СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕЗАВИСИМОЙ ПОДЛОЖКИ ИЗ НИТРИДА III ГРУППЫ Российский патент 2016 года по МПК C30B25/18 C30B33/08 C30B29/38 C23C16/01 

Область техники

Настоящее изобретение в общем относится к способам получения независимых подложек из нитрида III группы. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу получения независимой подложки из нитрида III группы, включающему осаждение нитрида III группы на подложку для выращивания и отделение образованных таким образом кристаллов нитрида от инородной подложки.

Уровень техники

Благодаря ряду преимущественных свойств, нитриды металлов III группы, т.е. так называемые нитриды III группы, образуют важный класс полупроводниковых материалов для применения в области электроники и оптоэлектроники. В качестве примера, нитрид галлия (GaN) во множестве его разновидностей стал одним из наиболее важных полупроводниковых материалов для оптоэлектронных устройств, таких как светоизлучающие диоды (СИД) с повышенной яркостью для использования в осветительных приборах.

Устройства на основе нитрида обычно эпитаксиально выращивают в виде слоистых структур на подложках. Как хорошо известно в технике, чтобы избежать многих нежелательных эффектов, например, из-за различных периодов решетки и коэффициентов термического расширения подложки и слоев устройства, выращенных на ней, наиболее предпочтительно подложка должна быть получена из того же материала, что и слои устройства.

Однако отсутствие высококачественных, предпочтительно используемых самостоятельно, подложек из нитридов III группы представляет собой известную проблему в данной области, что побудило изготовителей устройств использовать инородные подложки, т.е. подложки из материала, отличающегося от действующих слоев устройства. Распространенными примерами материалов подложки для устройств на основе GaN являются сапфир и карбид кремния.

Вследствие естественного ожидания лучших характеристик устройства при использовании собственных подложек, полученных из того же материала, что и слои устройства, существует постоянная и сильная потребность в используемых отдельно, т.е. независимых собственных подложек высокого качества.

Предложено несколько способов получения независимых подложек из нитрида III группы. В общем, такие подложки могут быть получены осаждением толстого слоя нитрида III группы, обычно толщиной несколько сотен микрон, на инородной подложке, такой как сапфир, Al₂O₃, SiC, Si и т.д., и последующим отделением инородной подложки от осажденного слоя или слоев нитрида. Отделение подложки можно осуществлять различными способами, включая механическое шлифование, снятие лазером, травление и т.д. Однако эти традиционные подходы имеют ряд ограничений. Процесс осаждения нитрида III группы требует высоких температур (обычно от 1000°C до 1100°C). В ходе охлаждения от повышенной температуры до комнатной температуры, пленка нитрида III группы подвергается воздействию двухосного напряжения, вызываемого большой разницей между коэффициентами термического расширения кристалла нитрида и материалом подложки. Такое напряжение может приводить к растрескиванию, выгибанию, образованию дефектов кристалла и другим нежелательным эффектам.

Помимо прямого осаждения толстого слоя нитрида на инородной подложке, также хорошо известны способы, в которых сначала на инородной подложке образуют промежуточный слой нитрида и обрабатывают так, чтобы получить пористый слой нитрида, например, с помощью электрохимического травления с использованием УФ излучения. Затем толстый слой кристаллов нитрида выращивают на пористом промежуточном слое. В заключение, толстый слой нитрида отделяют от подложки вдоль пористого промежуточного слоя. Например, в US 2007/0082465 А1 описан способ получения независимой подложки из GaN, где пористый промежуточный слой образуют путем создания слоя GaN в реакторе и подачи газообразных HCl и NH₃ в реактор для обработки слоя GaN. Отделение подложки от толстого слоя GaN облегчают трещины или разрывы в пористом слое, вызванные термическими напряжениями, возникающими в ходе охлаждения осажденной структуры от температуры осаждения. Основным недостатком данного способа является ограниченное управление процессом.

Целью настоящего изобретения является обеспечение нового, эффективного и точного регулируемого способа получения независимых подложек из нитрида III группы.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение относится к способу получения независимой подложки из нитрида III группы. В данном описании термин «независимая» означает, в соответствии с обычным значением, полупроводниковый кристалл с самонесущей способностью, не требующий какой-либо дополнительной несущей структуры. «Нитрид III группы» относится к любому нитриду элементов III группы, такому как нитрид алюминия AlN, нитрид галлия GaN, нитрид индия InN и любому сплаву и их сочетаниям. Термин «подложка» относится к назначению получаемого объекта, который служит в качестве собственной подложки для дальнейшего осаждения такого нитрида III группы.

