一种改善GaN厚膜生长缩径效应的正多边形基板及生长方法

技术领域

本发明涉及第三代半导体GaN自支撑衬底材料制备技术领域，具体为一种改善GaN厚膜生长缩径效应的正多边形基板及生长方法。

背景技术

氮化镓作为第三代半导体的代表性材料，是一种直接带隙半导体，禁带宽度为3.4eV，能与氮化铟(InN)，氮化铝(AlN)以任意比例形成固溶体，此类固溶体的禁带宽度可在0.7eV-6.2eV连续变化，其光谱范围涵盖了红外到紫外的区域，因此在可见光及紫外光发射方面有广泛应用。此外，氮化镓抗击穿电压高，饱和电子迁移率高，在高频高功率电子器件等方面，也受到了越来越广泛的关注。

传统GaN外延生长都是在Al2O3，Si，SiC等异质衬底上进行。异质外延生长存在的一个普遍的问题是衬底与GaN之间具有较大晶格失配及热膨胀系数失配，这会带来大量缺陷，导致位错密度大，应力大，严重影响器件的性能提升。另外，因蓝宝石热导率较差，在其上生长的异质GaN较难实现垂直结构器件制作。随着自支撑GaN衬底的成熟商用,GaN同质外延生长技术也得到迅速发展，同质外延可以很好的避免异质外延生长缺陷的产生。高质量的GaN(0001)自支撑衬底材料在氮化镓蓝绿光激光器,高功率LED,RF射频器件等垂直器件应用领域优势明显。

高质量GaN单晶生长制备方法有MOCVD(金属有机气象外延)法，氨热法，Na熔法，HVPE(卤化物气象外延)法等。相较来看，HVPE(卤化物气象外延)生长GaN单晶的方法优势明显：生长速率快，可以达到200～300um/hr，比MOCVD生长速率快30～50倍，可以连续生长5毫米及以上晶锭，经切磨抛后制成GaN单晶衬底。加之如上文所述GaN自支撑衬底上的同质外延生长有其他基板无可比拟天然优势，因此采用HVPE方法制备高质量的GaN单晶衬底技术受到广泛重视和发展。

目前商业化的HVPE法单晶GaN生长主要有单片法和晶棒法。

单片法主要是在衬底上做一些技术处理(如：掩膜图形化)，让异质衬底和GaN生长形成弱连接，两种材料的热膨胀系数不一致，生长完成降温至600度左右GaN从异质衬底上实现自剥离，这种单片自剥离的方法会在剥离过程中会出现开裂产出良率偏低、低厚度位错密度较大晶体质量较差等劣势。

晶棒法是利用HVPE高生长速率的优势，一次生长3～8mmGaN单晶厚膜，使用的基底可以是异质衬底(如：蓝宝石，砷化镓)，厚膜生长完成降温时和单片法一样原理产生和异质衬底的自剥离，剥离下来的GaN晶锭经后道切磨抛工艺处理，一个晶锭可制备多片GaN单晶衬底。且因生长厚度较厚，自剥离发生开裂的机率要比单片低很多。基底更优的可以使用同质GaN基底，GaN晶体质量会随着生长厚度的增加而逐渐变好，因此，经切磨抛后制备的GaN单晶衬底比单片法制备的GaN衬底晶体质量高。

晶棒法虽然有比较好的经济成本和质量上的优势，但目前还有以下两个技术难关需要攻克：1、长时间的高速生长，GaN厚膜边缘会随着厚度的增厚形成多晶；随着多晶沉积在边缘的聚集会严重影响边缘甚至整个生长面上的气流均布，容易引入台阶状pits形貌，影响GaN生长质量。2、GaN厚膜生长的边缘缩径效应造成生长面的有效尺寸变小。形成缩径效应的原因较复杂，通常有以下3种原因：

