专利名称：一种制备GaN薄膜材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种降低氢化物气相外延(HVPE)生长半导体材料GaN薄膜材料中应力的方法以及工艺。尤其是高质量低应力GaN薄膜的方法。
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。GaN基材料是直接带隙宽禁带半导体材料，具有I. 9-6. 2eV之间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，在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等方面具有重要的应用，用于制造比如蓝、紫、紫外波段发光器件、探测器件，高温、高频、高场大功率器件，场发射器件，抗辐射器件，压电器件等。GaN基材料的生长有很多种方法，如金属有机物气相外延(M0CVD)、高温高压合成体GaN单晶、分子束外延(MBE)、升华法以及氢化物气相外延(HVPE)等。由于GaN基材料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。氢化物气相外延由于具有高的生长率和横向-纵向外延比，可用于同质外延生长自支撑GaN衬底，引起广泛地重视和研究。早期人们主要采用氢化物气相外延(HVPE)方法在蓝宝石衬底上直接生长GaN基材料，再加以分离，获得GaN衬底材料。此法的突出缺点是GaN外延层中位错密度很高，一般达IOiciCnT2左右。目前的主要方法是采用横向外延、悬挂外延等方法，辅以HVPE高速率外延技术生长厚膜，最后将原衬底去除，从而获得位错密度较低的自支撑GaN衬底材料。迄今为止，HVPE生长得到的自支撑GaN衬底，位错密度低于106cm_2，面积已经达到2英寸。但是仍然远远不能满足实际应用的需求。由于GaN只能生长在异质衬底如蓝宝石、硅等衬底上，晶格失配和热失配造成GaN薄膜内部具有大的应力，造成GaN基器件性能很难提高。另外，巨大的应力会造成GaN厚膜 和异质衬底裂成碎片，因而无法应用。因此降低或者消除GaN厚膜中的应力，是有效发挥GaN材料潜能的重要解决方法。本发明给出了降低氢化物气相外延(HVPE)生长半导体材料GaN薄膜材料中应力和获得自支撑GaN衬底的方法以及工艺。
发明内容
本发明目的是因现有的GaN薄膜生长在异质衬底如蓝宝石等上面，晶格失配和热失配会引起GaN薄膜中存在较大的应力。应力的存在会造成GaN基材料性能的降低。本发明提出降低氢化物气相外延(HVPE)生长半导体材料GaN薄膜材料中应力方法。本发明技术方案是制备高质量低应力GaN薄膜材料的方法，在GaN/蓝宝石复合衬底上蒸镀金属镍(Ni)薄膜，镍(Ni)薄膜GaN/蓝宝石复合衬底在高温石英炉中进行高温退火处理温度600-1000°C，时间5-60分钟；气氛为氨气，流量100-5000毫升/分钟；退火完成后迅速通入氮气以排空氨气，待降温到室温后取出样品；高温退火在GaN/蓝宝石复合衬底上得到纳米Ni颗粒，然后采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)方式蚀刻未被Ni覆盖的GaN/蓝宝石复合衬底上的GaN，形成纳米结构的GaN/蓝宝石复合衬底；
在此纳米结构复合衬底上进行GaN的氢化物气相外延(HVPE)生长得到低应力高质量的GaN薄膜或者自支撑GaN衬底材料。在退火气氛和温度控制的条件下进行退火，得到不同尺寸大小的Ni颗粒。Ni金属颗粒刻蚀速率比GaN刻蚀速率慢，从而刻蚀出GaN纳米结构(纳米柱或者纳米点)。所述的纳米结构GaN/蓝宝石复合衬底放在HVPE生长系统中进行横向外延生长，得到低应力GaN薄膜。电感耦合等离子体刻蚀(ICP)腔体，对样品进行等离子体刻蚀。ICP参数为(12的气体流量为IO-IOOcmVmin; BCl3的气体流量为1_50 cm3/min;射频功率和ICP功率分别为50-300W和100-500W，压强为1E-09 Pa量级；刻蚀时间50-1000S。 高质量低应力GaN薄膜。控制ICP刻蚀得到的纳米结构GaN的分布和尺度，也可以实现GaN薄膜和蓝宝石之间的自分离，从而获得低应力自支撑GaN衬底材料。在降温后实现GaN厚膜从蓝宝石上面的分离，得到高质量低应力的GaN衬底材料。本发明有益效果是给出了一种降低氢化物气相外延(HVPE)生长半导体材料GaN薄膜材料中应力的方法以及工艺。
