一种利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法。本发明专利技术通过在半导体单晶厚膜结构与异质衬底之间引入二维晶体过渡层，利用原子层间分子力结合弱、易于破坏分离的特点，采用剥离方法实现半导体单晶厚膜结构与异质衬底的分离，得到大尺寸、高质量的自支撑半导体单晶衬底；能够根据二维晶体的厚度自主选择自剥离或机械剥离的方式，增加剥离工艺可控性，不会对半导体单晶厚膜结构造成损伤，成品率高，可重复性好；通过二维晶体层间弱分子力键合，部分释放异质衬底和半导体单晶厚膜结构间的失配应力，避免生长及降温时开裂；异质衬底可重复使用，工艺稳定，成本低廉；设备简单，易操作，适合产业化生产。

A Method for Preparing Semiconductor Single Crystal Substrates Using Two-Dimensional Crystal Transition Layer

The invention discloses a method for preparing a semiconductor single crystal substrate by using a two-dimensional crystal transition layer. By introducing a two-dimensional crystal transition layer between the thick film structure of a semiconductor single crystal and the heterogeneous substrate, the present invention separates the thick film structure of a semiconductor single crystal from the heterogeneous substrate by stripping method, taking advantage of the weak bonding between atomic layers and molecular forces, which is easy to destroy and separate, and obtains a large and high-quality self-supporting semiconductor single crystal substrate; it can be selected independently according to the thickness of a two-dimensional crystal. By means of self-peeling or mechanical peeling, the control of peeling process can be increased, which will not cause damage to the thick film structure of semiconductor single crystal, with high yield and good repeatability; by means of weak molecular force bonding between two-dimensional crystal layers, the mismatch stress between heterogeneous substrate and thick film structure of semiconductor single crystal can be partly released to avoid cracking during growth and cooling; heterogeneous substrate can be reused and the process is stable. The utility model has the advantages of low cost, simple equipment and easy operation, and is suitable for industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法
本专利技术涉及半导体单晶衬底的制备技术，具体涉及一种利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法。
技术介绍
