CN104979442A - 一种ⅲ族氮化物外延晶体及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种III族氮化物外延晶体及其生长方法，自下而上依次包含衬底，第一III族氮化物外延层，石墨烯，图形化掩膜层，第二III族氮化物外延层。本发明的一种III族氮化物外延晶体具有低应力，低缺陷密度等优点，且其制备工艺可控，适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用石墨烯作缓冲层生长III族氮化物体的方法，旨在提高III族氮化物的晶体质量，属于III族氮化物晶体的生长技术领域。
背景技术
以氮化镓为代表的第三代半导体材料，是最重要的宽带隙半导体之一。氮化镓具有一系列优良的性能，包括宽的带隙范围、优良的光、电性质和优异的材料机械性质使其在在高亮度蓝、绿光发光二极管、蓝色激光器和紫外探测器等领域有着广阔的应用潜力和良好的市场前景。
III族氮化物材料单晶的获取非常困难，成本也很高，难以作为III族氮化物外延器件的衬底。目前III族氮化物材料一般生长在异质衬底上，衬底与外延层之间存在晶格失配和热失配，会在外延层内产生较大的应力和较高的位错密度，严重影响了III族氮化物基器件性能的进一步提升；或者，在异质衬底上用HVPE方法生长厚的III族氮化物层，然后再用MOCVD方法生长薄的器件层，这种方法成本高，同样也存在衬底与III族氮化物之间晶格失配和热失配的问题。
对于异质衬底上生长III族氮化物层，为了缓解III族氮化物外延层与衬底之间的应力，有研究者采用石墨烯作为衬底与III族氮化物外延层之间的缓冲层，从而释放异质衬底与III族氮化物之间的应力。如中国专利CN102769081A公开了一种利用石墨烯作为缓冲层外延氮化镓的结构和制备方法，该方法通过采用石墨烯作为衬底与氮化镓外延层之间的缓冲层，在石墨烯层和氮化镓层之 间插入氮化物薄层，获得低应力的氮化镓外延层。
此外，为了进一步缓解应力，有文献报道采用与氮化镓晶格失配较小的碳化硅衬底上生长一层石墨烯，然后在石墨烯/碳化硅衬底上生长氮化镓(参考文献：Kim，J.，et al.(2014).″Principle of direct van der Waals epitaxy of single-crystalline films on epitaxial graphene.″Nature Communications 5.)。
但是，上述方法中由于石墨烯层上下材料晶格常数、热膨胀系数仍然不一致，石墨烯要同时匹配上下材料，可能会导致石墨烯薄膜层与上下材料分离，或者III族氮化物外延层缺陷增加。
此外，研究者还通过其他手段来解决同质衬底缺乏的问题，提高III族氮化物外延的质量。中国专利CN104347356A公开了一种在氮化镓衬底上同质外延生长的方法，利用环状图形二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜为掩膜层，侧向外延实现氮化镓衬底上同质外延生长，该方法能够获得比较完美的氮化镓外延层，可有效降低位错密度，但是应力比较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有同质外延、横向生长等优点的III族氮化物外延晶体，以克服以上不足。
同时本发明还提供了所述的一种III族氮化物外延晶体的制造方法。
本发明是通过以下技术方案：
一种III族氮化物外延晶体的结构，自下而上依次包括：衬底，第一III族氮化物外延层，石墨烯，图形化掩膜层，第二III族氮化物外延层。
进一步的，所述的衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底，厚度为100-800μm， 优选的厚度为300-500μm。
进一步的，所述的第一III族氮化物外延层是MOCVD生长的，厚度为0.2-4μm，优选的厚度为1-2μm。
进一步的，所述的石墨烯薄膜的层数为1-60层。其中，石墨烯薄膜上可以设有阵列状的开孔，开孔的周长为2-15μm，相邻开孔的中心间距为3-10μm。
进一步的，所述的图形化掩膜层包含SiO2或金属W或WNx，图形化掩膜层的厚度为0.1-6μm，开孔的周长为2-10μm，相邻开孔的中心间距为4-20μm。
进一步的，所述的第二III族氮化物外延层的厚度为1-1000μm。
以及一种III族氮化物外延晶体结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：在衬底上外延生长第一III族氮化物外延层；
