具有2D材料中间层的硅上氮化镓GaN-on-Si外延基板制造技术

本实用新型专利技术公开了具有2D材料中间层的硅上氮化镓GaN

【技术实现步骤摘要】
具有2D材料中间层的硅上氮化镓GaN
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Si外延基板


[0001]本技术涉及具有2D材料中间层的硅上氮化镓GaN
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Si外延基板。

技术介绍

[0002]在光电及半导体的组件制造过程中，外延对产品的质量有重要的影响。其中对质量的影响包含组件效能、良品率、可靠度及寿命等。通常，基板的材料希望能尽量减少缺陷密度的单晶材料，在晶体结构、晶格常数(lattice constant)、热膨胀系数(CTE,coefficient of thermal expansion)与外延材料匹配才能尽可能避免在外延过程中影响晶体质量。近年第三代半导体技术与市场随功率、高频半导体组件需求快速发展，质量提升的基础，仰赖第三代半导体材料两个主角碳化硅与氮化镓高质量外延基板的供应。不同于氮化镓系LED采用蓝宝石基板为主，依照目前技术，最常采用的氮化镓基板是硅晶圆上氮化镓(GaN
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Si)及碳化硅上氮化镓(GaN
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SiC)两种基板。
[0003]主要原因来自氮化镓单晶技术发展目前成本与尺寸的限制。氮化铝和氮化镓的熔点均在摄氏两千五百度以上且存在蒸气压高问题，换言之，若想要直接以熔融长晶的方法制作前述两种材料的单晶基板，则不只制造成本更高，也相对会产生更多废热，对环境造成不可避免的污染。气相法长晶部分，目前氮化镓长晶采用的是氢化物气相外延法(Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)来生产单晶氮化镓基板，由于生产成本及产率条件等限制，目前量产技术达到4英寸基板同时成本极高。事实上，上述气相法缺陷密度仍然偏高于其他液相长晶工序，但受限于其余工序长晶速率过于缓慢，量产成本更为高昂，在市场需求、组件性能以及基板成本与供应量折衷考虑之下，商转主流仍限于HVPE法。文献指出气相法GaN长晶速率仍有提高数倍的可能并维持良好结晶性，但受限于缺陷密度劣化，目前并未能作为降低GaN基板成本的取向。至于氮化铝长晶技术，采用的是气相法之一的物理气相传输法(Physical Vapor Transport,PVT)来生产单晶氮化铝基板，由于生产技术及良率限制，全球仅两家厂家有量产能力，目前量产技术仅达到2英寸基板同时成本极高，而产能全由少数厂商占有无法广泛供应市场。由于氮化铝本身化学特性以及物理气相传输法硬件零组件限制，单晶成品中一定程度的碳(C)与氧(O)杂质存在为不可避免，也一定程度影响组件特性。
[0004]表1
metal dichalcogenides)以及黑磷black phosphorus等也是2D材料家族中累积较多研发成果者，上述材料均各自具备特异的材料特性与应用潜能,相关材料的制造技术开发也持续积极推展中。除了优异的光电特性之外,石墨烯、hBN以及TMDs材料之一的MoS2都被视为具有优异的扩散阻障特性，也有程度不一的高温稳定性，尤其hBN更具有绝佳的化学钝性(inertness)以及高温耐氧化性。
[0009]由于具备上述层状结构本质以及层间范德华力结合特性，将2D材料家族中两种或多种材料制作成层状堆栈异质结构(hetero
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structures)技术可行性大开，异质结构除了结合不同特性更创造出新的应用特性或制作出新的组件成为可能，目前光电及半导体领域的研发相当积极。具体可以是机械性组成迭层，也可以是物理或化学气相沉积。
[0010]2D材料的范德华力结合特性也获得应用于传统3D材料的外延基板用途的关注，其着眼点在于外延技术中外延材料在晶体结构、晶格常数(lattice constant)、热膨胀系数(CTE,coefficient of thermal expansion)必须与基板材料匹配非常良好，但现实上常遭遇如本专利技术主题欠缺适合基板材料，或者是理想的基板材料成本偏高或不容易取得等情形，此时2D材料对于异质外延基板提供了另一种解决方案，也就是所谓的范德华外延(van der Waals Epitaxy)。范德华外延可能有利于异质外延的机制来自于传统外延接口直接的化学键改由范德华力结合所取代，将使得来自于外延工序中晶格以及热膨胀不匹配的应力或应变能因此获得一定程度的舒缓，从而使得外延层质量获得改善，或者说通过2D材料以及范德华外延导入可以使某些原先无法实用化的异质外延技术成为可能。相关研究也指出，当上述2D材料相互迭层异质结构时，相互间作用力以范德华力为主；而在2D材料上进行3D材料的外延时，由于接口上3D材料的空悬键(dangling bond)存在同时对接口的结合力有贡献，这种外延实质上并非纯粹范德华外延(van der Waals Epitaxy)或者更精确地可视为准范德华外延(Quasi van der Waals Epitaxy)；不论何种情形，晶格与热膨胀的匹配程度，无疑地仍对最终的外延质量起了一定的作用，2D材料中介层与基板材料都对整体的匹配度有所贡献。上述2D层状材料具有六角形或蜂巢状(hexagon or honeycomb)结构，与纤锌矿(Wurtzite)和闪锌矿(Zinc
