[發明專利]一種易剝離的大面積氮化鎵外延生長方法

在審

• 申請號: 202210230279.7
• 申請日: 2022-03-09
• 公開（公告）號: CN114613664A
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 孔瑋;楊軍;馬亞慶
• 申請（專利權）人: 西湖大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;C30B25/18;C30B29/40
• 代理公司: 北京眾達德權知識產權代理有限公司 11570
• 代理人: 張曉冬

本發明公開了一種易剝離的大面積氮化鎵外延生長方法，解決了現有的外延氮化鎵質量較差且不易剝離等問題。本發明包括如下步驟：步驟1：準備Cu111單晶襯底；步驟2：在步驟1的Cu111單晶襯底上生長石墨烯二維材料層；步驟3：在步驟2生長的石墨烯二維材料層上外延生長GaN膜；步驟4：將步驟3得到的GaN膜降至室溫得到平整的GaN膜。本發明具有生成的GaN外延膜質量好、位錯密度低、易剝離等優點。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，具體涉及一種易剝離的大面積氮化鎵外延生長方法。

背景技術

氮化鎵(GaN)作為一種典型的寬禁帶直接帶隙半導體，具有高電子遷移率、寬禁帶寬度、高擊穿場強、高熱導率、物理化學性質穩定等優勢。這使得氮化鎵半導體成為了各類電子器件應用的首選材料，包括發光二極管、場效應晶體管、肖特基二極管等高頻高功率電子器件。然而，進一步研究開發氮化鎵器件的前提條件是合成出具有高晶體質量以及低位錯密度的氮化鎵材料。由于氮的解離壓非常大，氮化鎵的熔點達到了2300℃，故使用傳統熔體法需要相當苛刻的生長條件。因此，當前氮化鎵的生長主要依賴于異質外延，如使用分子束外延或者金屬有機物化學氣相沉積等方法，能夠實現在諸如藍寶石、單晶硅等襯底上的外延生長，但異質外延過程中氮化鎵與襯底或緩沖層會產生較大的晶格失配以及熱失配，異質襯底上的氮化鎵外延層有著遠高于同質外延的位錯密度，這無疑降低了異質外延器件的綜合性能。因此，針對上述問題，本領域技術人員提出了自支撐氮化鎵襯底的方法，自支撐的氮化鎵襯底是降低外延層缺陷密度，提高外延層質量以及電子器件質量的一種有效途徑。

目前，激光剝離技術已經被應用于制備氮化鎵自支撐襯底，它的原理是使用高功率的紫外激光照射氮化鎵外延層與異質襯底的界面區域，具有高能量的紫外激光可以破壞界面處襯底與外延層之間的強力化學鍵。但這種方法存在很多缺點：首先，激光剝離技術的成本相對較高，且剝離下來的氮化鎵尺寸有限，不利于大規模推廣；其次，激光剝離技術引入的熱應力會在界面處產生大量缺陷，導致氮化鎵襯底出現裂紋。并且使用激光剝離技術對襯底的種類有一定要求，由于碳化硅，氮化鎵襯底與外延氮化鎵禁帶寬度相近，并不適合使用激光剝離技術分離。所以發明一種能夠實現高質量氮化鎵外延且易于剝離的工藝對于實現整個氮化鎵產業的發展有著難以估量的實用價值。

相較于激光剝離法，機械剝離法原則上是一種更加簡單的技術，它既不需要化學處理，也不需要額外的轉移設備。然而，使用傳統方法機械剝離異質外延的氮化鎵仍然會造成大量界面處的缺陷。

目前行業采用的以上方法剝離外延的氮化鎵與襯底會造成大量的界面處缺陷，影響了外延層質量，制約了氮化鎵產業的發展。

發明內容

本發明目的在于提供一種易剝離的大面積氮化鎵外延生長方法，解決現有的外延氮化鎵質量較差且不易剝離的問題。

本發明通過下述技術方案實現：

一種易剝離的大面積氮化鎵外延生長方法，包括如下步驟：

步驟1：準備Cu111單晶襯底；

步驟2：在步驟1的Cu111單晶襯底上生長石墨烯二維材料層；

步驟3：在步驟2生長的石墨烯二維材料層上外延生長GaN膜；

步驟4：將步驟3得到的GaN膜降至室溫得到平整的GaN膜。

本發明考慮到：由于GaN同質襯底的缺乏，大部分氮化鎵基器件主要以藍寶石、碳化硅、硅等襯底上制備，然而，由于異質外延時襯底與外延層之間晶格失配和熱失配的存在，所產生的較大殘余雙軸應力會使得氮化鎵材料出現裂紋甚至斷裂，這影響了氮化鎵的晶體質量，另外，氮化鎵膜的剝離也會影響到最終氮化鎵膜的質量，當氮化鎵的質量和剝離性能不好時不利于后續的器件制備，因此，獲得高質量、低缺陷的易剝離氮化鎵是關鍵。