制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法
【專利摘要】一種制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，包括：取一襯底；在襯底上生長一層氧化鋅結(jié)晶層做為犧牲層；在氧化鋅結(jié)晶層上低溫生長一層半導(dǎo)體支撐層；在半導(dǎo)體支撐層的表面生長半導(dǎo)體單晶外延層，在生長過程中，使氧化鋅結(jié)晶層的氧化鋅分解，使半導(dǎo)體支撐層和半導(dǎo)體單晶外延層與襯底分離，該半導(dǎo)體支撐層和半導(dǎo)體單晶外延層為半導(dǎo)體晶體層；采用機(jī)械拋光的方法，將半導(dǎo)體晶體層的半導(dǎo)體支撐層去除，得到半導(dǎo)體單晶外延層，該半導(dǎo)體單晶外延層為非極性面或半極性面的單晶半導(dǎo)體自支撐襯底，完成制備。本發(fā)明具有低成本、大尺寸的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，特別是一種制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]如今，非極性面或半極性面的氮化鎵(GaN)和氮化鋁(AlN)發(fā)光二極管(LED)成為研究熱點(diǎn)。原因一方面在于，非極性面和半極性面材料不存在自發(fā)極化和壓電極化，可以避免量子限制斯塔克效應(yīng)，提高LED的內(nèi)量子效率。另一方面，由于非極性面和半極性面LED發(fā)射的光波為偏振光，可以將其直接用于平面顯示器的背光源，極大地簡化了平面顯示器背光照明的設(shè)計(jì)，從而降低了器件制備的復(fù)雜程度并降低成本。但是，襯底問題是限制非極性面和半極性面LED應(yīng)用的主要瓶頸之一。由于目前生長非極性面或半極性面的GaN和AlN材料通常采用R面或M面藍(lán)寶石等異質(zhì)襯底，而異質(zhì)外延使得外延材料晶體質(zhì)量較差，通常會在外延膜中存在高密度層錯(cuò)。因而同質(zhì)外延成為目前人們尋求的突破點(diǎn)之一。[0003]目前，市面上出售的非極性面或半極性面的GaN襯底多是將GaN晶錠沿其{1150}和{10?0}晶面切割獲得，但是由于采用氨熱法、高壓溶液法制備的GaN晶錠尺寸還很小，所以切割獲得GaN襯底尺寸也非常小。而AlN晶體由于制備技術(shù)還不成熟，所以目前并未有此方法制備的AlN襯底問世。另一種方法就是通過氫化物汽相外延技術(shù)(HVPE)先在諸如R面或者M(jìn)面藍(lán)寶石襯底或碳化硅襯底上異質(zhì)外延生長厚膜材料，然后采用反應(yīng)離子刻蝕或激光剝離技術(shù)等剝離襯底的方法去除襯底，從而獲得自支撐的非極性面和半極性面的GaN或AlN襯底。但是該方法剝離襯底不僅工藝復(fù)雜，不利于降低襯底成本，而且無法進(jìn)行大尺寸襯底的剝離。因此，采用新的方法盡量避免激光剝離等復(fù)雜的襯底剝離技術(shù)，并制備出大尺寸的自支撐GaN和AlN襯底是解決非極性面或半極性面的氮化鎵(GaN)和氮化鋁(AlN)發(fā)光二極管問題的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的是提供一種制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，以解決目前低成本、大尺寸非極性面或半極性面GaN和AlN自支撐襯底缺乏的現(xiàn)狀，進(jìn)而促進(jìn)非極性面或半極性面發(fā)光二極管(LED)的研究和產(chǎn)業(yè)化。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案提供一種制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，包括以下步驟:
[0006]步驟1:取一襯底，進(jìn)行表面清潔后，置于材料生長設(shè)備的生長室內(nèi)；
[0007]步驟2:在襯底上生長一層氧化鋅結(jié)晶層做為犧牲層；
[0008]步驟3:在氧化鋅結(jié)晶層上低溫生長一層半導(dǎo)體支撐層；
[0009]步驟4:將帶有氧化鋅結(jié)晶層和半導(dǎo)體支撐層的材料放置于鹵化物氣相外延設(shè)備的反應(yīng)室中，采用氫氣做載氣并在高溫條件下，在半導(dǎo)體支撐層的表面生長半導(dǎo)體單晶外延層，在生長過程中，由于高溫和氫氣對于氧化鋅結(jié)晶層的刻蝕作用，使氧化鋅結(jié)晶層的氧化鋅分解，使半導(dǎo)體支撐層和半導(dǎo)體單晶外延層與襯底分離，該半導(dǎo)體支撐層和半導(dǎo)體單晶外延層為半導(dǎo)體晶體層；