半导体薄膜光学和电学性质良好，使其在薄膜器件，特别是在高效率发光器件、光电转换器件、功率电子器件、集成电路和传感器件等领域具有极大的应用价值。近年来，半导体薄膜制备技术成为各国高技术产业战略性发展的核心，发展低成本、高质量的薄膜制备技术显得日益重要。根据所用衬底不同，半导体薄膜制备技术可分为:同质外延和异质外延。异质外延即在异质衬底上外延半导体薄膜，该方法具有成本低、应用广泛、工艺兼容等优点。但是异质衬底和半导体薄膜间存在较大的晶格失配和热失配，使得沉积的半导体薄膜晶体质量较差，严重制约了半导体薄膜光电、电子器件性能。采用半导体单晶衬底同质外延半导体薄膜，具有原子级平整的表面形貌及较高的晶体质量，能够显著提高光电器件的发光效率、改善电子器件的漏电问题。以第三代半导体氮化镓GaN为例，在蓝宝石异质衬底上外延氮化镓GaN薄膜的位错密度高达109cm～2，而采用氮化镓GaN单晶衬底同质外延GaN基薄膜，位错密度可降至105cm-2。因此，低成本、高质量半导体单晶衬底的研发工作具有重要意义。目前制备半导体薄膜单晶衬底的方法主要包括：熔体生长法和气相沉积法等。但是，前者或者需要高温高压设备，或者需要活性熔融体辅助，能耗和危险性较大。后者则存在半导体厚膜和异质衬底分离技术不成熟、成本较高等问题。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法，通过对二维晶体过渡层的材料选择和厚度调控，降低气相沉积法制备的半导体单晶厚膜结构的剥离难度并优化半导体单晶厚膜结构的晶体质量，从而获得低成本、高质量的自支撑半导体单晶衬底。本专利技术的利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法，包括以下步骤：1)根据半导体单晶厚膜结构的对称性选择二维晶体，二维晶体与半导体单晶厚膜结构具有相同的对称性；2)在异质衬底上采用薄膜沉积法或者转移法沉积二维晶体，根据剥离方法确定二维晶体的沉积厚度，在异质衬底上形成二维晶体过渡层，构成二维晶体过渡层复合衬底；3)对二维晶体过渡层复合衬底进行化学清洗预处理，使二维晶体过渡层的表面洁净；4)在二维晶体过渡层复合衬底的上表面采用薄膜沉积法制备半导体单晶薄膜层，半导体单晶薄膜层具有与二维晶体相同的对称性；5)利用厚膜沉积法在半导体单晶薄膜层上制备半导体单晶厚膜层，通过应力控制方法控制半导体单晶厚膜层的厚度，从而在二维晶体过渡层复合衬底上形成半导体单晶厚膜结构，半导体单晶厚膜结构具有与二维晶体相同的对称性；6)根据步骤2)中二维晶体过渡层的厚度，采用相应的剥离方法，将半导体单晶厚膜结构与异质衬底分离；7)化学清洗处理后获得自支撑半导体单晶衬底。其中，在步骤1)中，二维晶体是指：晶体原子层内的原子间采用共价键结合，不易断裂；原子层间采用分子力(范德华力)结合，易于断裂，并且二维晶体在大尺度上原子的有序排列，更有利于提高半导体单晶厚膜结构的质量。二维晶体采用具有三方或六方晶格对称性的材料，采用六方氮化硼h-BN、石墨烯Graphene和过渡金属硫化物TMDs中的一种。在步骤2)中，二维晶体过渡层的厚度为1～100nm；根据步骤6)中采用的剥离方法确定，如果采用自剥离，则厚度小于3nm，利用热应力破坏二维晶体过渡层，剥离半导体单晶厚薄；如果采用机械剥离，则厚度为3～100nm，通过外加机械力破坏二维晶体过渡层，剥离半导体单晶厚薄。薄膜沉积法采用分子束外延法MBE、化学气相沉积法CVD、磁控溅射、脉冲激光沉积PLD和金属有机物化学气相沉积MOCVD中的一种；转移法是指将制备的二维晶体过渡层从其他衬底转移到异质衬底上。异质衬底采用蓝宝石、硅和金属中的一种。在步骤3)中，化学清洗预处理化学清洗和高温烘烤，除去二维晶体过渡层表面的杂质原子，使二维晶体过渡层的表面洁净。在步骤4)中，半导体单晶薄膜层为半导体单晶薄膜、半导体低温缓冲层或者超晶格结构；当异质衬底和半导体单晶薄膜层之间的晶格失配大于10％，外延10～100nm的半导体低温缓冲层或者超晶格结构，能够部分释放半导体单晶薄膜层和异质衬底之间的失配应力，提高半导体单晶薄膜层的晶体质量。在步骤5)中，厚膜沉积法采用氢化物气相外延HVPE、物理气相输运PVT和化学气相输运CVT中的一种。厚膜沉积法在半导体单晶薄膜层上制备的半导体单晶厚膜层的厚度为异质衬底的0.2～1.5倍。为了防止半导体单晶厚膜层制备过程中开裂，采用渐变调制或周期调制的方法降低半导体单晶厚膜层中的应力。在步骤6)中，剥离方法采用自剥离或机械剥离；当二维晶体过渡层的厚度小于3nm时，采用基于二维晶体过渡层的自剥离：在气相外延法降温过程中利用局域热应力自发破坏二维晶体过渡层，实现异质衬底与半导体单晶厚膜结构的分离；当二维晶体过渡层的厚度在3～100nm之间时，采用基于二维晶体过渡层的机械剥离：将半导体单晶厚膜结构的上表面与异质衬底的下表面通过粘结剂固定在固体硬物上，然后施加方向相反的水平作用力，通过破坏二维晶体过渡层的方式实现异质衬底与半导体单晶厚膜结构的分离。固体硬物采用玻璃、金属、陶瓷和塑料中的一种或多种；粘接剂采用石蜡、金属或胶。在步骤7)中，化学清洗处理包括有机清洗和超声，除去残留在半导体单晶厚膜结构表面的二维晶体过渡层，或者除去残留在半导体单晶厚膜结构表面的二维晶体过渡层和粘结剂。