[發明專利]一種利用二維晶體過渡層制備半導體單晶襯底的方法

有效

• 申請號: 201811330967.0
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109585269B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 王新強;劉放;沈波;吳潔君;榮新;鄭顯通;盛博文
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L21/78
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發明公開了一種利用二維晶體過渡層制備半導體單晶襯底的方法。本發明通過在半導體單晶厚膜結構與異質襯底之間引入二維晶體過渡層，利用原子層間分子力結合弱、易于破壞分離的特點，采用剝離方法實現半導體單晶厚膜結構與異質襯底的分離，得到大尺寸、高質量的自支撐半導體單晶襯底；能夠根據二維晶體的厚度自主選擇自剝離或機械剝離的方式，增加剝離工藝可控性，不會對半導體單晶厚膜結構造成損傷，成品率高，可重復性好；通過二維晶體層間弱分子力鍵合，部分釋放異質襯底和半導體單晶厚膜結構間的失配應力，避免生長及降溫時開裂；異質襯底可重復使用，工藝穩定，成本低廉；設備簡單，易操作，適合產業化生產。

技術領域

本發明涉及半導體單晶襯底的制備技術，具體涉及一種利用二維晶體過渡層制備半導體單晶襯底的方法。

背景技術

半導體薄膜光學和電學性質良好，使其在薄膜器件，特別是在高效率發光器件、光電轉換器件、功率電子器件、集成電路和傳感器件等領域具有極大的應用價值。近年來，半導體薄膜制備技術成為各國高技術產業戰略性發展的核心，發展低成本、高質量的薄膜制備技術顯得日益重要。

根據所用襯底不同，半導體薄膜制備技術可分為:同質外延和異質外延。異質外延即在異質襯底上外延半導體薄膜，該方法具有成本低、應用廣泛、工藝兼容等優點。但是異質襯底和半導體薄膜間存在較大的晶格失配和熱失配，使得沉積的半導體薄膜晶體質量較差，嚴重制約了半導體薄膜光電、電子器件性能。采用半導體單晶襯底同質外延半導體薄膜，具有原子級平整的表面形貌及較高的晶體質量，能夠顯著提高光電器件的發光效率、改善電子器件的漏電問題。以第三代半導體氮化鎵GaN為例，在藍寶石異質襯底上外延氮化鎵GaN薄膜的位錯密度高達10⁹cm^～2，而采用氮化鎵GaN單晶襯底同質外延GaN基薄膜，位錯密度可降至10⁵cm^-2。因此，低成本、高質量半導體單晶襯底的研發工作具有重要意義。

目前制備半導體薄膜單晶襯底的方法主要包括：熔體生長法和氣相沉積法等。但是，前者或者需要高溫高壓設備，或者需要活性熔融體輔助，能耗和危險性較大。后者則存在半導體厚膜和異質襯底分離技術不成熟、成本較高等問題。

發明內容

針對以上現有技術中存在的問題，本發明提出了一種利用二維晶體過渡層制備半導體單晶襯底的方法，通過對二維晶體過渡層的材料選擇和厚度調控，降低氣相沉積法制備的半導體單晶厚膜結構的剝離難度并優化半導體單晶厚膜結構的晶體質量，從而獲得低成本、高質量的自支撐半導體單晶襯底。

本發明的利用二維晶體過渡層制備半導體單晶襯底的方法，包括以下步驟：

1)根據半導體單晶厚膜結構的對稱性選擇二維晶體，二維晶體與半導體單晶厚膜結構具有相同的對稱性；

2)在異質襯底上采用薄膜沉積法或者轉移法沉積二維晶體，根據剝離方法確定二維晶體的沉積厚度，在異質襯底上形成二維晶體過渡層，構成二維晶體過渡層復合襯底；

3)對二維晶體過渡層復合襯底進行化學清洗預處理，使二維晶體過渡層的表面潔凈；

4)在二維晶體過渡層復合襯底的上表面采用薄膜沉積法制備半導體單晶薄膜層，半導體單晶薄膜層具有與二維晶體相同的對稱性；

5)利用厚膜沉積法在半導體單晶薄膜層上制備半導體單晶厚膜層，通過應力控制方法控制半導體單晶厚膜層的厚度，從而在二維晶體過渡層復合襯底上形成半導體單晶厚膜結構，半導體單晶厚膜結構具有與二維晶體相同的對稱性；

6)根據步驟2)中二維晶體過渡層的厚度，采用相應的剝離方法，將半導體單晶厚膜結構與異質襯底分離；

7)化學清洗處理后獲得自支撐半導體單晶襯底。