[发明专利]一种基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法

说明书

本发明提供一种基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法，所述制备方法至少包括：首先，提供一硅衬底，刻蚀所述硅衬底形成硅柱阵列；其次，于所述硅衬底以及硅柱阵列表面形成能够实现选择性外延生长的阻挡层；然后，去除所述硅柱阵列顶部的阻挡层，暴露出的所述硅柱阵列顶部作为后续生长的籽晶；接着于所述籽晶表面选择性外延生长缓冲层；接着在所述缓冲层表面选择性外延生长形成连续的GaN薄膜层；最后剥离转移所述GaN薄膜层，余留的硅衬底及硅柱阵列供所述步骤4)循环使用。通过本发明的制备方法可以实现高质量、大面积、低成本GaN单晶薄膜的制备，从而促进GaN电子器件的工业应用。

技术领域

本发明涉及半导体材料制备技术领域，特别是涉及一种基于硅异质衬底的GaN层转移单晶薄膜制备方法。

背景技术

随着社会的发展，科技的进步，半导体材料在现代科技革命中扮演着极其重要的角色。被誉为第三代半导体材料代表的氮化镓(GaN)，是继以半导体硅(Si)和锗(Ge)为代表的第一代半导体材料及以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料后，在近10年来发展十分迅速的一种新型半导体材料。同第一、二代半导体相比，第三代半导体材料具有能隙更宽、击穿电压更大、导热性更好、介电常数更小、饱和电子速率更高、耐腐蚀、抗辐射、化学稳定性和热稳定性好等突出优点。是制作发光二极管，激光二极管，紫外探测器及高温、高频和大功率器件的首选材料，被誉为是硅之后最重要的半导体材料，是21世纪电力电子、微电子、光电子等高新技术以及国防工业、信息产业和能源产业等经济发展支柱产业继续赖以生存和发展的关键性基础材料。

由于GaN的高熔点性和高离解压，GaN体单晶生长极其困难，目前依然无法在产业中获得GaN圆晶片，因此目前GaN半导体器件的制备主要依赖于异质圆晶衬底外延生长薄膜的方法进行。但是GaN材料与异质衬底之间通常存在比较大的晶格失配和热失配，导致异质外延得到的GaN薄膜材料中往往具有很高的位错密度，这些位错极大限制了GaN基电子器件的性能和品质。

目前，商业化的GaN基器件基本都是异质外延生长的，所用的衬底主要有蓝宝石(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、硅(Si)等，采用异质衬底生长GaN主要存在以下几个方面的问题：

(1)GaN材料和衬底间的热膨胀系数间的失配问题。如果GaN外延膜和衬底的热膨胀系数相差过大，在薄膜生长过程中容易产生龟裂，而且还会降低GaN基器件的可靠性，特别对大功率器件来说，因器件工作时结温较高，热膨胀系数差异大很容易引起不同区域散热不均匀，造成器件的损坏。

(2)GaN材料和衬底间的晶格失配问题。外延层和衬底间较大的晶格失配会在外延层中产生较大的残余应力，在薄膜中出现大量晶格缺陷，导致薄膜晶体质量差，进而影响器件性能。

(3)在异质外延生GaN薄膜时，常常由于应力等因素产生翘曲，不利于大面积薄膜的制备。

另外，在制备GaN基LED器件时，为了增强器件出光效率，必须在芯片内部或外部制造光的散射中心，减弱光在界面处的全反射，通常对芯片表面、衬底进行绒面化。但是GaN材料化学稳定性非常高，湿法制绒难度大，导致GaN基LED器件的制作成本也比较高。

Si衬底与蓝宝石、SiC衬底相比，具有价格便宜、大尺寸单晶容易获得(6英寸、8英寸、12英寸衬底均有商业供应)的优势，而且Si的导电导热性好，Si衬底上外延生长是将来实现GaN单晶薄膜廉价、大面积制备的一个重要途径，而且Si衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成。但是Si衬底与GaN的晶格失配高达20％和热失配高达34％(Si热膨胀系数：3.59×10^-6/℃，GaN热膨胀系数：5.45×10^-6/℃；Si晶格常数GaN晶格常数)，生长高质量的GaN薄膜非常困难，容易产生高位错密度，薄膜翘曲、龟裂等问题。此外，Ga金属对Si衬底有回熔腐蚀的问题，导致外延生长控制条件苛刻。

发明内容