阅读说明：本技术 阻碍半极性面氮化镓生长并制备自剥离氮化镓晶体的方法 (Method for hindering growth of semipolar plane gallium nitride and preparing self-stripping gallium nitride crystal ) 是由 邵永亮 张保国 胡海啸 郝霄鹏 吴拥中 吕洪 于 2021-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种阻碍半极性面氮化镓生长并制备自剥离氮化镓晶体的方法,包括以下步骤：制备具有倒六棱锥结构、暴露出半极性面的GaN晶体；可还原的金属盐溶液或金属盐熔液在GaN非极性面电解还原得到对应金属；以及在GaN晶体生长过程中,电沉积金属阻碍非极性面GaN生长,产生空隙进而在降温过程中由于应力作用得到自剥离GaN晶体。通过在半极性面沉积金属的方法,仅在样品半极性面形成了阻碍结构,借助空位辅助分离原理,制备的处理衬底在后期生长GaN体单晶过程中,有助于缓解晶体中的应力和实现晶体的自剥离。(The invention discloses a method for hindering the growth of semipolar plane gallium nitride and preparing self-stripping gallium nitride crystal, which comprises the following steps: preparing a GaN crystal with an inverted hexagonal pyramid structure and exposed semi-polar surfaces; the reducible metal salt solution or metal salt solution is electrolyzed and reduced on the GaN nonpolar surface to obtain corresponding metal; and in the growth process of the GaN crystal, the electro-deposition metal hinders the growth of the GaN on the nonpolar surface, and a gap is generated, so that the self-stripping GaN crystal is obtained due to the stress effect in the cooling process. By the method of depositing metal on the semipolar surface, an obstruction structure is formed only on the semipolar surface of a sample, and by means of the vacancy auxiliary separation principle, the prepared processing substrate is beneficial to relieving the stress in the crystal and realizing the self-peeling of the crystal in the later growth process of the GaN bulk single crystal.)

阻碍半极性面氮化镓生长并制备自剥离氮化镓晶体的方法

技术领域

本发明涉及一种阻碍氮化镓籽晶层半极性面合并生长自剥离氮化镓(GaN)晶体的方法。该法简洁，方便，直接，易操作，可制备生长自剥离GaN晶体所使用的处理衬底，属于光电子

技术领域

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背景技术

GaN是第三代半导体的典型代表，在高频、大功率器件方面有着广泛的应用。然而，当前使用的GaN基器件大部分都是依靠异质外延制备的，异质外延由于GaN与衬底之间存在晶格失配和热失配导致生长的GaN晶体具有很高的位错密度和残余应力，严重影响了GaN基器件的性能。为减小GaN单晶中的位错和应力，对衬底进行预处理是生长高质量GaN单晶的关键技术。

目前预处理GaN衬底的方法主要有以下几种成功的案例：Y.Oshima等(2002年)研究并开发了空位辅助分离技术，即首先在MOCVD生长的初始衬底上制备纳米网络结构的TiN，然后再以此为衬底进行GaN的生长，并最终获得了高质量低位错密度的GaN外延层；Kensaku Motokit等(2007年)研究改善了倒六棱锥外延减小晶体缺陷的方法生长得到具有低缺陷密度的GaN晶体；Lei Zhang等(2014年)开发了二维材料涂覆方法，在MOCVD-GaN(Al₂O₃)衬底上涂覆了石墨烯和BN，阻断了GaN晶体生长过程中的位错延伸，降低了位错密度，提高了晶体质量；Moosang Lee等(2017年)使用HCl气体腐蚀衬底，制备了多孔结构的衬底，生长得到了厚度接近5mm的GaN晶体。这些方法对于生成高质量GaN单晶起到了一定作用，但工艺较为复杂，需要的辅助的仪器设备较多，不利于推广使用，本发明的阻碍氮化镓籽晶层半极性面合并生长自剥离氮化镓晶体的方法则很好的解决了这方面的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种阻碍半极性面氮化镓生长并制备自剥离氮化镓晶体的方法。

本发明一种阻碍半极性面氮化镓生长并制备自剥离氮化镓晶体的方法，包括以下步骤：

(1)制备具有倒六棱锥结构、暴露出半极性面{10-11}或{11-22}的GaN衬底；

(2)在暴露半极性面的GaN衬底上制备电极；

(3)选择可电解还原的金属，制备其对应金属盐溶液(熔液)；

(4)组装金属电沉积电路，将带有电极、暴露半极性面的GaN衬底连接在直流电源的负极，选择其他电极连接直流电源的正极，将连接好的正、负极放入制备的金属盐溶液(熔液)中；

(5)控制电压或电流，选择适宜沉积时间，得到具有金属沉积的前处理GaN衬底；

(6)将金属沉积的前处理衬底放入去离子水中，长时间超声，去除GaN衬底表面弱连接的沉积金属，得到半极性面具有金属遮蔽的GaN衬底；

(7)对上述衬底进行GaN单晶的生长，借助HVPE法生长GaN单晶，以纯度为7N金属镓作为Ga源，6N的氨气作为N源，通常以5N的HCl作为初始反应气体，选用高纯氮气或者氢气作为运输气体，可在相对温和的条件(反应压力1atm，反应温度1000℃左右)下，依靠含Ga初步反应生成物(以镓的氯化物气体为主)和氨气反应，在衬底上外延生成GaN单晶。

