一种基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法，所述制备方法至少包括：首先，提供一硅衬底，刻蚀所述硅衬底形成硅柱阵列；其次，于所述硅衬底以及硅柱阵列表面形成能够实现选择性外延生长的阻挡层；然后，去除所述硅柱阵列顶部的阻挡层，暴露出的所述硅柱阵列顶部作为后续生长的籽晶；接着于所述籽晶表面选择性外延生长缓冲层；接着在所述缓冲层表面选择性外延生长形成连续的GaN薄膜层；最后剥离转移所述GaN薄膜层，余留的硅衬底及硅柱阵列供所述步骤4)循环使用。通过本发明专利技术的制备方法可以实现高质量、大面积、低成本GaN单晶薄膜的制备，从而促进GaN电子器件的工业应用。

Preparation method of GaN layer transfer single crystal thin film based on Silicon Heterostructure substrate

The present invention provides a method for the preparation of a GaN layer transfer single crystal film based on a silicon heterogeneous substrate. The preparation method includes at least: first, providing a silicon substrate, etching the silicon substrate to form a silicon column array; secondly, forming a barrier layer on the silicon substrate and the silicon column array surface to form a selective epitaxial growth. After removing the barrier layer at the top of the silicon column array, the exposed silicon column array is exposed to the seeded seed, and the buffer layer is selectively epitaxically grown on the surface of the seed crystal, and then selectively epitaxially grown on the surface of the buffer layer to form a continuous GaN film layer; finally, the GaN film layer is stripped and transferred, The remaining silicon substrate and silicon column array are recycled for step 4. The preparation method of the invention can realize the preparation of GaN single crystal film with high quality, large area and low cost, thereby promoting the industrial application of GaN electronic devices.

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法
本专利技术涉及半导体材料制备
，特别是涉及一种基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法。
技术介绍