[0010]步驟5:采用機(jī)械拋光的方法，將半導(dǎo)體晶體層的半導(dǎo)體支撐層去除，得到半導(dǎo)體單晶外延層，該半導(dǎo)體單晶外延層為非極性面或半極性面的單晶半導(dǎo)體自支撐襯底，完成制備。
[0011]本發(fā)明的有益效果是，提供了一種簡單的制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，該方法省去了激光剝離技術(shù)等復(fù)雜的襯底剝離技術(shù)，簡化了整體的制備工藝，提高了襯底制備效率和良率，可以解決目前低成本、大尺寸非極性面或半極性面GaN和AlN自支撐襯底缺乏 的現(xiàn)狀，進(jìn)而促進(jìn)非極性面或半極性面發(fā)光二極管(LED)的研究和產(chǎn)業(yè)化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合具體實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中:
[0013]圖1是本發(fā)明的制備流程圖；
[0014]圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3是刻蝕掉氧化鋅結(jié)晶層2后，半導(dǎo)體支撐層3和半導(dǎo)體單晶外延層4與襯底I分離的示意圖；
[0016]圖4是去除半導(dǎo)體支撐層3后得到的半導(dǎo)體自支撐襯底的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]請參閱圖1，并結(jié)合參閱圖2-圖4所示，本發(fā)明提供一種制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，包括以下步驟:
[0018]步驟1:取一襯底1，進(jìn)行表面清潔后，置于材料生長設(shè)備的生長室內(nèi)，所述襯底I為非極性面或半極性面襯底，襯底I的材料為R面(10?2)藍(lán)寶石襯底、M面(10?0)藍(lán)寶石襯底、
(10T2)面碳化硅襯底或(iToo)面碳化硅襯底；所述材料生長設(shè)備為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積設(shè)備或脈沖激光沉積設(shè)備。
[0019]步驟2:在襯底I上生長一層氧化鋅結(jié)晶層2做為犧牲層，該氧化鋅結(jié)晶層2的厚度為 IOOnm 至 500nm ；
[0020]所述的氧化鋅結(jié)晶層2可以由金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備，在生長氧化鋅結(jié)晶層2之前，先將襯底I在1100°C并且通入氮?dú)獾臈l件下烘烤20分鐘，再使用氮?dú)夂脱鯕獾幕旌陷d氣氧化襯底3分鐘，然后以500-750°C生長一層厚度IOOnm至500nm的氧化鋅結(jié)晶層2。
[0021]所述的氧化鋅結(jié)晶層2也可以采用脈沖激光沉積技術(shù)制備，在襯底I上以700-800°C生長一層厚度IOOnm至500nm的氧化鋅結(jié)晶層2 ；
[0022]步驟3:在氧化鋅結(jié)晶層2上低溫生長一層半導(dǎo)體支撐層3，所述生長半導(dǎo)體支撐層3時(shí)的溫度低于800°C，以防止氧化鋅結(jié)晶層2中的氧化鋅在此過程中分解。生長半導(dǎo)體支撐層3的氣氛是氮?dú)饣驓鍤猓也荒芎腥魏胃g氧化鋅的成分。該半導(dǎo)體支撐層3的材料是氮化鎵或者氮化鋁，厚度為2 μ m至50 μ m，以保證在步驟4高溫外延過程中氧化鋅結(jié)晶層2分解時(shí)可以起到支撐上層半導(dǎo)體單晶外延層4的作用，而不至于使半導(dǎo)體單晶外延層4破碎。
[0023]該半導(dǎo)體支撐層3可以采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積或脈沖激光沉積技術(shù)制備。若采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備，半導(dǎo)體支撐層3的生長溫度要高于500°C，以保證該半導(dǎo)體支撐層3的材料為具有單一取向的織構(gòu)或單晶材料。
[0024]步驟4:將帶有氧化鋅結(jié)晶層2和半導(dǎo)體支撐層3的材料放置于鹵化物氣相外延設(shè)備的反應(yīng)室中，采用氫氣做載氣并在高溫條件下，在半導(dǎo)體支撐層3的表面生長半導(dǎo)體單晶外延層4，在生長過程中，由于高溫和氫氣對于氧化鋅結(jié)晶層2的刻蝕作用，使氧化鋅結(jié)晶層2的氧化鋅分解，使半導(dǎo)體支撐層3和半導(dǎo)體單晶外延層4與襯底I分離，該半導(dǎo)體支撐層3和半導(dǎo)體單晶外延層4為半導(dǎo)體晶體層10，所述生長半導(dǎo)體單晶外延層4的生長溫度高于800°C，以保證氧化鋅可以在此生長溫度下分解，所述生長的半導(dǎo)體單晶外延層4的厚度為100-800 μ m ；
