專利名稱：改進的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法
技術領域：
本發明涉及改進藍寶石襯底上剝離氮化鎵(GaN)的激光剝離技術，并同時降低獲得的無裂縫自支撐GaN襯底中應力的方法和技術。
背景技術：
以GaN及InGaN、AlGaN合金材料為主的III-V族氮化物材料(又稱GaN基材料)是近幾年來國際上倍受重視的新型半導體材料，其1.9-6.2eV連續可變的直接帶隙，優異的物理、化學穩定性，高飽和電子漂移速度，高擊穿場強和高熱導率等優越性能使其成為短波長半導體光電子器件和高頻、高壓、高溫微電子器件制備的最優選材料。
由于GaN本身物理性質的限制，GaN體單晶的生長具有很大的困難，尚未實用化。然而，用GaN襯底進行同質外延獲得III族氮化物薄膜材料卻顯示出了極其優越的性能，因此用低位錯密度襯底進行GaN同質外延是改善III族氮化物外延層質量的較好辦法。
目前，大面積GaN襯底通常都是在異質襯底(如藍寶石、SiC、Si等)上氣相生長GaN厚膜，然后將原異質襯底分離后獲得的。藍寶石是目前生長GaN使用最普遍的異質襯底。為了得到自支撐GaN襯底，必須除去藍寶石襯底。由于藍寶石極其穩定，難以采用化學腐蝕方法。一般的方法是機械磨削，但因藍寶石很硬，不僅要消耗大量的金剛石磨料，成本很高而且速度極慢。激光輻照的方法，是利用激光對GaN厚膜和襯底的界面區加熱使之熔化，從而獲得自支撐的GaN襯底。激光剝離方法的優點是時間快，藍寶石襯底可回收使用。
采用激光剝離方法，需要首先將樣品粘結在其他的襯底上，即GaN轉移技術。常用的粘結劑是有機膠(如硅橡膠，環氧樹脂等)或者金屬合金。但是在將藍寶石襯底去掉后，為了獲得自支撐的GaN襯底，還需要將有機膠或者合金去除。有機膠由于固化后，很難溶解于溶劑中；即使采用能夠溶解的有機膠(如有機玻璃)，在溶解的過程中，由于膠本身會發生體積變化，很容易使GaN碎裂，從而影響到GaN襯底的完整性。采用將有機膠氧化焚燒的方法，反應過程中的體積變化和產生的氣體也會將GaN襯底碎裂，很難獲得完整的GaN襯底。而合金去除一般采用酸腐蝕的方法，過程中產生的氣體(如氫氣)同樣也會使得GaN碎裂，降低了產率。另外采用的黏附襯底(如硅片和藍寶石等)，也需要同時去掉，會增加工藝難度和成本。
在本發明中，我們采用激光掃描輻照技術，直接從藍寶石襯底上將GaN薄膜剝離下來，獲得自支撐無裂縫GaN襯底。
發明內容
本發明目的是無需采用襯底轉移的方法，而是用激光掃描輻照技術直接將GaN薄膜從藍寶石襯底上剝離下來，獲得無裂縫自支撐GaN襯底。
本發明的技術解決方案是改進的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法，在650-800℃下空氣氣氛中直接用合適波長的紫外激光器透過藍寶石輻照GaN/藍寶石樣品，界面處的GaN被分解后，藍寶石可以很容易的被去掉，即可得到GaN自支撐襯底。在650-800℃只需要在普通空氣氣氛中溫度下加熱GaN/藍寶石襯底，采用激光輻照的方法，利用激光透過藍寶石襯底對GaN厚膜和藍寶石襯底的界面區加熱使界面處的GaN分解，就可以將GaN和藍寶石分離開來，從而獲得自支撐的GaN襯底。由于剝離在650℃以上的溫度下進行，此時GaN中的應力可以得到釋放，從而減少了自支撐GaN的翹曲，獲得平整無應力的GaN襯底。這里的GaN薄膜厚度應該不低于100微米，最好是在300微米以上，可以獲得幾乎百分之百的成功。
該方法也可以在800以上，如在800-900℃進行，但由于GaN在這樣高的溫度下容易分解，所以此時激光輻照要在氨氣保護氣氛下進行。
