[发明专利]一种利用阵列缓冲层制备高质量半导体单晶薄膜的方法

说明书

本发明涉及一种利用阵列缓冲层制备高质量半导体单晶薄膜的方法，包括以下步骤如下：步骤1、清洗衬底；步骤2、制备阵列缓冲层；步骤3、制备半导体薄膜。本发明溅射出的靶材粒子有较高的能量，与衬底的附着性较好，可在较低温度甚至室温下形成薄膜，可在一些特殊衬底材料上实现低温下薄膜的沉积。

技术领域

本发明涉及半导体薄膜材料制备及应用领域，具体涉及一种利用阵列缓冲层制备高质量半导体单晶薄膜的方法。

背景技术

随着微电子技术的发展，以半导体材料为基础的微电子器件已应用在人类社会的方方面面。大到军舰上的高功率相控阵光电探测雷达，小到手机中的微处理器芯片，都是以半导体材料制备的微电子器件组成。人们对高性能微电子器件的追求促进了半导体材料的发展。人们最早大规模利用的半导体材料为半导体硅，随着器件集成度的提高，器件的逐渐小型化，硅材料的缺点逐渐暴露出来。由于硅半导体禁带宽度较小、击穿场强低，难以在高频、高功率和光电方面进行应用。为此人们逐渐开发出了适应用于更高性能要求的新型半导体材料，如砷化镓、碳化硅、氮化镓、氧化锌、氧化镓等。与传统的硅材料相比，此类材料的特点是禁带宽度大，击穿场强高，载流子迁移率大，适应用于高频、高速和高功率器件的制备，同时此类器件多为直接带隙，在光电领域也有广阔的应用。目前上述某些宽禁带半导体材料已在高功率微电子器件上实现了商业应用。

高性能的电子器件的制备以高质量的半导体材料为基础。目前由于宽禁带半导体体单晶材料的制备条件苛刻，难以大规模生产，所以以薄膜材料的应用居多。高质量宽禁带半导体薄膜材料都是通过外延生长的方法来制备，分为同质外延和异质外延两种方法。由于体材料的制备或价格问题，同质外延不一定可行，所以一般选择异质外延来制备宽禁带半导体薄膜材料，即在不同材质的衬底上进行外延生长。但外延材料和异质单晶衬底晶格常数不同，存在晶格失配，导致难以获得高质量的外延半导体薄膜，因此亟待改进制备方法以解决异质外延薄膜结晶质量低的问题。

综上所述，为解决在高性能电子器件制备中高质量半导体单晶薄膜难以制备的问题，本发明提出了一种在半导体薄膜材料和衬底之间插入阵列缓冲层的方法，此方法可以有效降低晶格不匹配对材料生长的影响，提高异质外延方法所制备半导体薄膜材料的结晶质量。

发明内容

本发明设计了一种利用阵列缓冲层制备高质量半导体单晶薄膜的方法，其解决的技术问题是现有半导体薄膜结晶质量低。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种利用阵列缓冲层制备高质量半导体单晶薄膜的方法，包括以下步骤如下：步骤1、清洗衬底；步骤2、制备阵列缓冲层；步骤3、制备半导体薄膜。

优选地，步骤2中制备阵列缓冲层是通过激光分子束外延进行，具体包括以下步骤：步骤21、把半导体靶材安装在激光分子束外延系统的靶托上，然后将洁净的多孔阳极氧化铝模板覆盖到步骤1清洗好的衬底上，随后将其一起固定到生长室样品托上，抽真空至一定真空度后，加热衬底至一定温度，然后通入溅射气体，使得生长室的压力保持在一定压强；步骤22、在一定功率的脉冲激光条件下沉积一定时间，沉积完成后取出衬底和多孔阳极氧化铝模板，去除覆盖的多孔阳极氧化铝模板，即得到一定厚度的半导体阵列缓冲层。

优选地，步骤21中所述的一定温度为20 ℃-800 ℃；步骤21中所述的真空室的压力保持在1*10^-3 Pa-30Pa；步骤21中所述的溅射气体为氧气或者氧气与氩气混合气；步骤21中所述的压强为5*10^-2Pa。

优选地，步骤22中所述的模板为多孔阳极氧化铝模板；步骤22中所述的阵列为1-10 nm 厚度的半导体阵列缓冲层；步骤22中所述的时间为95秒以上。

优选地，步骤3中制备半导体薄膜是通过脉冲激光沉积制备，包括以下步骤：

步骤31、将步骤2得到的带有半导体阵列缓冲层的衬底固定到生长室的样品台上，抽真空至一定真空度，然后加热衬底至一定温度，通入溅射气体；调节插板阀使得真空室的压力保持在一定压强；