一种基于六方氮化硼的氮化镓外延层生长与剥离方法技术

本发明专利技术提供的一种基于六方氮化硼的氮化镓外延层生长与剥离方法，利用有机溶剂较强的表面张力，借助超声条件破坏六方氮化硼层与层之间的范德华力，再采用胶带机械剥离而达到剥离氮化镓的目的。相较于现有技术采用激光剥离、化学剥离和磨削衬底等方式，本发明专利技术不需要特别的实验设备和化学处理，简单易行，成本低，耗时短，减少剥离过程对外延层薄膜的损伤，且衬底可以多次循环利用。本发明专利技术可以应用于半导体器件剥离转移，能够解除衬底限制，进一步提高器件的性能和可靠性；并且在外延氮化镓之前，通过高温热退火过程提高氮化铝层的结晶质量，后续可以获得高质量的氮化镓薄膜。后续可以获得高质量的氮化镓薄膜。后续可以获得高质量的氮化镓薄膜。

【技术实现步骤摘要】
一种基于六方氮化硼的氮化镓外延层生长与剥离方法


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种基于六方氮化硼的氮化镓外延层生长与剥离方法。

技术介绍

[0002]氮化镓是第三代半导体的典型代表，近年来被广泛应用于射频器件，大功率电力电子器件，光电器件。被视为支撑新能源、轨道交通、电子信息、国防军工等战略性新兴产业发展的核心技术。目前外延氮化镓通常是在蓝宝石、硅和碳化硅等异质衬底上完成，其中较大的晶格失配与热膨胀系数失配影响了晶体质量；另外蓝宝石衬底热导率低，降低了大功率器件的性能和可靠性。六方氮化硼是层状结构的Ⅲ族氮化物，适合用于做生长氮化镓的插入层；同时利用六方氮化硼层间弱的范德华力，可以机械分离外延层和衬底，并转移到其他衬底上。转移到热导率高的衬底，能够解决器件散热问题；转移到柔性衬底，能满足下一代柔性及可穿戴光电器件和电子器件需求。
[0003]传统剥离氮化镓的方法是使用激光剥离、化学剥离和磨削衬底。激光剥离是使用高功率紫外脉冲激光从蓝宝石衬底背面照射到氮化镓/蓝宝石界面，加热导致氮化镓分解，从而剥离氮化镓和蓝宝石衬底，但是会对氮化镓薄膜造成损伤，并且设备价格昂贵、工艺复杂。化学剥离是首先在蓝宝石衬底上生长牺牲层，再利用化学腐蚀液选择性去除牺牲层，实现氮化镓无损伤剥离，但是剥离速度慢。文献K.Pantzas et al.Journal of Crystal Growth 435(2016)以ZnO作为牺牲层，通过HCl腐蚀除去，在室温下需要几个小时。磨削衬底过程，成本较高，衬底不能被循环使用，而且很耗时。所以亟需一种新的有效的剥离氮化镓方法。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种基于六方氮化硼的氮化镓外延层生长与剥离方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0005]本专利技术提供的一种基于六方氮化硼的氮化镓外延层生长与剥离方法包括：
[0006]步骤1：获取铜箔；
[0007]步骤2：对铜箔进行清洗和热处理；
[0008]步骤3：在热处理之后的铜箔生长六方氮化硼；
[0009]步骤4：将生长的六方氮化硼转移至获得的衬底上；
[0010]步骤5：在转移至衬底的六方氮化硼之上，磁控溅射氮化铝层；
[0011]步骤6：对溅射完氮化铝层所形成的结构进行高温热退火处理；
[0012]步骤7：在高温热退火处理后的氮化铝层之上使用MOCVD外延生长氮化镓层；
[0013]步骤8：利用有机溶液辅助机械剥离氮化镓层。
[0014]可选的，步骤2包括：
[0015]步骤21：将铜箔在稀盐酸中超声清洗10
‑
20分钟；
[0016]步骤22：将超声清洗后的铜箔在去离子水中超声清洗10
‑
20分钟；
[0017]步骤23：将去离子水清洗后的铜箔放置在乙醇溶液冲洗2
‑
3次后；
[0018]步骤24：使用氮气吹干铜箔；
[0019]步骤25：将吹干后的铜箔剪成1cm
×
1cm大小，放置在石英管中心处；
[0020]步骤26：将石英管抽真空至3
