透过蓝宝石辐照GaN/蓝宝石样品，界面处的GaN被分解后，蓝宝石可以很容易的被去掉，即可得到GaN自支撑衬底。在650-800℃只需要在普通空气气氛中温度下加热GaN/蓝宝石衬底，采用激光辐照的方法，利用激光透过蓝宝石衬底对GaN厚膜和蓝宝石衬底的界面区加热使界面处的GaN分解，就可以将GaN和蓝宝石分离开来，从而获得自支撑的GaN衬底。由于剥离在650℃以上的温度下进行，此时GaN中的应力可以得到释放，从而减少了自支撑GaN的翘曲，获得平整无应力的GaN衬底。这里的GaN薄膜厚度应该不低于100微米，最好是在300微米以上，可以获得几乎百分之百的成功。
该方法也可以在800以上，如在800-900℃进行，但由于GaN在这样高的温度下容易分解，所以此时激光辐照要在氨气保护气氛下进行。
本发明的机理和技术特点是在激光剥离技术中激光波长所对应的能量小于蓝宝石带隙，但是大于GaN的带隙。激光穿透蓝宝石衬底到达蓝宝石/GaN界面时，GaN吸收其能量，发生如下分解。
本发明的激光剥离技术是在高于650℃下进行，远高于Ga熔点，GaN和蓝宝石很容易就分离开来，从而得到GaN自支撑衬底。另外由于在不低于650℃下，蓝宝石和衬底之间的应力完全得到释放，所以得到的GaN衬底平整无翘曲。
具体实施例方式
本发明方案主要包括下面步骤1、采用金属有机物气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)或其他方法在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜。
2、将GaN薄膜/蓝宝石结构放在加热器上，GaN面朝下。在空气气氛下，加热器温度一般保持在不低于650℃，并且不高于800℃。在高于800℃时，要在氨气保护气氛下进行。
3、选择合适的激光器，在激光扫描辐照时在计算机控制的步进的扫描平台上进行，扫描平台运动的速率和激光辐照的频率有关系。将具有一定能量密度的激光垂直入射穿过蓝宝石，辐照蓝宝石/GaN界面。激光波长所对应的能量小于蓝宝石带隙，但是大于GaN的带隙。如采用Lambda Physik LPX 205i KrF紫外光受激准分子激光器(波长248nm，脉冲宽38ns)，激光能量密度从200～5000mJ/cm2变化。激光扫描辐照的时间按照一定的频率和速度在一个步进的扫描平台上进行(在计算机控制的二维扫描平台上)。扫描平台运动的速率和激光辐照的频率有关系，运动的速率应该小于每个激光光斑辐照的有效直径。
4、激光辐照完毕，蓝宝石衬底可以被很容易的清除掉。即可得到自支撑GaN衬底。
利用改进的激光辐照剥离技术，我们成功地获得了大尺寸(≥2英寸)平整、无裂缝自支撑GaN衬底。由于在高于650℃下，GaN中由蓝宝石引起的应力完全释放，获得的GaN衬底很平整，应力引起的翘曲情况被极大地改善了。
权利要求
1.改进的制备自支撑氮化镓衬底的激光剥离的方法，其特征是在650-800℃空气气氛中直接用合适波长的紫外激光器透过蓝宝石辐照GaN/蓝宝石样品，界面处的GaN被分解后，蓝宝石可以很容易的被去掉，即可得到GaN自支撑衬底。
2.如权利要求1所述的改进的制备自支撑氮化镓衬底的激光剥离的方法，其特征是在高于800℃时在氨气气氛保护下进行激光器透过蓝宝石辐照。
3.如权利要求1所述的改进的制备自支撑氮化镓衬底的激光剥离的方法，其特征是激光剥离前，GaN薄膜厚度在100微米以上。
4.如权利要求3所述的改进的制备自支撑氮化镓衬底的激光剥离的方法，其特征是激光剥离前，GaN薄膜在300微米以上。
全文摘要
改进的制备自支撑氮化镓衬底的激光剥离的方法，在650－800℃空气气氛中直接用合适波长的紫外激光器透过蓝宝石辐照GaN/蓝宝石样品，界面处的GaN被分解后，蓝宝石可以很容易的被去掉，即可得到GaN自支撑衬底。在高于800℃时在氨气气氛保护下进行激光器透过蓝宝石辐照。本发明经高于650℃激光剥离，GaN和蓝宝石很容易就分离开来，从而得到GaN自支撑衬底。且蓝宝石和衬底之间的应力完全得到释放，得到的GaN衬底平整无翘曲。
文档编号H01L21/268GK1794419SQ20051009524
公开日2006年6月28日 申请日期2005年11月4日 优先权日2005年11月4日
发明者修向前, 张 荣, 陈琳, 谢自力, 韩平, 顾书林, 江若琏, 胡立群, 朱顺明, 施毅, 郑有炓 申请人:南京大学