[0025]所述半導(dǎo)體單晶外延層4的材料若為氮化鎵材料，則其最優(yōu)的生長溫度為950-11000C ;所述半導(dǎo)體單晶外延層4的材料若為氮化鋁材料，則其最優(yōu)的生長溫度為1200-1600°C。
[0026]若在高溫生長過程中氧化鋅結(jié)晶層2不能完全分解以至于無法實(shí)現(xiàn)在生長過程中半導(dǎo)體晶體層10與襯底I分離，可在生長之后將仍鍵合在襯底I上的半導(dǎo)體晶體層10放入酸溶液中，將剩余的氧化鋅腐蝕掉，以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶體層10從襯底I上剝離。所述的刻蝕氧化鋅的酸溶液可以是稀鹽酸或稀硫酸等溶液，但要保證該酸溶液在去除氧化鋅的同時(shí)，不可以與半導(dǎo)體晶體層10材料發(fā)生反應(yīng)。
[0027]步驟5:采用機(jī)械拋光的方法，將半導(dǎo)體晶體層10的半導(dǎo)體支撐層3去除，得到半導(dǎo)體單晶外延層4，該半導(dǎo)體單晶外延層4為非極性面或半極性面的單晶半導(dǎo)體自支撐襯底，該非極性面或半極性面的單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的材料為氮化鎵或氮化鋁，完成制備。
[0028]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，包括以下步驟: 步驟1:取一襯底，進(jìn)行表面清潔后，置于材料生長設(shè)備的生長室內(nèi)； 步驟2:在襯底上生長一層氧化鋅結(jié)晶層做為犧牲層； 步驟3:在氧化鋅結(jié)晶層上低溫生長一層半導(dǎo)體支撐層； 步驟4:將帶有氧化鋅結(jié)晶層和半導(dǎo)體支撐層的材料放置于鹵化物氣相外延設(shè)備的反應(yīng)室中，采用氫氣做載氣并在高溫條件下，在半導(dǎo)體支撐層的表面生長半導(dǎo)體單晶外延層，在生長過程中，由于高溫和氫氣對于氧化鋅結(jié)晶層的刻蝕作用，使氧化鋅結(jié)晶層的氧化鋅分解，使半導(dǎo)體支撐層和半導(dǎo)體單晶外延層與襯底分離，該半導(dǎo)體支撐層和半導(dǎo)體單晶外延層為半導(dǎo)體晶體層； 步驟5:采用機(jī)械拋光的方法，將半導(dǎo)體晶體層的半導(dǎo)體支撐層去除，得到半導(dǎo)體單晶外延層，該半導(dǎo)體單晶 外延層為非極性面或半極性面的單晶半導(dǎo)體自支撐襯底，完成制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，其中所述襯底I為非極性面或半極性面襯底，襯底的材料為R面(10?2)藍(lán)寶石襯底、M面(IOTO)藍(lán)寶石襯底、(I O T 2)面碳化硅襯底或(1100)面碳化硅襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，其中氧化鋅結(jié)晶層的厚度為IOOnm至500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，其中生長半導(dǎo)體支撐層時(shí)的溫度低于800°C,生長氣氛是氮?dú)饣騃S氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，其中半導(dǎo)體支撐層的材料是氮化鎵或者氮化鋁。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，其中半導(dǎo)體支撐層的厚度為2 μ m至50 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，其中生長半導(dǎo)體單晶外延層的生長溫度高于800°C，以保證氧化鋅可以在此生長溫度下分解。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，其中生長的半導(dǎo)體單晶外延層的厚度為100-800 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備非極性面或半極性面單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的方法，其中非極性面或半極性面的單晶半導(dǎo)體自支撐襯底的材料為氮化鎵或氮化鋁。
【文檔編號】H01L33/00GK103956417SQ201410191726
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】張恒, 魏鴻源, 楊少延, 趙桂娟, 金東東, 王建霞, 李輝杰, 劉祥林, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所