1、衬底在前道加工中不可避免的带来边缘和中间的性状差异，生长在此衬底上的GaN膜也会造成边缘生长差的现象；

2、边缘气流和其他区域不连续带来的差异；

3、GaN的垂直晶面(与C面垂直，晶面为**0)并不稳定，而是(102)，(112)稳定(实际上就是常规PITS的晶向)，容易形成稳定的大概30～60度的倾角，也就是生长是上小下大的晶台，形成生长越厚缩径效应更明显。同时这个斜坡上的后续生长(气体扩散进入)会引起多晶。

因此发明人设计了一种改善GaN厚膜生长缩径效应的正多边形基板及生长方法，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，本发明提供了一种改善GaN厚膜生长缩径效应的正多边形基板及生长方法，解决了GaN厚膜生长的边缘缩径效应降低产品质量的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种改善GaN厚膜生长缩径效应的正多边形基板及生长方法，包括生长基座，所述生长基座的顶部设置有多边形凸起，生长基座的顶部通过放置有钝化盖环和正多边形基板，钝化盖环上开设有与多边形凸起和正多边形基板相适配的多边槽，正多边形基板设置在多边槽内。

优选的，所述多边形凸起、多边槽和正多边形基板的横向截面形状相同，生长基座、多边形凸起、钝化盖环、多边槽和正多边形基板的垂直中心线相重合。

优选的，所述正多边形基板的底部表面与多边形凸起的表面相贴合，正多边形基板的顶部表面突出多边槽的内侧。

优选的，所述正多边形基板突出多边槽部分设置有边缘倒角。

优选的，所述生长基座采用高纯石墨、SiC涂层石墨或高纯碳化硅基座中的一种。

优选的，所述钝化盖环采用金属钨、碳化钨或金属钽中的一种或多种制成。

一种改善GaN厚膜生长缩径效应的正多边形基板及生长方法，该方法包括以下步骤：

S1、选用用于生长GaN外延层的圆形单晶基板，基板尺寸2-6英寸，基板3采用Al2O3、GaAs、Si、SiC、ScAlMgO4或GaN中的一种或多种制成；

S2、采用S1步骤中的基板，先通过MOCVD(金属有机化学气象沉积)技术生长一层3-5um的非掺杂GaN层，形成MOCVD-GaNTemplate，MOCVD外延生长通入原料III族为TMGa，V族为高纯气体NH3，非掺杂GaN薄膜生长为两层结构，第一层为生长1um左右3D层，生长温度范围为1000-1030℃，IV/III比为10：30，生长压力范围为200-500torr；第二层生长2-5um的2D层，生长温度范围为1050-1080℃，IV/III比为20：60，生长压力范围为50～100torr；

S3、通过激光切割技术将S2步骤中生长完成的MOCVD-GaN.Template切割成正多边形形状，一种为正六边形，一种为正十二边形，正六边形边长范围为30mm-90mm，正十二边形的边长范围为15mm-45mm，每边精确控制其晶向，切割方向为单晶基板的正M面；

S4、将S3步骤中切割后的正多边形Template进行边缘倒角和打磨，目的是去除激光切割对表面和截面带来的表面不规则损伤层，并控制M面表面粗糙度Ra小于0.5nm；

S5、将S4步骤中的正多边形基板在酸性溶剂溶液中超声清洗5-10min。将酸洗后的正多边形基板再次进行碱洗5-10min；

S6、将S5步骤中清洗后的正多边形基板置于HVPE生长炉，经HVPE外延生长厚度为3-8mm的导电型或半绝缘型GaN单晶厚膜，降温得到一枚边缘无多晶和小缩径现象的高质量GaN晶锭，其中HVPE生长条件为：外延生长III族原料为HCL气体与液态金属镓源在温度范围为800-850℃反生成的GaCl气体，V族为高纯气体NH3，V/III比为5：40，生长速率范围为50-300um/hr，导电型掺杂剂选择气体SiH4(硅烷氢)、SiH2CL2(二氯硅烷)或GeCl4(氯化锗)中的一种，半绝缘掺杂剂选择金属有机源Cp2Fe(二茂铁)，生长温度范围1000-1100℃，生长压力范围为0.3-1atm。生长厚度范围为3-8mm，优选的生长厚度为6mm。

