[发明专利]一种易剥离的大面积氮化镓外延生长方法

说明书

本发明公开了一种易剥离的大面积氮化镓外延生长方法，解决了现有的外延氮化镓质量较差且不易剥离等问题。本发明包括如下步骤：步骤1：准备Cu111单晶衬底；步骤2：在步骤1的Cu111单晶衬底上生长石墨烯二维材料层；步骤3：在步骤2生长的石墨烯二维材料层上外延生长GaN膜；步骤4：将步骤3得到的GaN膜降至室温得到平整的GaN膜。本发明具有生成的GaN外延膜质量好、位错密度低、易剥离等优点。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种易剥离的大面积氮化镓外延生长方法。

背景技术

氮化镓(GaN)作为一种典型的宽禁带直接带隙半导体，具有高电子迁移率、宽禁带宽度、高击穿场强、高热导率、物理化学性质稳定等优势。这使得氮化镓半导体成为了各类电子器件应用的首选材料，包括发光二极管、场效应晶体管、肖特基二极管等高频高功率电子器件。然而，进一步研究开发氮化镓器件的前提条件是合成出具有高晶体质量以及低位错密度的氮化镓材料。由于氮的解离压非常大，氮化镓的熔点达到了2300℃，故使用传统熔体法需要相当苛刻的生长条件。因此，当前氮化镓的生长主要依赖于异质外延，如使用分子束外延或者金属有机物化学气相沉积等方法，能够实现在诸如蓝宝石、单晶硅等衬底上的外延生长，但异质外延过程中氮化镓与衬底或缓冲层会产生较大的晶格失配以及热失配，异质衬底上的氮化镓外延层有着远高于同质外延的位错密度，这无疑降低了异质外延器件的综合性能。因此，针对上述问题，本领域技术人员提出了自支撑氮化镓衬底的方法，自支撑的氮化镓衬底是降低外延层缺陷密度，提高外延层质量以及电子器件质量的一种有效途径。

目前，激光剥离技术已经被应用于制备氮化镓自支撑衬底，它的原理是使用高功率的紫外激光照射氮化镓外延层与异质衬底的界面区域，具有高能量的紫外激光可以破坏界面处衬底与外延层之间的强力化学键。但这种方法存在很多缺点：首先，激光剥离技术的成本相对较高，且剥离下来的氮化镓尺寸有限，不利于大规模推广；其次，激光剥离技术引入的热应力会在界面处产生大量缺陷，导致氮化镓衬底出现裂纹。并且使用激光剥离技术对衬底的种类有一定要求，由于碳化硅，氮化镓衬底与外延氮化镓禁带宽度相近，并不适合使用激光剥离技术分离。所以发明一种能够实现高质量氮化镓外延且易于剥离的工艺对于实现整个氮化镓产业的发展有着难以估量的实用价值。

相较于激光剥离法，机械剥离法原则上是一种更加简单的技术，它既不需要化学处理，也不需要额外的转移设备。然而，使用传统方法机械剥离异质外延的氮化镓仍然会造成大量界面处的缺陷。

目前行业采用的以上方法剥离外延的氮化镓与衬底会造成大量的界面处缺陷，影响了外延层质量，制约了氮化镓产业的发展。

发明内容

本发明目的在于提供一种易剥离的大面积氮化镓外延生长方法，解决现有的外延氮化镓质量较差且不易剥离的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种易剥离的大面积氮化镓外延生长方法，包括如下步骤：

步骤1：准备Cu111单晶衬底；

步骤2：在步骤1的Cu111单晶衬底上生长石墨烯二维材料层；

步骤3：在步骤2生长的石墨烯二维材料层上外延生长GaN膜；

步骤4：将步骤3得到的GaN膜降至室温得到平整的GaN膜。

本发明考虑到：由于GaN同质衬底的缺乏，大部分氮化镓基器件主要以蓝宝石、碳化硅、硅等衬底上制备，然而，由于异质外延时衬底与外延层之间晶格失配和热失配的存在，所产生的较大残余双轴应力会使得氮化镓材料出现裂纹甚至断裂，这影响了氮化镓的晶体质量，另外，氮化镓膜的剥离也会影响到最终氮化镓膜的质量，当氮化镓的质量和剥离性能不好时不利于后续的器件制备，因此，获得高质量、低缺陷的易剥离氮化镓是关键。