Способ включает следующие стадии: осаждение первого слоя нитрида III группы на подложку для выращивания; формирование механически ослабленного жертвенного слоя в таким образом полученной структуре; осаждение второго слоя нитрида III группы на первый слой нитрида III группы и отделение второго слоя нитрида III группы от подложки для выращивания вдоль механически ослабленного жертвенного слоя.

Осаждение первого слоя нитрида III группы можно осуществить любым известным способом, подходящим для получения монокристаллических нитридов III группы; эти способы включают, но не ограничены перечисленным:

эпитаксию из паровой фазы (ЭПФ), химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ), химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений (ХОПФМО), эпитаксию из паровой фазы гидридов (ЭПФГ) и молекулярно-пучковое осаждение (МПО). При осаждении первого слоя толщину слоя необходимо ограничить так, чтобы предотвратить образование трещин. Как очевидно специалисту в данной области техники, максимальная толщина слоя, не содержащего трещин, зависит от: (1) разности коэффициента термического расширения первого слоя нитрида III группы и подложки для выращивания; (2) условий выращивания; (3) состава первого слоя нитрида III группы и (4) плотности дислокации в первом слое нитрида III группы. В общем, толщина первого слоя нитрида III группы предпочтительно составляет менее 10 мкм, хотя в некоторых случаях также возможно осаждение с получением несомненно более толстых слоев.

Подложка для выращивания, на которую осаждают первый слой нитрида III группы, может быть получена из любого материала, подходящего для указанного осаждения на нее нитрида III группы с помощью выбранного способа. Сапфир является хорошим выбором, как относительно дешевый материал, также обеспечивающий прозрачность для УФ лучей, что необходимо при травлении с использованием УФ излучения, возможно используемом в способе. Другими материалами подложки, подходящими для осаждения нитрида III группы являются, например, карбид кремния, кремний, оксид цинка, оксид кремния, арсенид галлия, алюминат лития и галлат лития.

Аналогично, второй слой нитрида III группы может быть получен любым способом, подходящим для эпитаксиального осаждения монокристаллического нитрида III группы, начинающегося на поверхности существующего первого слоя нитрида III группы. Возможные способы включают те же примеры, что и описанные выше для осаждения первого слоя нитрида III группы, т.е. эпитаксию из паровой фазы (ЭПФ), химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ), химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений (ХОПФМО), эпитаксию из паровой фазы гидрида (ЭПФГ) и молекулярно-пучковое осаждение (МПО). Благодаря обеспечиваемой высокой скорости роста, ЭПФГ во многих случаях является предпочтительным. Также возможно сочетание различных способов осаждения. Например, возможно выращивание первой тонкой части второго слоя нитрида III группы с помощью ХОПФМО и затем продолжение осаждения с помощью ЭПФГ.

Точные составы материала первого и второго слоя нитрида III группы могут быть одинаковыми. Альтернативно, их составы могут отличаться, например, концентрацией и/или материалом (например, Si или Mg) допирующего агента. Также можно использовать полностью различные составы в этих двух слоях. Например, материалом одного из слоев может быть AlGaN, тогда как другой слой может быть получен из InGaN.

Важно отметить, что как первый, так и второй «слои» нитрида III группы сами по себе могут включать несколько подслоев и, таким образом, представлять собой многослойную структуру. Например, как хорошо известно в технике, распространенной практикой при осаждении слоев III-нитрида на инородные подложки является использование различных буферных слоев, например, низкотемпературного GaN, AlN, AlGaN, сортированного AlGaN, структуры сверхрешетки и т.д., на которые осаждают действующий слой нитрида. Это также относится к осаждению первого слоя нитрида III группы в способе по настоящему изобретению. Соответственно, второй слой нитрида III группы может включать, например, одну или более пар недопированных слоев GaN, за которыми следует слой GaN с проводимостью n-типа, или слой GaN, за которым следует слой AlGaN и т.д. В таких примерах слой GaN с проводимостью n-типа может быть использован для получения проводящей подложки n-типа. Соответственно, слой AlGaN может быть использован для получения согласованной по параметру решетки подложки для лазерных диодов на основе GaN.

