[發(fā)明專利]一種在多晶或非晶襯底上生長單晶氮化鎵薄膜的方法

有效

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• 申請日: 2018-07-03
• 公開（公告）號: CN108878266B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊學林;沈波;馮玉霞;張智宏;劉開輝;張潔;許福軍;王新強;唐寧
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發(fā)明公開了一種在多晶或非晶襯底上生長單晶氮化鎵薄膜的方法，包括：將單晶石墨烯轉(zhuǎn)移至多晶或非晶襯底上；對單晶石墨烯表面進行預處理，產(chǎn)生懸掛鍵；生長AlN成核層；外延生長氮化鎵單晶薄膜。本發(fā)明利用可轉(zhuǎn)移的單晶石墨烯為氮化物生長提供所需的六方模板，大大拓寬氮化物可集成的襯底材料，可應用于GaN基大功率器件和柔性器件。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導體技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于石墨烯緩沖層在多晶或非晶襯底上生長單晶氮化鎵薄膜的方法。

背景技術(shù)

GaN材料為直接帶隙半導體且禁帶寬度大，填補了藍綠光波段的空白，帶動了半導體照明產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。同時，GaN材料具有高擊穿電場、高飽和電子漂移速度以及良好的化學穩(wěn)定性和強抗輻照能力等優(yōu)異的性能，使其滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高頻、高功率和抗輻射性能的要求。GaN基器件在改進能效、提高功率密度和減小器件尺寸方面具有明顯優(yōu)勢，在微波射頻領(lǐng)域和功率電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

傳統(tǒng)的異質(zhì)外延襯底，如藍寶石、硅和碳化硅等在器件散熱和轉(zhuǎn)移等方面存在嚴重問題，導致大功率GaN器件溫度上升較快，降低了器件性能和可靠性，同時限制了GaN器件在柔性顯示、智能可穿戴設(shè)備方面的應用。石墨烯是由sp²雜化的碳原子相互連接構(gòu)成的一種二維單層結(jié)構(gòu)，層內(nèi)原子間六角排列，層間通過微弱的范德瓦爾斯力結(jié)合在一起。石墨烯面內(nèi)原子排列和GaN面內(nèi)原子排列方式相同，可以作為GaN的生長模板，降低GaN對襯底的依賴，從而提高器件性能并擴大應用范圍。

目前，在石墨烯上生長單晶GaN薄膜仍需要支撐襯底為單晶，如文獻Jeehwan Kim,et al.,Nat.Commun.5,4836(2014)報道支撐襯底為SiC，需要SiC襯底表面的臺階邊緣提供氮化物的成核點。而在非晶支撐襯底上以石墨烯生長GaN時，如文獻Kunook Chung,et al.,Science,330,655(2010)報道，需要引入ZnO納米墻以增加GaN在石墨烯上的成核生長。上述方法雖然可以在石墨烯上得到單晶GaN薄膜，但仍存在不足，比如對支撐襯底的要求，或者復雜的生長工藝，以及在生長過程中引入其他雜質(zhì)等。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了基于石墨烯緩沖層在多晶或非晶襯底上生長單晶氮化鎵薄膜的方法。首先將單晶二維石墨烯材料轉(zhuǎn)移至目標襯底上，由石墨烯層內(nèi)六角排列原子為氮化物的生長提供所需的六方模板，其次對石墨烯進行等離子體轟擊或者氮化處理，產(chǎn)生懸掛鍵以生長氮化物，通過首先沉積AlN成核層實現(xiàn)外延單晶GaN薄膜。本發(fā)明工藝簡單，可重復性好，可以拓寬生長氮化物的襯底范圍，可用于制作GaN基大功率器件和柔性器件。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種在多晶或非晶襯底上生長單晶氮化鎵薄膜的方法，包括以下步驟：

步驟1：將單晶石墨烯轉(zhuǎn)移至多晶或非晶襯底上；

步驟2：對轉(zhuǎn)移后的單晶石墨烯表面進行預處理，產(chǎn)生懸掛鍵；

步驟3：在預處理后的單晶石墨烯上生長AlN成核層；

步驟4：在AlN成核層上外延生長氮化鎵單晶薄膜。

所述多晶或非晶襯底可以是金屬鎳、金屬鈦、金屬鉬、金剛石、AlN、氧化硅、玻璃中的一種。

優(yōu)選的，所述單晶石墨烯的層數(shù)為1-4層。通常是采用金屬有機化合物氣相沉積(MOVCD)或化學氣相沉積(CVD)方法生長的單晶石墨烯。