CN113161226A - 一种基于等离子体cvd的氮化镓单结晶基板制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于等离子体CVD的氮化镓单结晶基板制造方法，包括四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)，包括以下步骤：S1、选取四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)作为基板衬底本发明；S2、采用等离子体CVD或热CVD方法中的一种方法，在所述四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底上形成二氧化硅(SiO2)薄膜层；S3、在S2步骤中形成的二氧化硅(SiO2)薄膜层上通过HVPE方法在高温下外延生长氮化镓(GaN)单晶层；S4、将氮化镓(GaN)单晶层上的四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底和二氧化硅(SiO2)薄膜层去除。本发明利用等离子体CVD或热CVD方法和HVPE方法进行二级生长，有效避免氮化镓(GaN)晶体生长时损伤四氧化镁铝钪衬底，实现无位错、无结晶缺陷的高品质氮化镓(GaN)结晶基板的制造。
Description
技术领域
本发明涉及氮化镓材料制备相关技术领域，具体为一种基于等离子体CVD 的氮化镓单结晶基板制造方法。
背景技术
GaN是第三代宽禁带半导体的典型代表，已被广泛应用于半导体照明、微波功率器件和电力电子器件等方面，展现出巨大的应用前景。用于氮化镓生长的最理想衬底自然是氮化镓单晶材料，这样的同质外延(即外延层和衬底是同一种材料)可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。
但是氮化镓单晶生长困难，价格昂贵，大规模化同质外延生长目前仍然没有可能。因此，目前氮化镓单晶制备仍然采用异质外延，如蓝宝石(αAl2O3)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、铝镁酸钪(ScAlMgO4)等材质制造的基板,通过氢化物气相外延(HVPE)法制得由GaN层层叠而成的复合基板,或者将层叠而成的 GaN层从异种材料的基板上剥离或者切片后,作为GaN独立基板使用。如果将氮化镓的晶格常数设为1，则砷化镓为氮化镓的1.09倍，碳化硅为2.91倍，蓝宝石为2.51倍，并且如果将氮化镓的热膨胀系数设为1，则砷化镓为氮化镓的1.08倍，碳化硅为0.87倍，蓝宝石为1.36倍，因此，当在以这些材料制成的基板上生长GaN结晶时,因为生长的结晶和基板间的晶格常数和热膨胀系数的差异,导致成长的GaN内部产生应力,使得结晶缺陷甚至断裂，而受到 GaN内部残留应力的影响,晶片整体会产生变形翘起。另外，铝镁酸钪同氮化镓相比，晶格常数为1.01倍，热膨胀系数为1.1倍，几乎相等，不过如果将其用作GaN晶体生长的衬底，在一般的HVPE方法中，氮化镓(GaN)晶体生长时会损伤四氧化镁铝钪衬底，与上述方法一样都无法避免结晶缺陷的发生，相比之下情况并没有得到显著的改善，因此发明人设计了一种基于等离子体 CVD的氮化镓单结晶基板制造方法，解决上述技术问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于等离子体CVD的氮化镓单结晶基板制造方法，解决了氮化镓(GaN)晶体生长时会损伤四氧化镁铝钪 (ScAlMgO4)衬底的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于等离子体CVD的氮化镓单结晶基板制造方法，包括四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)，包括以下步骤：
S1、选取四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)作为基板衬底；
S2、采用等离子体CVD或热CVD方法中的一种方法，在所述四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底上形成二氧化硅(SiO2)薄膜层；
S3、在S2步骤中形成的二氧化硅(SiO2)薄膜层上通过HVPE气相生长法在高温下外延生长氮化镓(GaN)单晶层；
S4、将氮化镓(GaN)单晶层上的四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底和二氧化硅(SiO2)薄膜层去除，获得氮化镓(GaN)单结晶基板；
S5、采用研磨机和抛光机先后对氮化镓(GaN)单晶层研磨和抛光处理；
S6、采用碱性水溶液将氮化镓(GaN)单结晶基板洗净。
优选的，所述S2步骤中，通过等离子体CVD装置在四氧化镁铝钪 (ScAlMgO4)基板衬底上形成二氧化硅(SiO2)薄膜层,等离子体CVD方法在低温或常温环境下即可实施，热CVD方法需在700℃-900℃温度环境下实施。
优选的，所述步骤S3中，在800-1050℃的高温反应条件下，通过HVPE 气相生长法促成氮化镓(GaN)单晶层的外延生长，并控制氮化镓(GaN)单晶层厚度在四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底厚度的0.2-1.5倍之间。
优选的，所述步骤S4中，通过对四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底和氮化镓(GaN)单晶层之间施加横向物理应力，使得氮化镓(GaN)单晶层从四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底上剥离，采用线切割设备对氮化镓(GaN) 单晶层进行切片，切割方向垂直于氮化镓(GaN)单晶层的中轴线方向。
优选的，所述步骤S5中，采用胶态二氧化硅的化学机械研磨抛光法研磨抛光氮化镓(GaN)单晶层表面。
优选的，所述步骤S6中，采用碱性水溶液、硬度低于氮化镓(GaN)单晶层且吸收碱性水溶液的高分子化合物材料，在氮化镓(GaN)单晶层表面的平行方向移动擦刷洗净。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于等离子体CVD的氮化镓单结晶基板制造方法。具备以下有益效果：