Основной принцип изобретения относится к стадии формирования механически ослабленного жертвенного слоя в структуре, полученной указанным осаждением первого слоя нитрида III группы на подложке для выращивания. Вместо подходов известного уровня техники, основанных, например, на получении пористого слоя внутри первого слоя нитрида III группы, в настоящем изобретении стадия формирования механически ослабленного жертвенного слоя включает образование отверстий, проходящих от свободной поверхности первого слоя нитрида III группы к граничной области между первым слоем нитрида III группы и подложкой для выращивания и латеральное травление, через отверстия, первого слоя нитрида III группы в указанной граничной области. Кроме того, в настоящем изобретении на стадии осаждения второго слоя нитрида III группы обеспечивают латеральное заращивание отверстий, чтобы обеспечить непрерывный слой.

Назначением отверстий является предоставление травильному агенту возможности достичь граничной области, чтобы обеспечить возможность указанного латерального травления, т.е. травления в направлении вдоль границы раздела между первым слоем нитрида III группы и подложкой для выращивания. Под граничной областью здесь понимают часть первого слоя нитрида III группы вблизи границы раздела между первым слоем нитрида III группы и подложкой для выращивания. Прохождение отверстий к граничной области требуется для того, чтобы сконцентрировать последующий процесс латерального травления в данной области. Причина концентрирования механического ослабления структуры с помощью указанного латерального травления в данной области, в свою очередь, состоит в том, что, по всей осажденной структуре, напряжения, по своей природе, являются наибольшими на указанной границе раздела и вблизи нее. С другой стороны, плотность дислокации в осажденном нитриде также, по своей природе, наибольшая вблизи границы раздела между нитридом и подложкой для выращивания. Более высокая плотность дислокации делает граничную область более быстро растворимой, чем верхние области первого слоя нитрида III группы, таким образом, фактически обеспечивая самосовмещенное сосредоточение травления в области, где и напряжения являются наибольшими. Это максимизирует возможность использования собственных напряжений структуры на стадии отделения второго слоя нитрида III группы от подложки для выращивания вдоль жертвенного слоя.

Толщина граничной области, к которой должны проходить отверстия, т.е. толщина части первого слоя нитрида III группы, в которой концентрация напряжений является наибольшей и пик плотности дислокации наиболее сильный, зависит от используемых материалов и способов выращивания. В общем, данная граничная область ограничена нижней половиной первого слоя нитрида III группы, т.е. половиной этого слоя, прилегающей к подложке для выращивания. Однако чем толще первый слой нитрида III группы, тем меньше часть от общей толщины слоя, в которой эти два эффекта проявляются наиболее сильно, и следовательно, часть слоя, к которой должны проходить отверстия.

В результате латерального травления получают поры, т.е. пустые объемы, вокруг нижних частей отверстий в первой слое нитрида III группы в граничной области. Сеть таких пор ослабляет механическую прочность первого слоя нитрида III группы, тем самым приводя к образованию механически ослабленной области, т.е. механически ослабленного расходуемого слоя, указанного выше.

Оптимальная плотность отверстий и размер отдельных отверстий зависят от характеристик процесса латерального травления, например скорости травления, и эти параметры следует задавать, принимая в расчет следующие условия: (а) эффективная подача травильных агентов выбранного способа травления к граничной области через отверстия; (б) эффективное удаление продуктов реакции травления из граничной области и (в) эффективное и успешное заращивание на стадии осаждения второго слоя нитрида III группы. В общем, диаметр отдельного отверстия может составлять, например, от 1 до 10 мкм. Расстояние между соседними отверстиями обычно должно составлять менее 100 мкм, предпочтительно от 10 до 50 мкм.

Подход согласно настоящему изобретению, включающий указанное образование отверстий и латеральное травление в граничной области, обеспечивает большие преимущества, заключающиеся в обеспечении эффективного и, что, возможно, наиболее важно, хорошо регулируемого пути осуществления отделения второго слоя нитрида III группы от подложки для выращивания, с получением независимого кристалла нитрида, который служит в качестве подложки для дополнительного осаждения нитрида. Регулируемость получают в результате того, что можно свободно подбирать плотность, форму, поперечные размеры и фактическую глубину отверстий, а также параметры процесса латерального травления, также принимая в расчет фактические составы и условия обработки слоев нитрида и материала подложки для выращивания. Регулируемость позволяет создать такую структуру, в частности механически ослабленный жертвенный слой, что отделение происходит in situ в ходе охлаждения осажденной структуры от температуры осаждения второго слоя нитрида III группы. Кроме того, на стадии осаждения второго слоя нитрида III группы, рост может быть инициирован на необработанных областях поверхности первого слоя нитрида III группы, вне отверстий. Это существенно упрощает способ, например, по сравнению с осаждением на пористый первый слой нитрида в способе US 2007/0082465 А1.