图I为本发明实施例照片示意图，镀金属Ni薄膜退火后形成的纳米Ni颗粒形貌。氨气气氛，800度，氨气流量800毫升/分钟。图2为本发明实施例照片示意图，是图I中的样品在ICP刻蚀后形成的GaN纳米结构形貌。
具体实施例方式本发明方法和工艺包括几个部分金属Ni薄膜在GaN/蓝宝石复合衬底上的物理气相沉积；金属Ni薄膜的气氛退火处理；电感耦合等离子体刻蚀GaN/蓝宝石复合衬底；GaN薄膜的HVPE再生长。金属Ni薄膜的厚度和退火后Ni颗粒的大小，视GaN纳米结构的长度尺寸定。较厚的Ni薄膜和较大的Ni颗粒，有助于获得纵向和横向尺寸较长和较粗的GaN纳米结构。本发明技实施方式之一，制备低应力GaN薄膜，包括下面几步
I、GaN/蓝宝石复合衬底的清洗和处理。2、GaN/蓝宝石复合衬底放入物理气相沉积装置反应腔内，在一定反应腔体压力和金属源温度下，即可开始金属Ni薄膜的蒸镀。Ni薄膜沉积速率设置约为1-2埃/秒，Ni纳米薄膜厚度5-50nm。3、将步骤2中的样品放入高温石英炉中进行高温退火处理。参数温度600-1000°C，时间5-60分钟；气氛为氨气，流量100-5000毫升/分钟。刻蚀完成后迅速通入氮气以排空氨气，待降温到室温后取出样品。 4、将步骤3中的样品清洗后，放入电感耦合等离子体刻蚀(ICP)腔体，对样品进行等离子体刻蚀。ICP参数为=Cl2的气体流量为IO-IOOcm3Aiin; BCl3的气体流量为1_50cmVmin;射频功率和ICP功率分别为50-300W和100-500W，压强为1E-09 Pa量级；刻蚀时间 50-1000S。5、将步骤4中的样品清洗后，放入氢化物气相外延设备中，进行HVPE横向外延生长GaN。具体参数可参考专利ZL021113084. I横向外延技术生长高质量氮化镓薄膜。6、将步骤5中样品取出，即获得高质量低应力GaN薄膜材料。 7、控制步骤2-5中的参数，可以实现GaN薄膜和蓝宝石之间的分离，从而获得自支撑低应力GaN衬底材料。
权利要求
1.一种制备GaN薄膜材料的方法，其特征是在GaN/蓝宝石复合衬底上蒸镀金属镍(Ni)薄膜，退火得到纳米Ni颗粒，然后采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)方式蚀刻未被Ni覆盖的GaN/蓝宝石复合衬底上的GaN，形成纳米结构的GaN/蓝宝石复合衬底；在此纳米结构复合衬底上进行GaN的氢化物气相外延(HVPE)生长得到低应力高质量的GaN薄膜或者自支撑GaN衬底材料。
2.根据权利要求I所述的制备GaN薄膜材料的方法，其特征是金属Ni退火成纳米Ni颗粒时，在特定气氛、特定温度下进行退火，得到不同尺寸大小的Ni颗粒。
3.根据权利要求I所述的制备GaN薄膜材料的方法，其特征是电感耦合等离子体(ICP)刻蚀GaN工艺中，Ni金属颗粒刻蚀速率比GaN刻蚀速率慢，从而刻蚀出纳米柱或者纳米点的GaN纳米结构。
4.根据权利要求I至3之一所述的制备GaN薄膜材料的方法，其特征是氢化物气相外延生长进行横向外延生长的工艺中，将纳米结构的GaN/蓝宝石复合衬底放在HVPE生长系统中进行横向外延生长，得到低应力GaN薄膜。
全文摘要
制备GaN薄膜材料的方法，在GaN/蓝宝石复合衬底上蒸镀金属镍(Ni)薄膜，退火得到纳米Ni颗粒，然后采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)方式蚀刻未被Ni覆盖的GaN/蓝宝石复合衬底上的GaN，形成纳米结构的GaN/蓝宝石复合衬底。在此纳米结构复合衬底上进行GaN的氢化物气相外延(HVPE)生长得到低应力高质量的GaN薄膜或者自支撑GaN衬底材料。本发明获得低应力高质量GaN薄膜材料。
文档编号C30B25/16GK102828240SQ20121031695
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者修向前, 华雪梅, 林增钦, 张士英, 谢自力, 张 荣, 韩平, 陆海, 顾书林, 施毅, 郑有炓 申请人:南京大学