基于激光辅助横向外延的半导体材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于激光辅助横向外延的半导体材料及其制备方法，该基于激光辅助横向外延的半导体材料的制备方法包括：选取衬底，并基于干涉激光在衬底上制备多层经过图案化且具有周期性排布的凹陷的缓冲层，周期性排布的凹陷适用于利用横向外延的方法生长相邻的一层缓冲层。本发明专利技术所提供的基于激光辅助的缓冲层的制备方法，可以减少外延材料的位错和缺陷密度，成本低廉，可大批量生产，在半导体材料领域有着重要的应用前景。料领域有着重要的应用前景。料领域有着重要的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于激光辅助横向外延的半导体材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及外延半导体薄膜生长
，特别涉及基于激光辅助横向外延的半导体材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]半导体器件性能与其所使用材料质量密切相关，高质量的半导体衬底及外延材料是制备高性能器件的基础。目前，金属有机化合物化学气相沉积、分子束外延等制备方法由于其具有原子沉积速度可控且为近乎逐层沉积的优势，成为了制备高质量的层状半导体材料的较为优选的方式。但是上述制备方法存在以下缺点：上述制备方法在层状半导体材料的制备过程中往往需要加热，因此，层状半导体材料的制备过程温度较高，当制备完成后的层状半导体材料的温度降至环境温度时，由于各层之间材料质量受热失配、晶格失配和极性差异等因素影响，会产生较高的缺陷密度，如硅和氮化镓六方晶系顶面所处的晶面存在高达17％的晶格失配，这种较高的晶格失配会带来高达10的10次方的缺陷密度，使得材料较难进行大面积生长制备。
[0003]因此，开发出一种低成本高效率制备半导体材料的方法，具有现实意义和良好的应用前景。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于激光辅助横向外延的半导体材料及其制备方法，以解决现有技术中的上述问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于激光辅助横向外延的半导体材料的制备方法，包括：选取衬底；基于干涉激光，在衬底上制备多层经过图案化的缓冲层；该图案化的缓冲层具有周期性排布的凹陷，周期性排布的凹陷适用于利用横向外延的方法生长相邻的一层缓冲层。其中，经过图案化的缓冲层具有周期性排布的凹陷，周期性排布的凹陷适用于利用横向外延的方法生长相邻的一层缓冲层。
[0006]在本专利技术的实施例中，每层图案化的缓冲层的制备方法包括：
[0007]利用干涉激光对生长完成的缓冲层或者生长过程中的缓冲层进行处理，得到图案化的缓冲层。
[0008]在本专利技术的实施例中，干涉激光为第一干涉激光，在衬底上制备多层经过图案化的缓冲层包括：在衬底上制备一层缓冲层；利用第一干涉激光对缓冲层进行图案化处理，得到图案化的缓冲层；重复制备一层缓冲层以及图案化处理的步骤，得到多层经过图案化的缓冲层。
[0009]在本专利技术的实施例中，第一干涉激光为多个单脉冲激光，通过向缓冲层上发射多个单脉冲激光，以增加干涉图案凹陷的深度。
[0010]在本专利技术的实施例中，在衬底上制备一层缓冲层后，对衬底以及缓冲层进行第一原位退火处理。
[0011]在本专利技术的实施例中，在得到图案化的缓冲层后，对衬底和图案化的缓冲层进行第二原位退火处理。
[0012]在本专利技术的实施例中，干涉激光为第二干涉激光，在衬底上制备多层经过图案化的缓冲层包括：向衬底的表面照射第二干涉激光；在第二干涉激光的作用下，在衬底的表面沉积一层图案化的缓冲层，干涉激光的作用包括抑制缓冲层在照射区域的沉积；重复向衬底的表面照射第二干涉激光以及在衬底的表面沉积一层图案化的缓冲层的步骤，以得到多层经过图案化的缓冲层。
[0013]在本专利技术的实施例中，任意相邻的两层图案化的缓冲层在竖直方向上交错排布。
[0014]在本专利技术的实施例中，衬底包括氧化层，在衬底上制备多层经过图案化的缓冲层之前，利用第三干涉激光去除衬底上的部分氧化层，衬底上去除氧化层的区域为周期性排布；将缓冲层的材料沉积到衬底上去除氧化层的区域；对沉积所述缓冲层的衬底进行加热以彻底清除衬底的氧化层。
[0015]在本专利技术的实施例中，衬底包括氧化层，在衬底上制备多层经过图案化的缓冲层之前，上述方法还包括：
[0016]去除所述衬底的氧化层；
[0017]利用所述第一干涉激光对去除氧化层的衬底进行图案化处理，得到图案化的衬底。
[0018]在本专利技术的实施例中，图案化缓冲层中任意相邻的两个凹陷之间的距离大于缓冲层材料的原子的热迁移长度；第一干涉激光为多个单脉冲激光。