Минимальная толщина второго слоя нитрида III группы определяется латеральным заращиванием отверстий. Другими словами, данный слой, разумеется, должен быть достаточно толстым, чтобы отверстия в первом слое нитрида III группы полностью перекрывались латерально выращенным материалом. Другим параметром, который следует учитывать, является механическая прочность слоя. Эта прочность должна быть достаточно высокой, чтобы иметь возможность отделить второй слой III группы в качестве независимого слоя без растрескивания. В некоторых случаях может быть достаточно толщины несколько десятков микрон. Однако, в большинстве случаев, предпочтительной является толщина по меньшей мере 200 мкм, например, приблизительно от 300 до 500 мкм.

Предпочтительно второй слой нитрида III группы осаждают при температуре, большей или равной 700°C, чтобы облегчить отделение второго слоя нитрида III группы от подложки для выращивания вдоль жертвенного слоя, посредством термического напряжения, возникающего в ходе охлаждения полученной структуры от этой температуры. Другими словами, в данном воплощении обычно нежелательные напряжения, возникающие из-за несоответствия коэффициентов термического расширения нитридного материала и подложки для выращивания, преимущественно используют для разделения in situ подложки для выращивания и осажденного нитрида, чтобы получить независимый кристалл нитрида. При надлежащем расчете и выполнении отверстий и латерального травления может быть достигнуто даже полное самоотделение в ходе указанного охлаждения. Независимо от того, прикладывают ли также внешние силы для осуществления отделения, в любом случае отделение предпочтительно осуществляют перед тем, как температура осажденного состава снижается настолько, что термические напряжения достигают критического уровня, при котором могут образоваться трещины в осажденном нитриде.

Отверстия в первом слое нитрида III группы могут быть получены различными известными способами. Возможные варианты включают, по меньше мере, следующие: травление химически активными ионами (ТХАИ), травление индукционно-связанной плазмой (ИСП), абляция лазером, химическое влажное травление и химическое травление газом. Предпочтительными способами являются ТХАИ и ИСП, которые являются общепризнанными и надежными способами травления GaN и родственных материалов. Толщина первого слоя нитрида III группы должны быть ограничена так, чтобы обеспечить возможность образования отверстий, проходящих вниз к граничной области, с помощью выбранного способа. Также на стадии латерального травления первого слоя нитрида III группы могут быть использованы известные способы, такие как влажное химическое травление или химическое травление газом. В общем, как образование отверстий, так и латеральное травление необходимо осуществлять так, чтобы не препятствовать последующему осаждению второго слоя нитрида III группы и не снижать качество материала этого слоя. Другими словами, образование отверстий или латеральное травление не должно разрушать или загрязнять поверхность первого слоя нитрида III группы, или иным образом приводить к дефектам или искажениям во впоследствии выращенном втором слое нитрида III группы.

Предпочтительно, на стадии образования отверстий формируют металлический маскирующий слой на первом слое нитрида III группы и на него наносят рисунок с получением дырок, и первый слой нитрида III группы протравливают через эти дырки в металлическом маскирующем слое, чтобы образовать отверстия. Такой металлический маскирующий слой обеспечивает точный способ регулирования травления и, следовательно, образования отверстий. Кроме того, в одном из предпочтительных воплощений указанное латеральное травление первого слоя нитрида III группы в указанной граничной области включает электрохимическое травление с использованием металлического маскирующего слоя в качестве электрода, на который подают напряжение смещения постоянного тока (ПТ). Таким образом, в данном воплощении металлическая маска эффективно служит для двух разных целей.

В еще одном предпочтительном воплощении селективность травления повышают путем того, что латеральное травление первого слоя нитрида III группы включает воздействие УФ излучения на граничную область, чтобы осуществить фотохимическое травление. Воздействие УФ дополнительно повышает селективность травления. Воздействие УФ требует прозрачной подложки для выращивания, такой как сапфир. Вследствие сильного поглощения УФ нитридами III группы, например GaN, УФ излучение, воздействующее на границу раздела между подложкой для выращивания и первым слоем нитрида III группы через прозрачную подложку для выращивания, поглощается нитридом III группы в тонком слое (обычно менее 1 мкм), вблизи границы раздела. Поглощение УФ излучения оказывает двойной эффект. Во-первых, увеличивается скорость реакции травления (фотохимический процесс). Во-вторых, поглощение УФ приводит к образованию электронно-дырочных пар, посредством чего слой, поглотивший УФ излучение, становится более проводящим, что, в свою очередь, улучшает электрохимическое травление. В этом смысле, в отношении граничной области, до которой должны проходить отверстия, в таких воплощениях с использованием УФ излучения при определении толщины граничной области также необходимо принимать в расчет толщину слоя, в котором поглощается УФ излучение. Другими словами, отверстия должны проходить настолько глубоко в первый слой нитрида III группы, чтобы указанные эффекты УФ поглощения способствовали травлению.