‑
10pa，通入氢气至常压；
[0021]步骤27：重复步骤26直至排除石英管内空气；
[0022]步骤28：在氩气和氢气的混合气体气氛中，加热石英管升温到1050℃，并退火1
‑
6小时。
[0023]可选的，步骤3包括：
[0024]步骤31：将处理后的铜箔放在管式炉内石英管中间恒温区，前驱物氨硼烷放置在石英管进气端；
[0025]步骤32：打开真空泵将石英管抽真空至10pa，通入氩气至常压，重复几次，以排除管内空气；
[0026]步骤33：在石英管内通入40
‑
50sccm的氩气，使管内气压保持在40
‑
55pa的低压；
[0027]步骤34：对石英管加热升温，升温速率为10℃/min，从室温升至反应温度950
‑
1050℃后，开启加热电源对氨硼烷加热，加热温度在60
‑
110℃；
[0028]步骤35：保持石英管内气压保持不变，在石英管内的铜箔上生长六方氮化硼；
[0029]其中，生长六方氮化硼的厚度为1
‑
10nm；
[0030]步骤36：生长结束后，关闭加热源、机械泵，在石英管内通入氩气至常压，降温至室温后取出生长在铜箔上的六方氮化硼(hBN)。
[0031]可选的，步骤4包括：
[0032]步骤41：使用匀胶机在生长有六方氮化硼的铜箔表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液，得到旋涂好的铜箔；
[0033]步骤42：将旋涂好的铜箔放在加热台上，温度设置在80
‑
90℃，时间为10
‑
30min，以去除溶剂，并固化PMMA，
[0034]步骤43：将固化后的PMMA/hBN/Cu，放在一定浓度的过硫酸铵溶液中，铜箔一侧朝下，待铜箔被完全腐蚀，得到PMMA/hBN薄膜；
[0035]步骤44：用玻璃片将PMMA/hBN薄膜转移到去离子水中，反复清洗，以去除残留的过硫酸铵溶液和金属离子；
[0036]步骤45：使用衬底捞出PMMA/hBN薄膜，置于加热台上加热0.5
‑
1h，使得薄膜与衬底贴合，得到PMMA/hBN/衬底结构样品；
[0037]步骤46：将PMMA/hBN/衬底结构样品完全浸泡在丙酮溶液中，浸泡时间12
‑
24h，以溶解去除PMMA，得到hBN/衬底；
[0038]步骤47：将hBN/衬底捞出，浸泡在乙醇溶液中2
‑
3h，而后再将hBN/衬底捞出用氮气吹干，将hBN转移过程。
[0039]可选的，步骤1中的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅衬底中的一种；
[0040]步骤41中旋涂PMMA时匀胶机转速可选为2000rpm
‑
4000rpm。
[0041]可选的，步骤5包括：
[0042]步骤51：将转移至衬底上的六方氮化硼放入磁控溅射反应系统，通入高纯的氩气
和氮气，调节反应室气压至0.1
‑
1.0pa；
[0043]步骤52：将纯度为99.99％的铝作溅射靶材，反应室温度调至400
‑
800℃，在hBN/衬底上溅射一层AlN，厚度可选为10
‑
100nm；
[0044]步骤53：将反应室温度降至室温后取出样品，得到沉积了AlN层的hBN/衬底，形成AlN/hBN/衬底三层结构。
[0045]可选的，步骤6包括：
[0046]步骤61：将溅射完氮化铝层所形成的结构与另一个衬底面对面贴合，或者与另一个三层结构的AlN面贴合，一起放入退火炉中进行退火，以防本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于六方氮化硼的氮化镓外延层生长与剥离方法，其特征在于，包括：步骤1：获取铜箔；步骤2：对铜箔进行清洗和热处理；步骤3：在热处理之后的铜箔生长六方氮化硼；步骤4：将生长的六方氮化硼转移至获得的衬底上；步骤5：在转移至衬底的六方氮化硼之上，磁控溅射氮化铝层；步骤6：对溅射完氮化铝层所形成的结构进行高温热退火处理；步骤7：在高温热退火处理后的氮化铝层之上使用MOCVD外延生长氮化镓层；步骤8：利用有机溶液辅助机械剥离氮化镓层。2.根据权利要求1所述的基于六方氮化硼的氮化镓外延层生长与剥离方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤21：将铜箔在稀盐酸中超声清洗10