本發明的機理和技術特點是在激光剝離技術中激光波長所對應的能量小于藍寶石帶隙，但是大于GaN的帶隙。激光穿透藍寶石襯底到達藍寶石/GaN界面時，GaN吸收其能量，發生如下分解。
本發明的激光剝離技術是在高于650℃下進行，遠高于Ga熔點，GaN和藍寶石很容易就分離開來，從而得到GaN自支撐襯底。另外由于在不低于650℃下，藍寶石和襯底之間的應力完全得到釋放，所以得到的GaN襯底平整無翹曲。
具體實施例方式
本發明方案主要包括下面步驟1、采用金屬有機物氣相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氫化物氣相外延(HVPE)或其他方法在藍寶石襯底上生長GaN薄膜。
2、將GaN薄膜/藍寶石結構放在加熱器上，GaN面朝下。在空氣氣氛下，加熱器溫度一般保持在不低于650℃，并且不高于800℃。在高于800℃時，要在氨氣保護氣氛下進行。
3、選擇合適的激光器，在激光掃描輻照時在計算機控制的步進的掃描平臺上進行，掃描平臺運動的速率和激光輻照的頻率有關系。將具有一定能量密度的激光垂直入射穿過藍寶石，輻照藍寶石/GaN界面。激光波長所對應的能量小于藍寶石帶隙，但是大于GaN的帶隙。如采用Lambda Physik LPX 205i KrF紫外光受激準分子激光器(波長248nm，脈沖寬38ns)，激光能量密度從200～5000mJ/cm2變化。激光掃描輻照的時間按照一定的頻率和速度在一個步進的掃描平臺上進行(在計算機控制的二維掃描平臺上)。掃描平臺運動的速率和激光輻照的頻率有關系，運動的速率應該小于每個激光光斑輻照的有效直徑。
4、激光輻照完畢，藍寶石襯底可以被很容易的清除掉。即可得到自支撐GaN襯底。
利用改進的激光輻照剝離技術，我們成功地獲得了大尺寸(≥2英寸)平整、無裂縫自支撐GaN襯底。由于在高于650℃下，GaN中由藍寶石引起的應力完全釋放，獲得的GaN襯底很平整，應力引起的翹曲情況被極大地改善了。
權利要求
1.改進的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法，其特征是在650-800℃空氣氣氛中直接用合適波長的紫外激光器透過藍寶石輻照GaN/藍寶石樣品，界面處的GaN被分解后，藍寶石可以很容易的被去掉，即可得到GaN自支撐襯底。
2.如權利要求1所述的改進的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法，其特征是在高于800℃時在氨氣氣氛保護下進行激光器透過藍寶石輻照。
3.如權利要求1所述的改進的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法，其特征是激光剝離前，GaN薄膜厚度在100微米以上。
4.如權利要求3所述的改進的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法，其特征是激光剝離前，GaN薄膜在300微米以上。
全文摘要
改進的制備自支撐氮化鎵襯底的激光剝離的方法，在650－800℃空氣氣氛中直接用合適波長的紫外激光器透過藍寶石輻照GaN/藍寶石樣品，界面處的GaN被分解后，藍寶石可以很容易的被去掉，即可得到GaN自支撐襯底。在高于800℃時在氨氣氣氛保護下進行激光器透過藍寶石輻照。本發明經高于650℃激光剝離，GaN和藍寶石很容易就分離開來，從而得到GaN自支撐襯底。且藍寶石和襯底之間的應力完全得到釋放，得到的GaN襯底平整無翹曲。
文檔編號H01L21/268GK1794419SQ20051009524
公開日2006年6月28日 申請日期2005年11月4日 優先權日2005年11月4日
發明者修向前, 張 榮, 陳琳, 謝自力, 韓平, 顧書林, 江若璉, 胡立群, 朱順明, 施毅, 鄭有炓 申請人:南京大學