Помимо механических и термических напряжений, также можно использовать термическое разложение нитрида III группы на стадии формирования механически ослабленного жертвенного слоя или на стадии отделения второго слоя нитрида III группы от подложки для выращивания. При воздействии достаточно высокой температуры, с поверхности кристалла III-нитрида начинает выделяться азот, что приводит к разложению нитридного материала. В механически ослабленном жертвенном слое, содержащем латерально протравленные поры, большая площадь поверхности пор приводит к тому, что термическое разложение нитрида происходит намного быстрее в данном подслое, чем в остальной многослойной структуре. Указанная достаточно высокая температура зависит от фактического состава нитрида III группы. GaN разлагается в широком диапазоне температур и, например, используют температуры от 1000 до 1200°C, чтобы осуществить разложение. Для AlGaN требуемый диапазон температур выше, тогда как для InGaN он ниже, чем диапазон, требующийся для GaN.

Термическое разложение может происходить уже в ходе роста второго слоя нитрида III группы. Это является дополнительной причиной для осаждения этого слоя при температуре, большей или равной 700°C. Более того, способ согласно настоящему изобретению дополнительно включает отдельную стадию отжига осажденной структуры, т.е. блока, состоящего из подложки для выращивания и первого и второго слоев нитрида III группы, при температуре осуществления термического разложения нитрида первого слоя нитрида III группы в граничной области.

Скорость термического разложения нитридов III группы снижается в атмосфере аммиака. В предпочтительном воплощении настоящего изобретения это используют посредством обеспечения в ходе указанной стадии отжига атмосферы аммиака, окружающей осажденную структуру. Давление, используемое в ходе указанного отжига, может составлять, например, от 0,01 до 0,1 МПа (от 0,1 до 1 бар), а подходящая концентрация аммиака может составлять от 10 до 100% (на практике эти параметры обычно ограничены характеристиками оборудования для выращивания). Аммиак может достигать только внешней поверхности осажденного кристалла и не проникать через первый и второй слои нитрида III группы в поры механически ослабленного жертвенного слоя. Тогда скорость разложения жертвенного слоя намного больше, чем скорость разложения на внешней поверхности кристалла.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение далее описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, где на Фиг.1 показан принцип способа в соответствии с одним из предпочтительных воплощений настоящего изобретения; на Фиг.2 показан рисунок маски, подходящий для использования в способе согласно Фиг.1, и на Фиг.3 показано устройство для травления, подходящее для использования в способе согласно Фиг.1.

Подробное описание изобретения

Способ, проиллюстрированный на Фиг.1, начинают с обеспечения подложки 101 для выращивания на стадии (a). Подложка для выращивания выполнена из сапфира, широко используемого в качестве подложки для эпитаксиального роста нитридов III группы. Однако, подложка для выращивания также может быть выполнена из другого материала, подходящего для такого эпитаксиального роста и позволяющего применять УФ излучение, как описано ниже. На стадии (b) формируют первый слой 102 из GaN на подложке для выращивания путем осаждения посредством ЭПФМО. Толщина данного первого слоя нитрида составляет менее 10 мкм, чтобы избежать образования трещин вследствие механических и термических напряжений, возникающих из-за различия постоянных решетки и коэффициентов термического расширения сапфира и GaN, и обеспечить возможность эффективного травления через слой на стадии (д). Затем, на стадии (c), осаждают металлический слой 103 на первый слой GaN. Этот металлический слой может быть образован, например, из пленки титана толщиной 1 мкм, осажденной путем электронно-лучевого напыления. На стадии (d) наносят рисунок на металлический слой 103 с помощью фотолитографии, обеспечивающий дырки 104 в этом слое. Дырки могут быть обеспечены, например, в соответствии с геометрией маски, показанной на Фиг.2. В соответствии с геометрией маски, показанной на Фиг.2, дырки 104 диаметром 5 мкм расположены с образованием гексагональной сетки, имеющей длину стороны шестиугольника 15 мкм, причем сетка также содержит дырки в центрах шестиугольников. Затем, на стадии (e), первый слой 102 GaN селективно протравливают посредством ИСП или ТХАИ, используя металлический слой в качестве маски, чтобы получить вертикальные отверстия 105, проходящие вниз к границе 109 раздела между подложкой 101 для выращивания и первым слоем 102 нитрида.

