半导体结构以及制备半导体结构的方法技术

本发明专利技术提出了半导体结构以及制备半导体结构的方法。具体地，该方法包括：(1)提供衬底；(2)在所述衬底上表面设置石墨烯层；以及(3)在所述石墨烯层的上表面通过溅射沉积，形成第一氮化物半导体层，以便获得所述半导体结构，所述第一氮化物半导体层具有晶体择优取向。由此，可以降低制备成本，简化制备工艺，并获得具有晶体择优取向的第一氮化物半导体层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体技术以及半导体制造领域，具体而言，本专利技术涉及半导体结构以及制备半导体结构的方法。
技术介绍
在半导体
，太阳能电池或者发光二极管(LED)的衬底多为玻璃或者金属。采用玻璃作为衬底，可利用玻璃的透光性，且成本低廉因此具有良好的应用前景；采用金属作为衬底，则可以利用金属导电性能良好的特点提高器件性能，或是利用柔性金属薄膜衬底制备柔性半导体器件。然而，对于性能较好的太阳能电池或者LED来说，其中的半导体材料一般要求为单晶或者晶体取向一致性好的多晶，即其中的晶体具有择优取向。目前可采用外延生长或者溅射沉积的方法在玻璃表面获得半导体薄膜，这些方法制备的半导体薄膜或为非晶材料，或为没有晶体择优取向的多晶材料，难以获得晶体择优取向性好的半导体薄膜，难以满足高性能太阳能电池或者发光二极管的要求。因此，目前基于玻璃或金属衬底制备氮化物半导体材料的半导体技术仍有待改进。
技术实现思路
石墨烯作为一种性能独特的二维层状材料，近年来被广泛应用于诸如太阳能电池等半导体器件或半导体结构中。专利技术人经过深入研究以及大量实验发现，在半导体结构中引入石墨烯层，利用石墨烯具有二维层状结构的特性，同时，通过合适的溅射沉积工艺，能够诱导生产具有晶体择优取向的氮化物半导体层。可以在玻璃或是金属衬底上制备出具有晶体择优取向的氮化物薄膜，从而可以用于制备高性能的太阳能电池、发光二极管等半导体器件。此外，通过控制氮化物晶体的晶格常数，使其与常见半导体晶体材料之间具有较好的晶格匹配程度，从而可以保证生长在该氮化物晶体层上的半导体层具有好的晶体择优取向。本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种制备半导体结构的方法，该方法采用溅射沉积的方法，通过引入石墨烯层以及对溅射条件的控制，能够形成具有晶体择优取向的氮化物半导体层。与利用固相外延生长技术以及金属有机化学气相沉积技术相比，溅射沉积具有成本低廉、操作简单等优
点。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备半导体结构的方法。该方法包括：(1)提供衬底；(2)在所述衬底上表面设置石墨烯层；以及(3)在所述石墨烯层的上表面通过溅射沉积，形成第一氮化物半导体层，以便获得所述半导体结构，所述第一氮化物半导体层具有晶体择优取向。由此，可以降低制备成本，简化制备工艺，并获得具有晶体择优取向的氮化物半导体层。石墨烯层以及适当的溅射条件能够诱导第一氮化物半导体层形成晶体的择优取向，并且，具有晶体择优取向的第一氮化物半导体层能够诱导形成在其上的其余半导体层的形成，使形成的半导体层中的晶格排列也具有择优取向性。同时，第一氮化物半导体层还可以阻挡衬底中杂质扩散到其余半导体层中，从而可以有效改善半导体结构的性能。根据本专利技术的实施例，步骤(3)进一步包括：通过溅射沉积在所述石墨烯层的上表面形成氮化物半导体混合体，对所述氮化物半导体混合体进行第一退火处理，以便获得所述第一氮化物半导体层。由此，可以进一步简化溅射沉积过程的制备工艺，降低对沉积设备的要求，从而可以进一步降低生产成本。根据本专利技术的实施例，该方法进一步包括：(4)在所述第一氮化物半导体层远离所述石墨烯层的一侧形成第二氮化物半导体层，所述第二氮化物半导体层具有晶体择优取向。由此，可以利用第一氮化物半导体层的晶体择优取向，提高第二氮化物半导体层的质量。根据本专利技术的实施例，该方法进一步包括；(5)对所述衬底、所述石墨烯层、所述第一氮化物半导体层以及所述第二氮化物半导体层进行第二退火处理。由此，可以通过第二退火处理，进一步提高第一氮化物半导体层以及第二氮化物半导体层的结晶质量。根据本专利技术的实施例，所述第一氮化物半导体层含有AlN、GaN、AlGaN、以及InGaN的至少之一。本领域技术人员可以根据实际需求选择上述材料形成第一氮化物半导体层，由此，可以进一步提高该半导体结构的性能。根据本专利技术的实施例，所述第二氮化物半导体层含有AlN、GaN、AlGaN以及InGaN的至少之一，所述第二氮化物半导体层组成与所述第一氮化物半导体层的组成不相同。由此，可以进一步提高该半导体结构的性能。根据本专利技术的实施例，所述衬底是由玻璃或金属形成的。根据本专利技术实施例的半导体结构可以采用玻璃或者金属作为衬底材料，从而可以利用玻璃衬底制备具有透光性能的半导体结构，或是利用金属衬底较好的导电性获得电学性能良好的半导体结构。根据本专利技术的实施例，所述玻璃上表面具有金属镀层。由此，可以直接在金属镀层上通过化学气相沉积的方法形成石墨烯层，从而有利于提高石墨烯层以及玻璃衬底之间的结合质量，进而可以提高该半导体结构的性能。根据本专利技术的实施例，所述金属包括高温合金。由此，一方面可以防止金属衬底在后续的高温过程熔化，另一方面可以缓解衬底金属元素在高温环境中的扩散，进而可以防止衬底中的金属元素扩散而对该半导体结构的性能造成负面影响。根据本专利技术的实施例，所述金属或所述金属镀层的上表面含有Ni、Co、Cu、Fe中的至少之一。上述金属对形成石墨烯具有较好的催化作用，由此，有利于提高利用化学气相沉积在其上形成的石墨烯层的质量。根据本专利技术的实施例，所述金属或所述金属镀层的上表面具有织构结构。