随着社会的发展，科技的进步，半导体材料在现代科技革命中扮演着极其重要的角色。被誉为第三代半导体材料代表的氮化镓(GaN)，是继以半导体硅(Si)和锗(Ge)为代表的第一代半导体材料及以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料后，在近10年来发展十分迅速的一种新型半导体材料。同第一、二代半导体相比，第三代半导体材料具有能隙更宽、击穿电压更大、导热性更好、介电常数更小、饱和电子速率更高、耐腐蚀、抗辐射、化学稳定性和热稳定性好等突出优点。是制作发光二极管，激光二极管，紫外探测器及高温、高频和大功率器件的首选材料，被誉为是硅之后最重要的半导体材料，是21世纪电力电子、微电子、光电子等高新技术以及国防工业、信息产业和能源产业等经济发展支柱产业继续赖以生存和发展的关键性基础材料。由于GaN的高熔点性和高离解压，GaN体单晶生长极其困难，目前依然无法在产业中获得GaN圆晶片，因此目前GaN半导体器件的制备主要依赖于异质圆晶衬底外延生长薄膜的方法进行。但是GaN材料与异质衬底之间通常存在比较大的晶格失配和热失配，导致异质外延得到的GaN薄膜材料中往往具有很高的位错密度，这些位错极大限制了GaN基电子器件的性能和品质。目前，商业化的GaN基器件基本都是异质外延生长的，所用的衬底主要有蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)、硅(Si)等，采用异质衬底生长GaN主要存在以下几个方面的问题：(1)GaN材料和衬底间的热膨胀系数间的失配问题。如果GaN外延膜和衬底的热膨胀系数相差过大，在薄膜生长过程中容易产生龟裂，而且还会降低GaN基器件的可靠性，特别对大功率器件来说，因器件工作时结温较高，热膨胀系数差异大很容易引起不同区域散热不均匀，造成器件的损坏。(2)GaN材料和衬底间的晶格失配问题。外延层和衬底间较大的晶格失配会在外延层中产生较大的残余应力，在薄膜中出现大量晶格缺陷，导致薄膜晶体质量差，进而影响器件性能。(3)在异质外延生GaN薄膜时，常常由于应力等因素产生翘曲，不利于大面积薄膜的制备。另外，在制备GaN基LED器件时，为了增强器件出光效率，必须在芯片内部或外部制造光的散射中心，减弱光在界面处的全反射，通常对芯片表面、衬底进行绒面化。但是GaN材料化学稳定性非常高，湿法制绒难度大，导致GaN基LED器件的制作成本也比较高。Si衬底与蓝宝石、SiC衬底相比，具有价格便宜、大尺寸单晶容易获得(6英寸、8英寸、12英寸衬底均有商业供应)的优势，而且Si的导电导热性好，Si衬底上外延生长是将来实现GaN单晶薄膜廉价、大面积制备的一个重要途径，而且Si衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成。但是Si衬底与GaN的晶格失配高达20％和热失配高达34％(Si热膨胀系数：3.59×10-6/℃，GaN热膨胀系数：5.45×10-6/℃；Si晶格常数GaN晶格常数)，生长高质量的GaN薄膜非常困难，容易产生高位错密度，薄膜翘曲、龟裂等问题。此外，Ga金属对Si衬底有回熔腐蚀的问题，导致外延生长控制条件苛刻。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法，利用离散的异质籽晶解决GaN现有异质衬底技术中晶格失配和热失配的技术难点，提高晶体质量并通过可重复利用的衬底技术降低成本。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法，所述制备方法至少包括：1)提供一硅衬底，刻蚀所述硅衬底形成硅柱阵列；2)于所述硅衬底以及硅柱阵列表面形成能够实现选择性外延生长的阻挡层；3)去除所述硅柱阵列顶部的阻挡层，暴露出的所述硅柱阵列顶部作为后续生长的籽晶；4)于所述籽晶表面生长缓冲层；5)在所述缓冲层表面生长形成连续的GaN薄膜层；6)剥离转移所述GaN薄膜层，余留的硅衬底及硅柱阵列供所述步骤4)循环使用。优选地，通过控制所述硅柱阵列中硅柱的直径以及所述硅柱阵列在所述硅衬底的表面占比率，实现控制所述GaN薄膜层外延生长时的异质衬底的使用比例，达到准同质衬底外延生长效果优选地，为了便于获得连续的GaN薄膜，硅柱之间的距离不宜超过10微米，否则离散的籽晶需要长时间侧向生长才能合并成连续的单晶薄膜。优选地，所述步骤1)中，为了使硅柱有足够的力学强度便于后续GaN薄膜的机械剥离转移，硅柱端面的直径不小于硅柱长度的50％为宜。优选地，所述步骤1)中，为了实现籽晶衬底异质外延生长达到准同质衬底效果，硅柱所占硅衬底表面积比例不超过5％为宜，以降低异质衬底在外延薄膜上的实际比例。优选地，所述步骤1)中，形成硅柱阵列的过程为：1-1)，于所述硅衬底表面形成掩膜；1-2)，采用光刻工艺图案化所述掩膜；1-3)，采用感应耦合等离子体干法刻蚀工艺，于所述硅衬底上形成周期性的硅柱阵列；1-4)，去除所述掩膜。优选地，所述步骤2)中，采用热氧化工艺于所述硅衬底以及硅柱阵列表面形成SiO2作为选择性外延生长的阻挡层。