На стадии (f) образец, полученный на стадиях (a) - (e), погружают в жидкий электролит, например водный раствор КОН, положительное напряжение смещения прикладывают к пленке 102 GaN, используя металлическую пленку в качестве электрода, и осуществляют УФ излучение через подложку 101 из сапфира к границе 109 раздела между подложкой 101 для выращивания и первым слоем 102 нитрида (подача напряжения смещения и осуществление УФ излучения не показано на Фиг.1). Устройство, используемое на данной стадии, может быть, например, таким, как показано на Фиг.3. Устройство, показанное на Фиг.3, включает цилиндр 111, к нижней части которого прикрепляют подложку для выращивания из сапфира с первым слоем нитрида III группы на ней, обращенным внутрь цилиндра. Сформированный таким образом контейнер наполняют электролитом 113. Отрицательное смещение подают на платиновую сетку 112, погруженную в электролит. Жидкий электролит перемешивают с помощью механической мешалки 114.

В результате фотохимического травления, осуществляемого таким образом, GaN вблизи границы 109 раздела частично растворяется, и в результате этого образуются поры 106, проходящие латерально от дна каждого отверстия. Травление самосовмещается с граничной областью вблизи границы 109 раздела, благодаря высокой плотности дислокации в этой области по сравнению с верхним частями первого слоя 102 GaN. Сеть таким образом сформированных пор 106 в первом слое 102 GaN механически ослабляет соединение первого слоя 102 GaN и подложки 101 для выращивания. Другими словами, механически ослабленный слой 110 формируют в первом слое 102 GaN на уровне пор 106. После указанной стадии фотохимического травления остаток металлического слоя 103 удаляют.

Затем, на стадии (g), образец загружают в реактор для выращивания посредством ЭПФГ и второй слой 107 монокристалла GaN осаждают на первый слой 102 GaN, причем эпитаксиальный рост начинается на непротравленных участках первого слоя 102 GaN. В ходе данной стадии, отверстия 105 в первом слое 102 GaN латерально заращивают с получением непрерывного слоя с плоской поверхностью. Второй слой 107 GaN выращивают с получением требуемой толщины (обычно более 300 мкм). В некоторых случаях, вместо осаждения посредством ЭПФГ с получением полной толщины данного слоя, может быть преимущественным объединенный способ, при котором осаждение начинают посредством ХОПФМО, а затем оставшуюся часть слоя осаждают посредством ЭПФГ, поскольку формирование непрерывного слоя, начинающегося на несплошной подложке, обычно проще осуществлять посредством ХОПФМО.

В ходе осаждения второго слоя 107 GaN, используют температуру роста, превосходящую 700°C, например, приблизительно 1000°C. После фактической фазы осаждения, температуру поддерживают на уровне температуры осаждения или немного выше, например, приблизительно 1100°C, и подают аммиак в реактор для выращивания, чтобы обеспечить атмосферу аммиака, окружающую осаждаемую структуру. В ходе такого отжига, повышенная температура приводит к разложению GaN на поверхности пор 106, что дополнительно ослабляет соединение между подложкой для выращивания и осажденными слоями GaN. На внешней поверхности образца такое разложение предотвращают благодаря наличию атмосферы аммиака.

После завершения осаждения второго слоя 107 GaN, на стадии (h), образец охлаждают. Из-за большого снижения температуры возникают высокие термические напряжения, обусловленные различными коэффициентами термического расширения сапфира и GaN, причем напряжения являются наибольшими на границе 109 раздела между подложкой 101 из сапфира и первым слоем 102 GaN и вблизи нее. Такие напряжения приводят к растрескиванию образца вдоль механически ослабленного слоя 110. При надлежащем количестве и размере пор 106 это может привести к полному самоотделению второго слоя 107 GaN от подложки 101 для выращивания. Альтернативно, к образцу может быть приложена незначительная сила для обеспечения полного отделения. В любом случае отделение завершают при достаточно высокой температуре, чтобы предотвратить образование трещин во втором слое 107, из-за указанных термических напряжений. В результате получают независимую подложку 100 из нитрида GaN, не содержащую трещин и подходящую для последующего гомоэпитаксиального осаждения. Наконец, можно выполнять шлифовку и/или полировку или другую чистовую обработку обычно неровной и шероховатой нижней поверхности таким образом полученной подложки, образовавшейся после отделения второго слоя нитрида III группы от подложки для выращивания по механически ослабленному жертвенному слою 110 (не показано на Фиг.1).

