一种石墨烯掩膜生长氮化镓薄膜的结构制造技术

本实用新型专利技术公开了一种石墨烯掩膜生长氮化镓薄膜的结构，属于半导体技术领域。它包括氮化镓薄膜层、掩膜层和衬底层，裸露衬底层的区域为窗口区域，石墨烯覆盖区域为掩膜区域，在衬底层的窗口区域氮化镓层成核生长并覆盖掩膜层表面；所述掩膜层为呈六方形图案排列的石墨烯掩膜层结构；所述的窗口区域宽度为3～5微米，掩膜区域的宽度为15～25微米。本实用新型专利技术提供的掩膜层结构能有效降低氮化镓薄膜因异质外延产生的高位错密度；石墨烯掩膜材料的弱范德华力使氮化镓克服失配问题，大幅降低氮化镓薄膜的应力；六方掩膜结构具有六个窗口区域有效加快氮化镓薄膜的合并时间；因氮化镓本身的各向异性特征，使用六方掩膜层生长的氮化镓薄膜具有更好的均匀性。镓薄膜具有更好的均匀性。镓薄膜具有更好的均匀性。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯掩膜生长氮化镓薄膜的结构


[0001]本技术涉及一种石墨烯掩膜生长氮化镓薄膜的结构,属半导体


技术介绍

[0002]以氮化镓（GaN）为研究热点的Ⅲ族氮化物半导体材料具有优异的光电性能和宽广的可调控带隙，使其在功率器件、光电子器件和射频器件等领域有着广泛的应用前景。目前，氮化镓主要是以异质外延的方式而获得。然而，异质衬底与氮化镓之间的晶格常数与热膨胀系数的差异严重影响了氮化镓的晶体质量，主要体现为所生长的氮化镓存在高的位错密度和应力，这阻碍了氮化镓基器件的性能和发展。
[0003]如何有效改善氮化镓薄膜的高位错与高应力问题成为了研究重点。经过验证，通过加入掩膜层可降低氮化镓薄膜的位错密度（参见文献：O. Nam, M. D. Bremser, et al. Applied Physics Letters, 1997, 71(18): 2638
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2640.），这是由于掩膜层起到了阻挡衬底氮化镓位错的作用。目前，根据掩膜层结构的不同主要分为以下两种：一是在衬底上制备以二氧化硅或氮化硅及其他介质材料的单层掩膜或以多种材料相结合的多层介质掩膜结构，虽然该结构起到了降低位错的作用，但非晶态的介质掩膜的保留对氮化镓的导电性与导热性会有所影响，较厚的掩膜层会给氮化镓带来小角度晶界问题和引入额外应力。此外，单层掩膜结构的图案多以一维周期性光栅条状为主，因氮化镓本身的各向异性，在光栅条状掩膜上生长的氮化镓薄膜存在表面均匀性差的问题。二是图案化异质衬底结构，即通过刻蚀工艺将衬底制备成周期性并存在深度差异的图案化结构，这类结构中衬底自身发挥了掩膜的作用，衬底的阻挡与位错的横向合并是氮化镓位错密度降低的主要原因，而位错密度的降低程度受到凹槽深度的影响并且应力弛豫程度并不明显。