[0019]在本专利技术的实施例中，第一干涉激光的能量密度大于第二干涉激光的能量密度，第一干涉激光的脉冲宽度小于第二干涉激光的脉冲宽度；制备多层经过图案化的缓冲层的方式为采用原位制备方法制备。
[0020]作为本专利技术的另一方面，提供了一种利用上述的方法制备的半导体材料。
[0021]从上述技术方案可以看出，本专利技术基于激光辅助横向外延的半导体材料及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
[0022](1)通过在各个缓冲层制备周期性排布的凹陷，可以使得缺陷密度自衬底向最上层缓冲层方向逐渐减少，最后实现最上层缓冲层缺陷的湮灭。
[0023](2)通过利用干涉激光进行图案化操作，可以实现在缓冲层制备的过程中对缓冲层进行原位图案化，从而能够避免利用非原位图案化的光刻的方法对缓冲层材料的污染，能够有效提高清洁度。
附图说明
[0024]以下结合附图对本专利技术做进一步详细描述。
[0025]图1是本专利技术实施例提供的基于激光辅助横向外延的半导体材料的制备方法的流程图；
[0026]图2是本专利技术实施例提供的在硅衬底上外延砷化镓缓冲层结构的剖视图；
[0027]图3是本专利技术实施例提供的图2的局部放大图；
[0028]图4是本专利技术另一实施例提供的基于激光辅助横向外延的半导体材料的制备方法的流程图；
[0029]图5是本专利技术再一实施例提供的基于激光辅助横向外延的半导体材料的制备方法的流程图；
[0030]图6是本专利技术实施例的退火前后缓冲层上图案的变化；
[0031]图7是本专利技术实施例的在包括氧化层薄膜的砷化镓衬底上制备砷化镓缓冲层的剖视图。
具体实施方式
[0032]在实现本专利技术的过程中发现，可以通过在衬底上制备多层图案化的缓冲层来实现缺陷的减少。
[0033]相关技术中采用光刻的方法实现缓冲层的图案化，但是，光刻手段所采用的化学腐蚀方法无法避免留下污染从而进一步导致缺陷的产生。为了尽可能消除材料缺陷，激光辅助已经引入金属有机化合物化学气相沉积的方法中，用以图案化材料表面，该方法在激光作用与材料表面过程后，在高温环境中需要向反应室通入金属有机源以清洁衬底图案化表面。在原子尺度上的缺陷或污染物可能会由于多个加工步骤而引入，使得表面不适合随后的外延生长，这在一定程度上对可应用的材料体系形成了限制，无法适用于超高真空、低温制备设备。在纳秒量级的时间里，只有当激光作用区域温度远高于材料内部区域的温度时，被激光作用区域的原子才能实现快速汽化去除，而金属有机化合物化学气相沉积制备温度一般在900摄氏度左右，不足的温差将导致材料表面大量原子迁移且聚集形成液滴，如镓液滴，需要在随后制备过程中执行去除镓液滴的操作。或者通过控制所形成液滴，使液滴刻蚀材料表面形成图形区域，但在液滴刻蚀过程由于原子聚集，液滴体积将进一步变大，形成表面张力差而出现马兰戈尼效应，使得已经图案化的区域内形成边缘凹陷中间凸起岛状形貌，需要消耗更多时间在原位退火使材料表面平整化。即采用相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光辅助横向外延的半导体材料的制备方法，包括：选取衬底；基于干涉激光，在所述衬底上制备多层经过图案化的缓冲层；其中，所述经过图案化的缓冲层具有周期性排布的凹陷，所述周期性排布的凹陷适用于利用横向外延的方法生长相邻的一层所述缓冲层。2.根据权利要求1所述的方法，其中，每层图案化的缓冲层的制备方法包括：利用所述干涉激光对生长完成的缓冲层或者生长过程中的缓冲层进行处理，得到所述图案化的缓冲层。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述干涉激光为第一干涉激光，在所述衬底上制备多层经过图案化的缓冲层包括：在所述衬底上制备一层缓冲层；利用所述第一干涉激光对所述缓冲层进行图案化处理，得到所述图案化的缓冲层；重复所述制备一层缓冲层以及所述图案化处理的步骤，得到多层经过图案化的缓冲层。4.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述衬底的上面制备一层所述缓冲层后，所述方法还包括对所述衬底以及所述缓冲层进行第一原位退火处理。在得到所述图案化的缓冲层后，所述方法还包括对所述衬底和所述图案化的缓冲层进行第二原位退火处理。5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述干涉激光为第二干涉激光，在所述衬底上制备多层经过图案化的缓冲层包括：向所述衬底的表面照射所述第二干涉激光；在所述第二干涉激光的作用下，在所述衬底的表面沉积一层所述图案化的缓冲层，其中，所述干涉激光的作用包括抑制所述缓冲层在照射区...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈超，赵超，占文康，徐波，王占国，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：