[發(fā)明專利]一種在Si(100)襯底上生長(zhǎng)單晶氮化鎵薄膜的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810714565.4
• 申請(qǐng)日: 2018-07-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108878265B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊學(xué)林;沈波;馮玉霞;張智宏;劉開(kāi)輝;張潔;許福軍;王新強(qiáng);唐寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L21/02
• 分類號(hào): H01L21/02;C30B25/18;C30B29/40
• 代理公司: 北京萬(wàn)象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發(fā)明公開(kāi)了一種在Si(100)襯底上生長(zhǎng)單晶氮化鎵薄膜的方法，包括：在Si(100)襯底上形成非晶SiO₂層；將單晶石墨烯轉(zhuǎn)移至Si(100)/SiO₂襯底上；對(duì)單晶石墨烯表面進(jìn)行預(yù)處理，產(chǎn)生懸掛鍵；生長(zhǎng)AlN成核層；外延生長(zhǎng)GaN薄膜。由于Si(100)表面重構(gòu)產(chǎn)生兩種懸掛鍵，導(dǎo)致氮化物生長(zhǎng)時(shí)晶粒面內(nèi)取向不一致而不能形成單晶，本發(fā)明以非晶SiO₂層屏蔽襯底表面的兩種懸掛鍵信息，并由石墨烯提供氮化物外延生長(zhǎng)所需的六方模板，外延得到了連續(xù)均勻的高質(zhì)量GaN單晶薄膜，為GaN基器件與Si基器件的整合集成奠定了良好的基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在Si(100)襯底上生長(zhǎng)單晶氮化鎵薄膜的方法。

背景技術(shù)

以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、飽和電子漂移速度大、熱導(dǎo)率高和抗輻照能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高頻、高功率和抗輻照等性能的要求。其白光和紫光發(fā)光二極管、短波長(zhǎng)激光器和紫外探測(cè)器等，在白光照明、紫外波段殺菌、高速彩色激光印刷和日盲波段探測(cè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用；其微波功率器件因高功率密度和極限工作溫度，使相同尺寸的天線擁有更遠(yuǎn)的距離和搜索能力；其電力電子器件損耗更低，效率更高，在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電和調(diào)度各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮節(jié)能效用，大大降低電力損耗。

由于同質(zhì)襯底的匱乏，異質(zhì)外延成為GaN材料和器件外延的主流方式。在異質(zhì)外延襯底中，Si襯底具有尺寸大、成本低和導(dǎo)熱性好的優(yōu)點(diǎn)，且GaN基器件和模塊可與現(xiàn)有的Si集成電路的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體制備工藝相兼容。GaN基器件和Si基微電子器件的集成將為集成電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供更廣闊的空間，是GaN材料和器件的發(fā)展趨勢(shì)。但是Si集成電路產(chǎn)業(yè)所用的Si(100)襯底并不能生長(zhǎng)出單晶GaN材料。這是由于Si(100)表面原子為四重對(duì)稱，且表面重構(gòu)產(chǎn)生兩種懸掛鍵，導(dǎo)致氮化物生長(zhǎng)時(shí)晶粒面內(nèi)取向不一致。

針對(duì)Si(100)表面重構(gòu)導(dǎo)致生長(zhǎng)GaN時(shí)晶粒面內(nèi)取向不一致的問(wèn)題，目前并沒(méi)有有效的解決方案。報(bào)道工作中，如V.Lebedev,et al.,J.Crystal Growth 230,426(2001)；S.Joblot,et al.,J.Crystal Growth 280,44(2005)；F.Schulze,et al.,Appl.Phys.Lett.87,133505(2005)，唯一的解決方法是使用斜切的Si(100)襯底解決襯底表面重構(gòu)問(wèn)題。但是襯底斜切導(dǎo)致Si材料中載流子遷移率等性質(zhì)各向異性，并不能實(shí)際應(yīng)用，從而限制了GaN基器件和Si基器件的集成發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種在Si(100)襯底上生長(zhǎng)單晶氮化鎵薄膜的方法，首先利用非晶SiO₂層屏蔽襯底表面重構(gòu)導(dǎo)致的兩種懸掛鍵信息，其次以可轉(zhuǎn)移的二維石墨烯提供氮化物外延生長(zhǎng)所需的六方模板，通過(guò)對(duì)石墨烯進(jìn)行表面預(yù)處理產(chǎn)生懸掛鍵，并沉積AlN成核層，以生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN單晶薄膜。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)Si(100)襯底上單晶GaN薄膜的生長(zhǎng)，為GaN基器件與Si基器件的整合集成奠定了良好的基礎(chǔ)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種在Si(100)襯底上生長(zhǎng)單晶氮化鎵薄膜的方法，包括以下步驟：

步驟1：在Si(100)襯底上形成非晶SiO₂層；

步驟2：將單晶石墨烯轉(zhuǎn)移至步驟1得到的Si(100)/SiO₂襯底上；

步驟3：對(duì)單晶石墨烯表面進(jìn)行預(yù)處理，產(chǎn)生懸掛鍵；

步驟4：在預(yù)處理后的單晶石墨烯上生長(zhǎng)AlN成核層；

步驟5：在AlN成核層上外延生長(zhǎng)GaN單晶薄膜。