[发明专利]一种在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法，包括：在Si(100)衬底上形成非晶SiO₂层；将单晶石墨烯转移至Si(100)/SiO₂衬底上；对单晶石墨烯表面进行预处理，产生悬挂键；生长AlN成核层；外延生长GaN薄膜。由于Si(100)表面重构产生两种悬挂键，导致氮化物生长时晶粒面内取向不一致而不能形成单晶，本发明以非晶SiO₂层屏蔽衬底表面的两种悬挂键信息，并由石墨烯提供氮化物外延生长所需的六方模板，外延得到了连续均匀的高质量GaN单晶薄膜，为GaN基器件与Si基器件的整合集成奠定了良好的基础。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法。

背景技术

以GaN为代表的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大、热导率高和抗辐照能力强等特点，能够满足现代电子技术对高温、高频、高功率和抗辐照等性能的要求。其白光和紫光发光二极管、短波长激光器和紫外探测器等，在白光照明、紫外波段杀菌、高速彩色激光印刷和日盲波段探测等领域广泛应用；其微波功率器件因高功率密度和极限工作温度，使相同尺寸的天线拥有更远的距离和搜索能力；其电力电子器件损耗更低，效率更高，在电力系统的发电、输电、变电、配电和调度各个环节发挥节能效用，大大降低电力损耗。

由于同质衬底的匮乏，异质外延成为GaN材料和器件外延的主流方式。在异质外延衬底中，Si衬底具有尺寸大、成本低和导热性好的优点，且GaN基器件和模块可与现有的Si集成电路的互补金属氧化物半导体制备工艺相兼容。GaN基器件和Si基微电子器件的集成将为集成电路设计和应用提供更广阔的空间，是GaN材料和器件的发展趋势。但是Si集成电路产业所用的Si(100)衬底并不能生长出单晶GaN材料。这是由于Si(100)表面原子为四重对称，且表面重构产生两种悬挂键，导致氮化物生长时晶粒面内取向不一致。

针对Si(100)表面重构导致生长GaN时晶粒面内取向不一致的问题，目前并没有有效的解决方案。报道工作中，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)，唯一的解决方法是使用斜切的Si(100)衬底解决衬底表面重构问题。但是衬底斜切导致Si材料中载流子迁移率等性质各向异性，并不能实际应用，从而限制了GaN基器件和Si基器件的集成发展。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法，首先利用非晶SiO₂层屏蔽衬底表面重构导致的两种悬挂键信息，其次以可转移的二维石墨烯提供氮化物外延生长所需的六方模板，通过对石墨烯进行表面预处理产生悬挂键，并沉积AlN成核层，以生长高质量GaN单晶薄膜。本发明可实现Si(100)衬底上单晶GaN薄膜的生长，为GaN基器件与Si基器件的整合集成奠定了良好的基础。

本发明的技术方案如下：

一种在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法，包括以下步骤：

步骤1：在Si(100)衬底上形成非晶SiO₂层；

步骤2：将单晶石墨烯转移至步骤1得到的Si(100)/SiO₂衬底上；

步骤3：对单晶石墨烯表面进行预处理，产生悬挂键；

步骤4：在预处理后的单晶石墨烯上生长AlN成核层；

步骤5：在AlN成核层上外延生长GaN单晶薄膜。