技术实现思路

[0004]本技术针对现有技术中存在的不足，提供一种能有效降低氮化镓的位错密度和应力，提高氮化镓的晶体质量的石墨烯掩膜生长氮化镓薄膜的结构。
[0005]实现本技术专利技术目的的技术方案是提供一种石墨烯掩膜生长氮化镓薄膜的结构，包括氮化镓薄膜层、掩膜层和衬底层，裸露衬底层的区域为窗口区域，石墨烯覆盖区域为掩膜区域，在衬底层的窗口区域氮化镓层成核生长并覆盖掩膜层表面，所述掩膜层为呈六方形图案排列的石墨烯掩膜层结构；所述的窗口区域宽度为3～5微米，掩膜区域的宽度为15～25微米。
[0006]本技术提高的一种石墨烯掩膜生长氮化镓薄膜的结构，其掩膜层为等离子体增强化学气相沉积法沉积获得的多层完整石墨烯层结构。
[0007]与现有技术相比，本技术的有益效果在于：
[0008]1. 与现有的一维光栅条带状掩膜层相比，本技术采用图案化六方掩膜结构具有六个窗口区域，氮化镓合并成膜的速度加快。
[0009]2.由于氮化镓自身的各向异性，在一维光栅条带状掩膜上生长的氮化镓薄膜的表
面可能会出现不均匀问题，而使用图案化六方石墨烯掩膜可多方向调控生长，氮化镓薄膜具有良好的均匀性。
附图说明
[0010]图1为本技术实施例提供的一种石墨烯掩膜生长氮化镓薄膜的结构示意图；
[0011]图2为本技术实施例提供的由六方形图案排列的石墨烯掩膜层的平面结构示意图；
[0012]图3为技术实施例提供的掩膜层的窗口与掩膜宽度结构示意示意图；
[0013]其中：1为氮化镓外延层，2为石墨烯掩膜层，3为氮化镓/蓝宝石复合衬底层，4为石墨烯掩膜区域，5为窗口区域。
实施方式
[0014]下面结合附图和实施例对本技术技术方案作进一步的阐述。
实施例
[0015]本实施例提供一种石墨烯掩膜生长氮化镓薄膜的结构。
[0016]参见附图1，为本实施例提供的石墨烯掩膜生长氮化镓薄膜的结构示意图，包括氮化镓外延层1、石墨烯掩膜层2与为氮化镓/蓝宝石复合衬底层衬底层3，通过等离子体增强化学的气相沉积法在氮化镓/蓝宝石复合衬底3上生长多层完整石墨烯；通过光刻、刻蚀等工艺将多层石墨烯制备成图案化六方结构的石墨烯掩膜层2；通过金属有机化学气相沉积法在图案化六方结构的石墨烯掩膜上生长氮化镓外延层1。
[0017]参见附图2、3，分别为本实施例提供的由六方形图案排列的石墨烯掩膜层的平面结构示意图和掩膜层的窗口与掩膜宽度结构示意示意图，黑色覆盖部分为石墨烯掩膜区域4，白色裸露区域为窗口区域5，由图3可见，本实施例提供的六方石墨烯掩膜层结构，其中窗口区域宽4微米，掩膜区域宽20微米。
[0018]本实施例中，三甲基镓（TMGa）与氨气(NH3)分别提供Ga源与N源合成GaN。氮化镓的生长参数分为两个步骤：第一步生长参数选择低的生长温度、较高的生长压强、较低
Ⅴ
/Ⅲ比来促进氮化镓的三维生长。第二步生长参数在第一步生长的基础上提高生长温度、
Ⅴ
/Ⅲ比，降低生长压强来促进氮化镓的侧向生长至合并。本技术提供的图案化石墨烯掩膜为六方形状，其窗口区域宽度为4μm，掩膜区域宽度为20μm，对于不同的需求，可以适当调整石墨烯掩膜的形状、窗口与掩膜的占宽比等。
[0019]本技术中，石墨烯层是通过等离子体增强化学气相沉积法获得的完整多层石墨烯，生长条件：离子源功率为50～70w，生长温度为700～900℃，生长所用的气体有甲烷、氢气和氩气，速率分别为8～12sccm、1～3sccm和1.5～2.5sccm，生长时间为75～100min；优选的，生长条件：离子源功率为60w，生长温度为800℃，生长所用的气体有甲烷、氢气和氩气，速率分别为10sccm、2sccm和2sccm，生长时间为90min。石墨烯层通过光刻与氧等离子体刻蚀出六方图案化结构，氧等离子体刻蚀条件为，氧气气体流量150～250sccm，仪器功率500～600W，刻蚀时间1～2分钟；优选的，氧等离子体刻蚀条件为，氧气气体流量200sccm，仪器功率400W，刻蚀时间80秒。
[0020]本技术中，氮化镓外延层是通过金属有机化学气相沉积法生长，使用两步生长法。第一步生长温度为950～1000℃，压强为450～550Torr,
Ⅴ
/Ⅲ为2000～2500，氨气15～20slm，三甲基镓25～35sccm；第二步生长温度为1000～1100℃，压强为250～350Torr，V/Ⅲ为3500～4000，氨气50～60slm，三甲基镓55～65sccm。优选的，第一步生长温度为970℃，压强为500 Torr,
Ⅴ
/Ⅲ为2100，氨气16.1slm，三甲基镓30sccm；第二步生长温度为1050℃，压强为300 Torr，V/Ⅲ为3600，氨气55slm，三甲基镓60sccm。
[0021]技术提出了一种石墨烯掩膜生长氮化镓薄膜的结构，使用等离子体化学气相沉积法生长的多层完整石墨烯，避免了石墨烯的污染与人为破坏，设置图案化六方掩膜层结构，在该结构上生长了氮化镓外延层。氮化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯掩膜生长氮化镓薄膜的结构，包括氮化镓薄膜层、掩膜层和衬底层，裸露衬底层的区域为窗口区域，石墨烯覆盖区域为掩膜区域，在衬底层的窗口区域氮化镓层成核生长并覆盖掩膜层表面，其特征在于：所述掩膜层为呈六方形图案排列的石墨烯掩...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶佳豪，曹冰，李建洁，蔡鑫，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：