Далее другой пример способа по настоящему изобретению описан по стадиям:

I) Выращивание тонкого слоя GaN на сапфире посредством ХОПФМО

1. Загрузка подложки из сапфира (или Al₂O₃) с ориентацией в с-плоскости в реактор для ХОПФМО.

2. Нагревание до температуры 1100°C и отжиг в течение 10 мин в атмосфере водорода.

3. Охлаждение до температуры 550°C.

4. Осаждение слоя GaN толщиной 30 нм посредством проведения реакции аммиака (NH₃) и триметилгаллия (ТМГ).

5. Прекращение подачи ТМГ, нагревание до температуры 1050°C в потоке аммиака и водорода.

6. Возобновление подачи ТМГ, выращивание слоя GaN толщиной ~ 1,5 мкм

7. Прекращение подачи ТМГ, охлаждение до комнатной температуры.

8. Выгрузка пластины из камеры для выращивания

II) Фотолитография

1. Очистка пластины в растворителях/деионизированной (ДИ) воде, отжиг при температуре 120°C для удаления влаги.

2. Нанесение грунтовочного слоя на поверхность пластины, затем удаление избытка грунтовочного слоя центрифугированием.

3. Нанесение центрифугированием фоторезиста Shipley 1813 толщиной 1,3 мкм на пластину при скорости 5000 об/мин.

4. Мягкий отжиг фоторезиста при температуре 115°C в течение 60 с.

5. Селективное экспонирование фоторезиста через маску.

6. Проявление фоторезиста, промывка в ДИ воде и сушка, в результате чего фоторезист остается в местах, предназначенных для вертикальных отверстий (см. n.V ниже),

7. Отжиг при температуре 120°C в течение 5 мин.

III) Осаждение металла

1. Осаждение слоя титана толщиной 300 нм с использованием электронно-лучевого напыления.

IV) Обращенная литография металла

1. Селективное удаление слоя титана путем обращенной литографии в горячем (70°C) средстве для удаления фоторезиста.

V) Травление вертикальных каналов

1. Протравливание, посредством способа с индукционно-связанной плазмой (ИСП) в атмосфере аргона-хлора, вертикальных отверстий в слое GaN, направленных вниз к подложке из сапфира, с использованием оставшегося слоя титана в качестве маски.

VI) Фотостимулированное электрохимическое травление

1. Установка пластины в устройство для травления согласно Фиг.3 (сторона GaN направлена внутрь).

2. Заполнение полученного таким образом цилиндра раствором КОН в Н20, имеющим концентрацию 0,5-2,5 М (моль/л).

3. Соединение слоя титана с положительным электродом и платиновой сетки с отрицательным электродом.

4. Перемешивание раствора с помощью мешалки.

5. Облучение нижней стороны (со стороны сапфира) пластины УФ излучением, имеющим энергию фотонов больше, чем ширина запрещенной зоны GaN; подходящая интенсивность составляет несколько Вт/см².

6. Приложение напряжения смещения ПТ между электродами для инициирования прохождения тока через раствор электролита.

8. Прекращение травления по достижении требуемого протравливания; требуемое время травления изменяется в зависимости, например, от концентрации электролита, температуры, интенсивности УФ излучения, плотности тока и свойств слоя GaN.

VII) Удаление слоя титана

1. Удаление оставшегося слоя титана в растворе HF:H₂O

VIII) Заращивание GaN

1. Загрузка пластины в реактор для ХОПФМО.

2. Нагревание до температуры 1050°C в атмосфере аммиака и азота.

3. Начало выращивания GaN путем подачи ТМГ и водорода в реактор.

4. Выращивание GaN до полного зарастания вертикальных каналов.

5. Отключение подачи ТМГ и водорода, охлаждение до комнатной температуры в потоке аммиака.

IX) Наращивание толстого слоя GaN

1. Загрузка пластины в реактор ЭПФГ.

2. Нагревание до температуры 1050°C в потоке аммиака и азота.

3. Подача GaCl в зону роста для начала осаждения GaN.

4. Прекращение осаждения по достижении требуемой толщины GaN, обычно >300 мкм.

5. Охлаждение до комнатной температуры в потоке аммиака, в котором осажденный GaN самопроизвольно отделяется от подложки из сапфира вследствие термических напряжений.