(三)有益效果

本发明提供了一种改善GaN厚膜生长缩径效应的正多边形基板及生长方法。具备以下有益效果：

该用于大尺寸GaN厚膜生长改善其边缘缩径效应的正多边形基板制备方法，克服了传统厚膜GaN晶锭生长过程中因随生长厚度增加产生边缘六边或十二边形状的缩径效应，并大幅改善生长厚度达5mm以上因缩径效应导致的生长面尺寸缩小从而得不到大尺寸晶锭的弊端，通过特殊设计的多边形衬底搭配特制尺寸石墨，碳化硅基座及多边形金属钝化环，有效的将之前晶锭生长缩径角度从60度，提升至70-80度，且边缘无多晶副产物产生，极小的缩径状况影响下可将生长厚度提升至8mm以上，且上表面(Ga面)的有效尺寸还能达到50.8mm直径，生长面有效拓宽后的高质量GaN晶锭通过后道切磨抛工艺可获得更多片及更大尺寸的GaN单晶自支撑衬底，有较大的成本缩减效应。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明生长基座示意图；

图3为本发明钝化盖环示意图；

图4为本发明正多边形基板示意图。

图中：1生长基座、1.1多边形凸起、2钝化盖环、2.1多边槽、3正多边形基板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

如图1-4所示，本发明提供一种技术方案：一种改善GaN厚膜生长缩径效应的正多边形基板及生长方法，包括生长基座1，生长基座1的顶部设置有多边形凸起1.1，生长基座1的顶部通过放置有钝化盖环2和正多边形基板3，钝化盖环2上开设有与多边形凸起1.1和正多边形基板3相适配的多边槽2.1，正多边形基板3设置在多边槽2.1内，多边形凸起1.1、多边槽2.1和正多边形基板3的横向截面形状相同，生长基座1、多边形凸起1.1、钝化盖环2、多边槽2.1和正多边形基板3的垂直中心线相重合，正多边形基板3的底部表面与多边形凸起1.1的表面相贴合，正多边形基板3的顶部表面突出多边槽2.1的内侧，正多边形基板3突出多边槽2.1部分设置有边缘倒角，生长基座1采用高纯石墨、SiC涂层石墨或高纯碳化硅基座中的一种，钝化盖环2采用金属钨、碳化钨或金属钽中的一种或多种制成。

实施例1

一种改善GaN厚膜生长缩径效应的正多边形基板及生长方法，该方法包括以下步骤：

S1、选用用于生长GaN外延层的圆形单晶基板，基板尺寸2-6英寸，基板3采用Al2O3、GaAs、Si、SiC、ScAlMgO4或GaN中的一种或多种制成；

S2、采用S1步骤中的基板，先通过MOCVD(金属有机化学气象沉积)技术生长一层3-5um的非掺杂GaN层，形成MOCVD-GaNTemplate，MOCVD外延生长通入原料III族为TMGa，V族为高纯气体NH3，非掺杂GaN薄膜生长为两层结构，第一层为生长1um左右3D层，生长温度范围为1000-1030℃，IV/III比为10：30，生长压力范围为200-500torr；第二层生长2-5um的2D层，生长温度范围为1050-1080℃，IV/III比为20：60，生长压力范围为50-100torr；

S3、通过激光切割技术将S2步骤中生长完成的MOCVD-GaN.Template切割成正多边形形状，一种为正六边形，一种为正十二边形，正六边形边长范围为30mm-90mm，正十二边形的边长范围为15mm-45mm，每边精确控制其晶向，切割方向为单晶基板的正M面；

S4、将S3步骤中切割后的正多边形Template进行边缘倒角和打磨，目的是去除激光切割对表面和截面带来的表面不规则损伤层，并控制M面表面粗糙度Ra小于0.5nm；