在本发明中，利用等离子体CVD或热CVD方法和HVPE方法进行二级生长，在第一阶段，通过等离子体CVD或热CVD方法在四氧化镁铝钪ScAlMgO4(SCAM) 基板衬底上形成SiO2薄膜层，在作为第二阶段的第一阶段形成的SiO2薄膜层上通过HVPE气相生长法在高温下外延生长GaN单晶层，进而除去SCAM基板来制造GaN单晶基板，有效避免氮化镓(GaN)晶体生长时损伤四氧化镁铝钪衬底，实现无位错、无结晶缺陷的高品质氮化镓(GaN)结晶基板的制造。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种基于等离子体CVD的氮化镓单结晶基板制造方法，包括四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)，包括以下步骤：
S1、选取四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)作为基板衬底；
S2、采用等离子体CVD或热CVD方法中的一种方法，在所述四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底上形成二氧化硅(SiO2)薄膜层，通过等离子体CVD 装置在四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底上形成二氧化硅(SiO2)薄膜层, 等离子体CVD方法在低温或常温环境下即可实施，热CVD方法需在700℃ -900℃温度环境下实施；
S3、在S2步骤中形成的二氧化硅(SiO2)薄膜层上通过HVPE气相生长法在高温下外延生长氮化镓(GaN)单晶层，在800-1050℃的高温反应条件下，通过HVPE气相生长法促成氮化镓(GaN)单晶层的外延生长，并控制氮化镓 (GaN)单晶层厚度在四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底厚度的0.2-1.5倍之间；
S4、将氮化镓(GaN)单晶层上的四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底和二氧化硅(SiO2)薄膜层去除，获得氮化镓(GaN)单结晶基板，通过对四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底和氮化镓(GaN)单晶层之间施加横向物理应力，使得氮化镓(GaN)单晶层从四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底上剥离，采用线切割设备对氮化镓(GaN)单晶层进行切片，切割方向垂直于氮化镓 (GaN)单晶层的中轴线方向；
S5、采用研磨机和抛光机先后对氮化镓(GaN)单晶层研磨和抛光处理，采用胶态二氧化硅的化学机械研磨抛光法研磨抛光氮化镓(GaN)单晶层表面；
S6、采用碱性水溶液将氮化镓(GaN)单结晶基板洗净，采用碱性水溶液、硬度低于氮化镓(GaN)单晶层且吸收碱性水溶液的高分子化合物材料，在氮化镓(GaN)单晶层表面的平行方向移动擦刷洗净，碱性水溶液为选自由氢氧化钾及氢氧化钠所组成的群且碱的浓度为0.05～0.5质量％的碱性水溶液，高分子化合物材料由三聚氰胺泡棉树脂、多孔性聚乙烯醇树脂、纤维状聚酯树脂、或尼龙树脂所组成。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个引用结构”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种基于等离子体CVD的氮化镓单结晶基板制造方法，包括四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)作为基板衬底；
S2、采用等离子体CVD或热CVD方法中的一种方法，在所述四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底上形成二氧化硅(SiO2)薄膜层；
S3、在S2步骤中形成的二氧化硅(SiO2)薄膜层上通过HVPE气相生长法在高温下外延生长氮化镓(GaN)单晶层；
S4、将氮化镓(GaN)单晶层上的四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底和二氧化硅(SiO2)薄膜层去除，获得氮化镓(GaN)单结晶基板；
S5、采用研磨机和抛光机先后对氮化镓(GaN)单晶层研磨和抛光处理；
S6、采用碱性水溶液将氮化镓(GaN)单结晶基板洗净。
2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体CVD的氮化镓单结晶基板制造方法，其特征在于：所述S2步骤中，通过等离子体CVD装置在四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底上形成二氧化硅(SiO2)薄膜层,等离子体CVD方法在低温或常温环境下即可实施，热CVD方法需在700℃-900℃温度环境下实施。
3.根据权利要求1所述的一种基于等离子体CVD的氮化镓单结晶基板制造方法，其特征在于：所述步骤S3中，在800-1050℃的高温反应条件下，通过HVPE气相生长法促成氮化镓(GaN)单晶层的外延生长，并控制氮化镓(GaN)单晶层厚度在四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底厚度的0.2-1.5倍之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于等离子体CVD的氮化镓单结晶基板制造方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过对四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底和氮化镓(GaN)单晶层之间施加横向物理应力，使得氮化镓(GaN)单晶层从四氧化镁铝钪(ScAlMgO4)基板衬底上剥离，采用线切割设备对氮化镓(GaN)单晶层进行切片，切割方向垂直于氮化镓(GaN)单晶层的中轴线方向。
5.根据权利要求1所述的一种基于等离子体CVD的氮化镓单结晶基板制造方法，其特征在于：所述步骤S5中，采用胶态二氧化硅的化学机械研磨抛光法研磨抛光氮化镓(GaN)单晶层表面。
6.根据权利要求1所述的一种基于等离子体CVD的氮化镓单结晶基板制造方法，其特征在于：所述步骤S6中，采用碱性水溶液、硬度低于氮化镓(GaN)单晶层且吸收碱性水溶液的高分子化合物材料，在氮化镓(GaN)单晶层表面的平行方向移动擦刷洗净。
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