优选地，所述步骤4)中，因铝的金属有机物与SiO2在高温时易发生反应形成不易气化的铝氧化物(AlOX)，为了实现AlN和AlGaN缓冲层在籽晶上的选择性生长，采用铝的卤化物为铝源，外延生长AlN或者AlGaN缓冲层，并加入HCl气体提高生长选择性。优选地，所述缓冲层的厚度范围为10～30nm。优选地，所述步骤5)生长形成连续的GaN薄膜层过程包括：在生长初期，在所述缓冲层上形成GaN类金字塔状晶粒，其中，每一个所述籽晶对应形成一个所述类金字塔状晶粒；随着生长的进行，所述类金字塔状晶粒沿金字塔斜面侧向生长长大，之后相邻的所述类金字塔状晶粒合并，最终形成连续的GaN薄膜层。优选地，所述GaN薄膜层的前表面形成绒面表面结构或平坦表面，所述GaN薄膜层的后表面形成绒面表面结构。优选地，若所述GaN薄膜层前、后两表面均形成绒面表面结构，则后表面绒面起伏度小于前表面绒面起伏度。优选地，所述步骤6)中采用真空吸附机械剥离的方法剥离转移所述GaN薄膜层。优选地，所述步骤6)中，当所述硅衬底及硅柱阵列重复使用一定次数后，在所述GaN薄膜层机械剥离转移之前采用原子层化学气相沉积生长方法增厚所述阻挡层，恢复所述硅衬底及硅柱阵列的可重复利用性如上所述，本专利技术的基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法，具有以下有益效果：1、当控制硅柱的直径以及硅柱阵列在母衬底上的表面占有率，使硅柱顶部的籽晶在衬底平面的空间占有率非常小时，例如低于5％，硅柱顶部的籽晶仅作为GaN薄膜生长时的初始形核位置，因晶体生长的各向异性内禀行为，生长初期阶段各个离散的籽晶通过异质外延生长形成多面体形状的GaN微晶粒,后续的薄膜生长以这些微晶粒为晶种进行长大合并为单一连续单晶薄膜，在籽晶上因异质外延生长形成的部分位错会随着GaN微晶粒在各个晶面方向上的各向异性生长长大而消失，即后续的薄膜生长是同质衬底生长行为，这样在整个GaN外延薄膜生长过程中，异质衬底的实际使用比例非常小，等同于采用GaN准同质衬底进行GaN单晶薄膜外延生长，这样可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：1)提供一硅衬底，刻蚀所述硅衬底形成硅柱阵列；2)于所述硅衬底以及硅柱阵列表面形成能够实现选择性外延生长的阻挡层；3)去除所述硅柱阵列顶部的阻挡层，暴露出的所述硅柱阵列顶部作为后续生长的籽晶；4)于所述籽晶表面选择性外延生长缓冲层；5)在所述缓冲层表面选择性外延生长形成连续的GaN薄膜层；6)剥离转移所述GaN薄膜层，余留的硅衬底及硅柱阵列供所述步骤4)循环使用。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：1)提供一硅衬底，刻蚀所述硅衬底形成硅柱阵列；2)于所述硅衬底以及硅柱阵列表面形成能够实现选择性外延生长的阻挡层；3)去除所述硅柱阵列顶部的阻挡层，暴露出的所述硅柱阵列顶部作为后续生长的籽晶；4)于所述籽晶表面选择性外延生长缓冲层；5)在所述缓冲层表面选择性外延生长形成连续的GaN薄膜层；6)剥离转移所述GaN薄膜层，余留的硅衬底及硅柱阵列供所述步骤4)循环使用。2.根据权利要求1所述的基于硅异质衬底的GaN层转移薄膜制备方法，其特征在于，通过控制所述硅柱阵列中硅柱的直径以及所述硅柱阵列在所述硅衬底的表面占比率，实现控制所述GaN薄膜层外延生长时的异质衬底的使用比例，达到准同质衬底外延生长效果。3.根据权利要求1所述的基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，形成硅柱阵列的过程为：1-1)，于所述硅衬底表面形成掩膜；1-2)，采用光刻工艺图案化所述掩膜；1-3)，采用感应耦合等离子体干法刻蚀工艺，于所述硅衬底上形成周期性的硅柱阵列；1-4)，去除所述掩膜。4.根据权利要求1所述的基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，采用热氧化工艺于所述硅衬底以及硅柱阵列表面形成SiO2作为选择性外延生长的阻挡层。5.根据权利要求1所述的基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东方，李纪周，张伟，王聪，陈小源，鲁林峰，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海,31