由此，可以利用金属或者金属镀层上表面上晶粒的晶体取向分布明显偏离随机分布的织构结构，诱导形成在其上的石墨烯层也具有较为有序的结构，进而可以提高石墨烯层的质量，以便获得具有更好结晶质量的第一氮化物半导体层以及第二氮化物半导体层。根据本专利技术的实施例，所述石墨烯层含有1～10层石墨烯单层。薄而且有序排列的石墨烯层能够有效诱导第一氮化物半导体层形成较为有序的晶体择优取向，石墨烯单层的层数在上述范围内的石墨烯层能够进一步提高对半导体结构的性能的调节作用。根据本专利技术的实施例，所述溅射沉积为磁控溅射沉积或离子束溅射沉积。利用磁控溅射或者离子束溅射可以较好地控制沉积速率以及沉积形成的晶体结构，从而有利于形成具有晶体择优取向的第一氮化物半导体层。根据本专利技术的实施例，所述溅射沉积为脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积。由此，可以利用脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积控制沉积的速率，提高获得的第一氮化物半导体层的结晶质量。根据本专利技术的实施例，所述溅射沉积的溅射速率小于100nm/小时。当溅射速率小于上述数值时，能够显著提高溅射沉积获得的第一氮化物半导体层的结晶质量，进而可以进一步提高该半导体结构的性能。根据本专利技术的实施例，所述溅射沉积时衬底温度不小于300摄氏度。由此，可以简便地通过对衬底进行加热，获得具有晶体择优取向的结构，从而可以降低沉积步骤对设备的要求，简化制备工艺，降低生产成本。根据本专利技术的实施例，所述第一退火处理以及第二退火处理的温度分别独立地为600～1200摄氏度。由此，可以进一步提高结晶质量。在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种半导体结构。根据本专利技术的实施例，该半导体结构包括：衬底；石墨烯层，所述石墨烯层设置在所述衬底的上表面上；和第一氮化物半导体层，所述第一氮化物半导体层形成在所述石墨烯层的上表面，并且所述第一氮化物半导体层具有晶体择优取向。石墨烯层能够诱导第一氮化物半导体层形成晶体的择优取向，并且，具有晶体择优取向的第一氮化物半导体层能够诱导形成在其上的其余结构中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备半导体结构的方法，其特征在于，包括：(1)提供衬底；(2)在所述衬底上表面设置石墨烯层；以及(3)在所述石墨烯层的上表面通过溅射沉积，形成第一氮化物半导体层，以便获得所述半导体结构，所述第一氮化物半导体层具有晶体择优取向。

【技术特征摘要】
1.一种制备半导体结构的方法，其特征在于，包括：(1)提供衬底；(2)在所述衬底上表面设置石墨烯层；以及(3)在所述石墨烯层的上表面通过溅射沉积，形成第一氮化物半导体层，以便获得所述半导体结构，所述第一氮化物半导体层具有晶体择优取向。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)进一步包括：通过溅射沉积在所述石墨烯层的上表面形成氮化物半导体混合体，对所述氮化物半导体混合体进行第一退火处理，以便获得所述第一氮化物半导体层。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，进一步包括：(4)在所述第一氮化物半导体层远离所述石墨烯层的一侧形成第二氮化物半导体层，所述第二氮化物半导体层具有晶体择优取向。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括：(5)对所述衬底、所述石墨烯层、所述第一氮化物半导体层以及所述第二氮化物半导体层进行第二退火处理。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一氮化物半导体层含有AlN、GaN、AlGaN、以及InGaN的至少之一。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二氮化物半导体层含有AlN、GaN、AlGaN以及InGaN的至少之一，所述第二氮化物半导体层组成与所述第一氮化物半导体层的组成不相同。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底是由玻璃或金属形成的；任选地，所述玻璃上表面具有金属镀层；任选地，所述金属包括高温合金。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述金属或所述金属镀层的上表面含有Ni、Co、Cu以及Fe中的至少之一。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述金属以及所述金属镀层的上表层具有织构结构。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨烯层含有1～10层石墨烯单层。11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溅射沉积为磁控溅射沉积或离子束溅射沉积；任选地，所述溅射沉积为脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积；任选地，所述溅射沉积的溅射速率小于100nm/小时。任选地，所述溅射沉积时衬底温度不小于300摄氏度。12.根据权利要求2或4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖磊，王子巍，王敬，梁仁荣，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11