S5、将S4步骤中的正多边形基板在酸性溶剂溶液中超声清洗5-10min。将酸洗后的正多边形基板再次进行碱洗5-10min；

S6、将S5步骤中清洗后的正多边形基板置于HVPE生长炉，经HVPE外延生长厚度为3-8mm的导电型或半绝缘型GaN单晶厚膜，降温得到一枚边缘无多晶和小缩径现象的高质量GaN晶锭，其中HVPE生长条件为：外延生长III族原料为HCL气体与液态金属镓源在温度范围为800-850℃反生成的GaCl气体，V族为高纯气体NH3，V/III比为5：40，生长速率范围为50-300um/hr，导电型掺杂剂选择气体SiH4(硅烷氢)、SiH2CL2(二氯硅烷)或GeCl4(氯化锗)中的一种，半绝缘掺杂剂选择金属有机源Cp2Fe(二茂铁)，生长温度范围1000-1100℃，生长压力范围为0.3-1atm。生长厚度范围为3-8mm，优选的生长厚度为6mm。

实施例2

S1、选用用于生长GaN外延层的圆形单晶基板，基板尺寸2-6英寸，基板3采用Al2O3、GaAs、Si、SiC、ScAlMgO4或GaN中的一种或多种制成。

S2、通过激光切割技术将S1步骤中的基板切割成正多边形状，一种为正六边形，一种为正十二边形。正六边形边长为30mm-90mm。正十二边形的边长为15mm-45mm，每边精确控制其晶向，切割方向为单晶基板的正M面。

S3、将S2步骤中切割后的正多边形基板进行边缘倒角和打磨,目的是去除激光切割对表面和截面带来的表面不规则损伤层，并控制基板M面表面粗糙度Ra小于0.5nm。

S4、将S3步骤中的正多边形基板在酸性溶剂溶液中超声清洗5-10min，将酸洗后的基板再次进行碱洗5-10min。

S5、采用S4步骤中清洗之后的基板，先通过MOCVD(金属有机化学气象沉积)技术生长一层3-5um的非掺杂GaN薄膜，MOCVD外延生长通入原料III族为TMGa，V族为高纯气体NH3，非掺杂GaN薄膜生长为两层结构，第一层为生长1um左右3D层，生长温度范围为1000-1030℃，IV/III比为10：30，生长压力范围为200-500torr，第二层生长2-5um的2D层，生长温度范围为1050-1080℃，IV/III比为20：60，生长压力范围为50-100torr。

S6、将S5步骤中MOCVD-GaNtemplate上再次置于HVPE生长炉生长厚膜GaN，经HVPE外延生长厚度为3-8mm厚的导电型或半绝缘型GaN单晶厚膜，降温得到一枚边缘无多晶和小缩径现象的高质量GaN晶锭，其中HVPE生长条件为：外延生长III族原料为HCL气体与液态金属镓源在温度范围为800-850℃反生成的GaCl气体，V族为高纯气体NH3，V/III比为5：40。生长速率范围为50-300um/hr，导电型掺杂剂选择气体SiH4(硅烷氢)、SiH2CL2(二氯硅烷)或GeCl4(氯化锗)中的一种,半绝缘掺杂剂选择金属有机源Cp2Fe(二茂铁)，生长温度范围为1000-1100℃，生长压力范围为0.3-1atm，生长厚度范围为3-8mm，优选的生长厚度为6mm。

综上可得，本技术方案通过特殊设计的多边形衬底搭配特制尺寸石墨，碳化硅基座及多边形金属钝化环，有效的将之前晶锭生长缩径角度从60度，提升至70-80度，且边缘无多晶副产物产生，极小的缩径状况影响下可将生长厚度提升至8mm以上，且上表面(Ga面)的有效尺寸还能达到50.8mm直径，生长面有效拓宽后的高质量GaN晶锭通过后道切磨抛工艺可获得更多片及更大尺寸的GaN单晶自支撑衬底，有较大的成本缩减效应。

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。