所述步骤(1)中的GaN晶体包括GaN单晶或单晶薄膜。

所述步骤(1)中制备具有倒六棱锥结构、暴露出半极性面{10-11}或{11-22}的GaN衬底的方法包括且不限化学刻蚀、等离子体刻蚀和高温分解等。

所述步骤(2)在GaN衬底制备电极的方法包括且不限于使用铟粒焊接、银胶粘接和导电胶带粘接。

所述步骤(3)中可电解还原的金属包括且不限于Mg、Al、Zn、Fe、Cu、Ag等。

所述步骤(3)中可电解还原的金属对应金属盐包括且不限于氯盐、硫酸盐和硝酸盐等。

所述步骤(3)中制备金属盐溶液(熔液)包括且不限于去离子水溶解和高温熔融，其溶液浓度在0.1mol/L～1mol/L。

所述步骤(4)中所选择的正极电极包括且不限于碳棒、高纯金属及其合金等。

所述步骤(5)电源电压控制在2V～15V。

所述步骤(5)电源电流控制在0.3A～0.8A。

所述步骤(5)沉积时间控制在3min～15min。

所述步骤(6)前处理GaN衬底在去离子水中的超声时间为30min～60min。

本发明通过在半极性面沉积金属的方法，仅在样品半极性面形成了阻碍结构，借助空位辅助分离原理，制备的处理衬底在后期生长GaN体单晶过程中，有助于缓解晶体中的应力和实现晶体的自剥离。与现有技术相比，该方法具有过程简单、操作方便、成本低、实用性强的特点，具有反应条件缓和、操作简便等优势，对于GaN单晶的质量进一步提升有重要意义，适用于工业化实施。

附图说明

图1为实施例1制备的具有倒六棱锥结构、暴露出半极性面{10-11}或{11-22}的GaN衬底的表面形貌的SEM图像。

图2为实施例1制备的具有倒六棱锥结构、暴露出半极性面{10-11}或{11-22}的GaN衬底的截面形貌的SEM图像。

图3为实施例1制备具有倒六棱锥结构、暴露出半极性面{10-11}或{11-22}的GaN衬底在5V电压下沉积金属超声后的表面形貌的SEM图像。

图4为实施例1制备具有倒六棱锥结构、暴露出半极性面{10-11}或{11-22}的GaN衬底沉积金属超声后的单个腐蚀或分解坑截面形貌的SEM图像。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

(1)采用水热腐蚀的方法，对GaN进行腐蚀，制备具有倒六棱锥结构、暴露出半极性面{10-11}或{11-22}的GaN衬底；

(2)选用直径0.1mm的高纯铜丝做连接导线，先用银胶将铜丝粘至GaN衬底表面，然后将衬底转移至80～150℃的烘箱进行固化，至银胶完全凝固即可；

(3)称取13.630g的氯化锌溶解至100ml的去离子水中，得到浓度1mol/L的ZnCl₂溶液作为待电解使用的金属盐溶液；

(4)选用PSW 160-14.4作为直流电源，铂电极作为电解的正极，固定有导线的GaN衬底作为电极的负极，正、负极和电源使用导线连接后，将正、负极沁入ZnCl₂溶液；

(5)控制直流电压为5V，相应电流为0.3A，电解时间控制为10min，得到具有金属沉积的前处理GaN衬底；

(6)将金属沉积的前处理衬底放入去离子水中，超声45min，去除GaN衬底表面弱连接的沉积金属，得到半极性面具有金属遮蔽的GaN衬底。

(7)对上述衬底进行GaN单晶的生长，借助HVPE法生长GaN单晶，以纯度为7N金属镓作为Ga源，6N的氨气作为N源，通常以5N的HCl作为初始反应气体，选用高纯氮气或者氢气作为运输气体，可在相对温和的条件(反应压力1atm，反应温度1000℃左右)下，依靠含Ga初步反应生成物(以镓的氯化物气体为主)和氨气反应，在衬底上外延生成GaN单晶；晶体生长结束得到自剥离GaN晶体。

图1显示了水热腐蚀后衬底表面生成了大量尺寸在2μm左右的六方形刻蚀坑；图2可以看出这些刻蚀已经深入到蓝宝石基底表面，且其界面处有更加大的腐蚀空间；图3和4表明经过电沉积和超声后，腐蚀衬底表面没有金属附着，而六方形腐蚀坑壁上有大量的金属附着，形成半极性面的金属遮蔽区。

实施例2

如实施例1所述，不同之处在于步骤(1)中使用浓磷酸腐蚀制备具有倒六棱锥结构、暴露出半极性面{10-11}或{11-22}的GaN衬底；

实施例3

如实施例1所述，不同之处在于步骤(1)中使用高温分解制备具有倒六棱锥结构、暴露出半极性面{10-11}或{11-22}的GaN衬底；

实施例4

如实施例1所述，不同之处在于步骤(2)中使用铟粒焊接导线；

实施例5

如实施例1所述，不同之处在于步骤(2)中使用导电胶粘接导线；

实施例6

如实施例1所述，不同之处在于步骤(3)中选择除ZnCl₂外的，Mg、Al、Zn、Fe、Cu、Ag金属的氯盐、硫酸盐和硝酸盐等制备可还原金属盐熔液；

实施例7

如实施例1所述，不同之处在于步骤(4)中选择碳棒作为正极；

实施例8

如实施例1所述，不同之处在于步骤(5)中控制电压为10V；

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。