‑
20分钟；步骤22：将超声清洗后的铜箔在去离子水中超声清洗10
‑
20分钟；步骤23：将去离子水清洗后的铜箔放置在乙醇溶液冲洗2
‑
3次后；步骤24：使用氮气吹干铜箔；步骤25：将吹干后的铜箔剪成1cm
×
1cm大小，放置在石英管中心处；步骤26：将石英管抽真空至3
‑
10pa，通入氢气至常压；步骤27：重复步骤26直至排除石英管内空气；步骤28：在氩气和氢气的混合气体气氛中，加热石英管升温到1050℃，并退火1
‑
6小时。3.根据权利要求1所述的基于六方氮化硼的氮化镓外延层生长与剥离方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤31：将处理后的铜箔放在管式炉内石英管中间恒温区，前驱物氨硼烷放置在石英管进气端；步骤32：打开真空泵将石英管抽真空至10pa，通入氩气至常压，重复几次，以排除管内空气；步骤33：在石英管内通入40
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50sccm的氩气，使管内气压保持在40
‑
55pa的低压；步骤34：对石英管加热升温，升温速率为10℃/min，从室温升至反应温度950
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1050℃后，开启加热电源对氨硼烷加热，加热温度在60
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110℃；步骤35：保持石英管内气压保持不变，在石英管内的铜箔上生长六方氮化硼；其中，生长六方氮化硼的厚度为1
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10nm；步骤36：生长结束后，关闭加热源、机械泵，在石英管内通入氩气至常压，降温至室温后取出生长在铜箔上的六方氮化硼(hBN)。4.根据权利要求1所述的基于六方氮化硼的氮化镓外延层生长与剥离方法，其特征在于，所述步骤4包括：步骤41：使用匀胶机在生长有六方氮化硼的铜箔表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液，得到旋涂好的铜箔；步骤42：将旋涂好的铜箔放在加热台上，温度设置在80
‑
90℃，时间为10
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30min，以去除溶剂，并固化PMMA，步骤43：将固化后的PMMA/hBN/Cu，放在一定浓度的过硫酸铵溶液中，铜箔一侧朝下，待
铜箔被完全腐蚀，得到PMMA/hBN薄膜；步骤44：用玻璃片将PMMA/hBN薄膜转移到去离子水中，反复清洗，以去除残留的过硫酸铵溶液和金属离子；步骤45：使用衬底捞出PMMA/hBN薄膜，置于加热台上加热0.5
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1h，使得薄膜与衬底贴合，得到PMMA/hBN/衬底结构样品；步骤46：将PMMA/hBN/衬底结构样品完全浸泡在丙酮溶液中，浸泡时间12
‑
24h，以溶解去除PMMA，得到hBN/衬底；步骤47：将hBN/衬底捞出，浸泡在乙醇溶液中2
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【专利技术属性】
技术研发人员：耿龙飞，王浩林，张紫璇，刘政，岳文凯，杨波，李培咸，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：