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Blende)结构材料在外延时被视为结构兼容，本专利技术相关领域主要外延材料均属此类结构。
[0011]基于外延基板用途，单晶(single crystal)为确保磊晶质量的要求之一，一般2D材料成长往往会在成核阶段与结晶性基板晶体指向呈现相关性，当基板采用一般金属箔片时由于属于多晶结构，2D材料在成核阶段已经形成方向不一致，晶核随成长聚合成连续薄膜后仍存在不同指向的区块(domain)而非单晶；当基板采用单晶材料如蓝宝石，仍然因为两者结构对称相关性导致可能出现的特定成核指向并非唯一，而无法形成单晶连续薄膜。近期的研究发现通过改进既存工艺，将铜箔经过热处理形成特定晶格指向的铜箔时，可以消弭2D材料石墨烯和六方氮化硼(hBN)成长过程形成的异向晶格区块(domain)特征，而长成单晶石墨烯和六方氮化硼连续薄膜。
[0012]近年多项研究指出2D材料家族通常互为异质外延的理想基板材料，例如hBN被视为绝佳的过渡金属二硫族化物TMDs(transition metal dichalcogenides)材料的外延基板，研究指出在单晶hBN表面可以外延成长MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等TMD材料并维持高达95％表面积为单晶连续薄膜。
[0013]近年研究指出在单晶的c面(c
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plane)蓝宝石表面可以CVD等方式成长结晶性良好
的层状MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等TMD材料，成长出来的TMD材料存在两种(0
°
及60
°
)晶体指向(crystal orientation)(参考文献：Nature 2019,v.567,169
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170)。针对本专利技术所关注的AlGaN以及GaN材料而言，晶体结构在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有2D材料中间层的硅上氮化镓GaN
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Si外延基板，其特征在于包含一单晶硅晶圆基板；硅晶圆基板上有多晶向的2D材料超薄中介层，所述多晶向的2D材料超薄中介层至少具有一顶层；所述顶层晶格常数与AlN、AlGaN或GaN高度匹配；其中，顶层晶格常数与GaN高度匹配，2D材料超薄中介层顶层上借助范德华外延生长有GaN单晶外延层；或者，顶层晶格常数与AlN或AlGaN高度匹配，2D材料超薄中介层顶层上借助范德华外延生长有AlGaN或AlN成核辅助层，再在AlGaN或AlN成核辅助层上具有GaN单晶外延层。2.如权利要求1所述的具有2D材料中间层的硅上氮化镓GaN
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Si外延基板，其特征在于：所述2D材料超薄中介层的厚度大于0.5nm。3.如权利要求1所述的具有2D材料中间层的硅上氮化镓GaN
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Si外延基板，其特征在于：所述2D材料超薄中介层为适用于GaN、AlGaN或AlN外延的2D层。4.如权利要求1所述的具有2D材料中间层的硅上氮化镓GaN
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Si外延基板，其特征在于：所述2D材料超薄中介层为单层结构，只具有顶层，顶层为适用于GaN、AlGaN或AlN外延的2D材料。5.如权利要求1所述的具有2D材料中间层的硅上氮化镓GaN
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【专利技术属性】
技术研发人员：王晓靁，施能泰，宋高梅，
申请(专利权)人：王晓靁，
类型：新型
国别省市：