[发明专利]一种控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置及方法

说明书

本发明公开了一种控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置及方法，利用氮化镓‑石墨烯衬底，通过改变给石墨烯层外加的栅极偏压，来控制外延生长模式的选择。若在石墨烯层栅极上外加正向偏压，那么石墨烯中的主要载流子类型为电子，抑制氮化镓的极性，外延生长模式选择的是传统的范德瓦耳斯外延，在石墨烯上只能生长二维范德瓦耳斯氮化镓单晶之外的薄膜。反之，若不对石墨烯层栅极施加外电压或者外加反向偏压，那么就选择远程外延，在石墨烯上将生长出二维范德瓦耳斯氮化镓单晶薄膜。本发明避免了因两种外延模式所需石墨烯厚度不同，而在生产过程中需多次制造衬底的问题。不仅可以生产高质量的氮化镓材料，还显著的节省了时间与制造成本。

技术领域

本发明涉及低维薄膜单晶半导体外延生长技术领域，具体涉及一种控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置及方法。

背景技术

近年来，半导体已经渗透到我们生活的方方面面。与第一、第二代半导体材料相比，第三代宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)具有高饱和电子漂移速度、高热导率、高临界击穿电压等特点，具备高频、耐高压、耐高温等优越性能，是极端环境中大功率器件的首选材料。其能更好的满足5G技术、新能源汽车以及军事探测等领域的需求，同时在高端光电子及电力电子器件领域具有广阔的市场前景，已经成为全球半导体技术和产业竞争的焦点。

然而，目前GaN基紫外光电器件性能仍然不理想，主要原因为：大部分GaN基器件都是在异质衬底(比如硅、碳化硅、蓝宝石等)上制备的。GaN外延层与衬底之间的晶格失配及热失配等问题会导致外延层产生晶格扭曲，从而形成较高的位错密度、镶嵌晶体结构、双轴应力及晶圆翘曲等，严重影响GaN基器件的性能和使用寿命。为了减少外延缺陷和螺纹位错，已经开发了各种用于高度不匹配的材料异质外延，如：低温缓冲层、变质缓冲层等。尽管取得了这些进步，与同质外延层相比，对于高度晶格失配的异质外延层，获得良好的晶体质量仍然是一个挑战。本发明涉及到的两种生长方式(范德瓦耳斯外延和远程外延)，主要用于范德瓦耳斯层状材料的生长，能解决上述传统异质衬底生长方法所导致的热失配与晶格失配等严重影响材料与器件性能的关键问题。

范德瓦耳斯外延是东京大学的Atsushi Koma小组在19世纪80年代中期，通过在碲(Te)衬底上外延生长硒(Se)期间发现的，它是一种在表面具有钝化悬空键的二维衬底材料之上执行二维薄膜材料外延的方法。因为现在已经很好地掌握了石墨烯的制造工艺，所以二维衬底材料通常使用石墨烯材料。在传统的外延工艺中，衬底表面存在悬空键，与被吸附原子层之间发生共价的化学键合，生长的是传统的二维薄膜材料。在范德瓦耳斯外延中，被吸附原子层通过范德瓦耳斯力结合到石墨烯表面，没有转移或共享电子。此范德瓦耳斯键作用不同于离子键或共价键，它不是两种材料之间的化学键，而是源于原子间的偶极相互作用，并且非常的弱，因此范德瓦耳斯外延可以允许生长晶格失配大于60％的异质外延膜。通过范德瓦耳斯外延在石墨烯等衬底上生长出的通过范德瓦耳斯力键合的二维层状外延材料，都被称为范德瓦耳斯薄膜材料。

远程外延，是一种特殊的新范德瓦耳斯外延技术，通过在拟生长的范德瓦耳斯外延薄膜层和传统衬底之间先插入二维石墨烯层发生。由于在临界厚度下的薄层石墨烯层对上层拟生长的外延层原子与下层的传统衬底表面之间的库仑相互作用是透明的，石墨烯层下方的衬底极性可以透过石墨烯层控制上层外延层的生长，实现与衬底具有相同晶体结构与材料性质的二维范德瓦耳斯薄膜的生长。此前，Kim,Y等人已经通过在一个有单层石墨烯涂层(001)砷化镓(GaAs)晶片上生长晶片级(001)GaAs单晶膜，证明了从衬底到石墨烯的远程成核效应。这种远程外延方法也被证实可以用于在具有石墨烯涂层的GaN衬底上生长二维范德瓦耳斯GaN材料，能消除晶格失配的影响，是发展新型器件的基础，是实现高性能器件的根本保障。