X) Очистка, шлифование и полирование

1. Очистка независимой пластины GaN в смеси азотной и соляной кислот (NHO₃:HCl)

2. Шлифование и полирование поверхности GaN согласно стандартным методикам.

В свете представленного описания, специалисту в данной области техники очевидно множество альтернатив, модификаций и изменений способа по настоящему изобретению. Предполагается, что объем защиты настоящего изобретения определен прилагаемой формулой изобретения, а не представленным описанием, и все такие альтернативы, модификации и изменения, которые представляют совместный объединенный эквивалент, включены в сущность и объем данной формулы изобретения. Более того, в отношении представленного выше подробного описания изобретения следует отметить, что, поскольку изобретение может быть реализовано во множестве воплощений, без выхода за пределы области формулы изобретения, следует понимать, что представленные выше примеры и чертежи приведены только с целью иллюстрации, и их не следует рассматривать как определение границ изобретения.

Изобретение относится к производству независимых подложек из нитрида III группы для применения в области электроники и оптоэлетроники. Способ получения независимой подложки 100 из нитрида III группы включает осаждение первого слоя 102 нитрида III группы на подложку 101 для выращивания, формирование в первом слое 102 механически ослабленного жертвенного слоя 110, осаждение второго слоя 107 нитрида III группы на первый слой 102 и отделение второго слоя 107 от подложки 101 по механически ослабленному жертвенному слою 110, при этом стадия формирования механически ослабленного жертвенного слоя 110 включает образование вертикальных отверстий 105, проходящих вниз от свободной поверхности первого слоя 102 нитрида III группы к границе раздела 109 между первым слоем 102 и подложкой 101, латеральное травление, через отверстия 105, первого слоя 102 в указанной граничной области 109 и латеральное заращивание отверстий 105 на стадии осаждения второго слоя 107 для обеспечения непрерывного слоя. Технический результат изобретения состоит в обеспечении эффективного отделения второго слоя нитрида III группы от подложки с получением независимого кристалла нитрида, который служит в качестве подложки для дополнительного осаждения нитрида. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ получения независимой подложки (100) из нитрида III группы, включающий следующие стадии:
- осаждение первого слоя (102) нитрида III группы на подложку (101) для выращивания;
- формирование механически ослабленного жертвенного слоя (110) в полученной таким образом структуре;
- осаждение второго слоя (107) нитрида III группы на первый слой (102) нитрида III группы и
- отделение второго слоя (107) нитрида III группы от подложки (101) для выращивания по механически ослабленному жертвенному слою (110),
отличающийся тем, что стадия формирования механически ослабленного жертвенного слоя (110) включает:
- образование вертикальных отверстий (105), проходящих вниз от свободной поверхности первого слоя (102) нитрида III группы к границе раздела (109) между первым слоем (102) нитрида III группы и подложкой (101) для выращивания, и
- латеральное травление, через отверстия (105), первого слоя (102) нитрида III группы в указанной граничной области (109);
и на стадии осаждения второго слоя (107) нитрида III группы обеспечивают латеральное заращивание отверстий (105), чтобы обеспечить непрерывный слой.

2. Способ по п. 1, в котором второй слой (107) нитрида III группы осаждают при температуре, большей или равной 700°C, для облегчения отделения второго слоя (107) нитрида III группы от подложки (101) для выращивания по жертвенному слою (110) посредством термического напряжения, возникающего в ходе охлаждения полученной структуры от указанной температуры осаждения.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором, при указанном образовании отверстий (105), формируют металлический маскирующий слой (103) на первом слое (102) нитрида III группы и на него наносят рисунок с получением в нем дырок (104), и первый слой (102) нитрида III группы протравливают через дырки (104) в металлическом маскирующем слое (103).

4. Способ по п. 3, в котором указанное латеральное травление первого слоя нитрида III группы в указанной граничной области (109) включает электрохимическое травление с использованием металлического маскирующего слоя (103) в качестве электрода, на который подают напряжение смещения постоянного тока.

5. Способ по п. 4, в котором указанное латеральное травление первого слоя нитрида III группы в указанной граничной области (109) включает воздействие УФ излучения на граничную область (109) для осуществления фотохимического травления.

6. Способ по любому из пп. 1-4, включающий стадию отжига слоев (102, 107) на подложке (101) при температуре осуществления термического разложения нитрида первого слоя (102) нитрида III группы в граничной области.

7. Способ по п. 6, в котором в течение стадии отжига обеспечивают атмосферу аммиака, окружающую слои (102, 107) на подложке (101).