本专利技术的优点：本专利技术通过在半导体单晶厚膜结构与异质衬底之间引入二维晶体过渡层，利用二维晶体过渡层原子层间分子力结合弱、易于破坏分离的特点，采用剥离方法实现半导体单晶厚膜结构与异质衬底的分离，得到大尺寸、高质量的自支撑半导体单晶衬底；通过对二维晶体过渡层厚度的合理设计，能够自主选择自剥离或机械剥离的方式，增加剥离工艺可控性；通过破坏二维晶体过渡层的方式实现异质衬底与半导体单晶厚膜结构分离，不会对半导体单晶厚膜结构造成损伤，成品率高，可重复性好；预沉积的二维晶过渡层能够通过层间弱分子力键合，部分释放异质衬底和半导体单晶厚膜结构间的失配应力，避免半导体单晶厚膜结构生长及降温时开裂；异质衬底可重复使用，无需复杂的激光剥离或者光刻，工艺稳定，成本低廉；设备简单，不需要在反应室中增加原位刻蚀等部件，易操作，适合产业化生产。附图说明图1至图6为本专利技术的利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法的实施例的流程图。具体实施方式下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本专利技术。实施例一在本实施例中，二维晶体过渡层2为二硫化钼MoS2薄膜，制备方法为化学气相沉积CVD，异质衬底1为c面蓝宝石；半导体单晶薄膜层为氮化镓GaN单晶薄膜，制备方法为分子束外延MBE；半导体单晶厚膜层为氮化镓GaN厚膜，制备方法为氢化物气相外延HVPE，剥离方法为自剥离。本实施例的利用二维晶体过渡层制备半导体氮化镓GaN单晶衬底的方法，包括以下步骤：1)根据半导体单晶厚膜层的氮化镓GaN的对称性，选择二维晶体为二硫化钼MoS2；2)采用化学气相沉积CVD在c面蓝宝石的异质衬底1的上表面预沉积二硫化钼MoS2的二维晶体过渡层2：首先用丙酮、酒精和去离子水清洗蓝宝石衬底，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)根据半导体单晶厚膜结构的对称性选择二维晶体，二维晶体与半导体单晶厚膜结构具有相同的对称性；2)在异质衬底上采用薄膜沉积法或者转移法沉积二维晶体，根据剥离方法确定二维晶体的沉积厚度，在异质衬底上形成二维晶体过渡层，构成二维晶体过渡层复合衬底；3)对二维晶体过渡层复合衬底进行化学清洗预处理，使二维晶体过渡层的表面洁净；4)在二维晶体过渡层复合衬底的上表面采用薄膜沉积法制备半导体单晶薄膜层，半导体单晶薄膜层具有与二维晶体相同的对称性；5)利用厚膜沉积法在半导体单晶薄膜层上制备半导体单晶厚膜层，通过应力控制方法控制半导体单晶厚膜层的厚度，从而在二维晶体过渡层复合衬底上形成半导体单晶厚膜结构，半导体单晶厚膜结构具有与二维晶体相同的对称性；6)根据步骤2)中二维晶体过渡层的厚度，采用相应的剥离方法，将半导体单晶厚膜结构与异质衬底分离；7)化学清洗处理后获得自支撑半导体单晶衬底。

【技术特征摘要】
1.一种利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)根据半导体单晶厚膜结构的对称性选择二维晶体，二维晶体与半导体单晶厚膜结构具有相同的对称性；2)在异质衬底上采用薄膜沉积法或者转移法沉积二维晶体，根据剥离方法确定二维晶体的沉积厚度，在异质衬底上形成二维晶体过渡层，构成二维晶体过渡层复合衬底；3)对二维晶体过渡层复合衬底进行化学清洗预处理，使二维晶体过渡层的表面洁净；4)在二维晶体过渡层复合衬底的上表面采用薄膜沉积法制备半导体单晶薄膜层，半导体单晶薄膜层具有与二维晶体相同的对称性；5)利用厚膜沉积法在半导体单晶薄膜层上制备半导体单晶厚膜层，通过应力控制方法控制半导体单晶厚膜层的厚度，从而在二维晶体过渡层复合衬底上形成半导体单晶厚膜结构，半导体单晶厚膜结构具有与二维晶体相同的对称性；6)根据步骤2)中二维晶体过渡层的厚度，采用相应的剥离方法，将半导体单晶厚膜结构与异质衬底分离；7)化学清洗处理后获得自支撑半导体单晶衬底。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)中，二维晶体采用具有三方或六方晶格对称性的材料。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤1)中，二维晶体采用六方氮化硼、石墨烯和过渡金属硫化物中的一种。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2)中，二维晶体过渡层的厚度为1～100nm；根据步骤6)中采用的剥离方法确定，如果采用自剥离，则厚度小于3nm；如果采用机械剥离，则厚度为3～100nm。5.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新强，刘放，沈波，吴洁君，荣新，郑显通，盛博文，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11