步骤S2：将石墨烯薄膜通过衬底转移技术转移到第一III族氮化物外延层上；
步骤S3：在石墨烯薄膜上沉积一层掩膜层，作为选择外延的阻挡层，沉积方法包括电子束蒸发方法、溅射；
步骤S4：用光刻、腐蚀或剥离方法在掩膜层上形成图形；
步骤S5：在样品表面外延生长第二III族氮化物外延层，调整工艺条件使样品选择在石墨烯薄膜表面及已沉积的III族氮化物表面外延生长，而不直接在掩膜表面外延；
进一步的，所述的步骤S1的外延生长方法为MOCVD生长方法，所述步骤S5的外延生长方法为HVPE生长方法。
进一步的，所述的一种高质量III族氮化物外延晶体结构的制备方法，在步骤S2和S3之间还包含步骤：
步骤S2a：在石墨烯薄膜表面旋涂一层光刻胶，通过曝光、显影，以光刻胶 为掩膜，刻蚀石墨烯薄膜，去胶，在石墨层上形成开孔阵列。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)通过石墨烯缓解了III族氮化物在异质衬底上外延导致的应力，降低了外延生长导致的翘曲，同时在石墨烯上下界面都是III族氮化物晶体，晶格常数等性能一致，提高了外延生长III族氮化物的晶体质量。
2)通过一种图形化的掩膜层，III族氮化物单晶横向生长，降低了单晶的缺陷密度，进一步提高了晶体的质量。
3)本发明还提出了一种在III族氮化物模板上覆盖石墨烯并在石墨烯上开窗口，在通过石墨烯缓解异质外延导致应力的同时，通过窗口内的III族氮化物强化了同质外延的效果，提高了外延晶体的质量。
附图说明
图1是本发明的一种III族氮化物外延晶体的实施例1的结构示意图。
图2是本发明的一种III族氮化物外延晶体的实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实例和说明书附图对本发明进行详细的说明，但不限于此。
实施例1
参阅图1，其是本发明一种III族氮化物外延晶体的实施例1的结构示意图。一种III族氮化物外延晶体自下而上依次为：碳化硅衬底101、第一III族氮化物外延层102、石墨烯103、掩膜层金属W或WNx104和第二III族氮化物外延层105。
其中，碳化硅衬底的厚度为400μm，第一III族氮化物外延层是氮化镓，厚度为1.5μm，石墨烯层的层数为单层，掩膜层为金属W或WNx，其厚度为1μm， 掩膜层上有阵列状的开孔，开孔的周长为6μm，相邻开孔的中心间距为15μm，第二III族氮化物外延层是氮化镓，厚度为20μm。
以下详细说明本发明实施例1的一种氮化镓外延晶体结构的制备方法，步骤如下：
步骤S1：在厚度为400μm的碳化硅衬底上采用MOCVD方法生长第一氮化镓外延层，厚度为1.5μm；
步骤S2：在铜箔上用CVD法制备石墨烯，旋涂厚约1.5μm的PMMA后，然后用FeCl3溶液腐蚀铜箔衬底，待腐蚀彻底后，用去离子水将腐蚀形成的PMMA/石墨烯薄膜清洗干净，再将PMMA/石墨烯薄膜转移至第一氮化镓外延层上，用热丙酮溶液除去PMMA，然后进行清洗，石墨烯层为单层；
步骤S3：在石墨烯薄膜表面旋涂一层光刻胶，通过曝光、显影，得到图形化的光刻胶掩膜板，采用电子束蒸发技术在图形化的光刻胶掩膜版上生长一层掩膜层，掩膜层为金属W或WNx，其厚度为1μm。
步骤S4：用丙酮去除光刻胶，剥离光刻胶上的金属W或WNx，在石墨烯薄膜层上形成图形化的掩膜层，其中图形是阵列状开孔，开孔的周长为6μm，相邻开孔的中心间距为15μm；
步骤S5：在覆盖金属W或WNx掩膜层的样品上采用HVPE技术生长20μm第二氮化镓外延层，调整工艺条件使样品选择在石墨烯薄膜表面及已沉积的氮化镓表面外延生长，而不直接在金属W或WNx掩膜层表面外延。
实施例2
参阅图2，其是本发明一种III族氮化物外延晶体的实施例2的结构示意图。一种III族氮化物外延晶体自下而上依次为：蓝宝石衬底201、第一III族氮化物外延层202、石墨烯203、图形化掩膜层SiO2204和第二III族氮化物外延层 205。
其中，蓝宝石衬底的厚度为450μm，第一III族氮化物外延层是氮化镓，厚度为2μm，石墨烯的层数为单层，其中石墨烯层是图形化的阵列状开孔，开孔的周长为10μm，相邻开孔的中心间距为8μm，图形化掩膜层SiO2的厚度为1μm，其中图形为阵列状开孔，开孔的周长为6μm，相邻开孔的中心间距为15μm，第二III族氮化物外延层是氮化镓，厚度为50μm。
以下详细说明本发明实施例2的一种氮化镓外延晶体结构的制备方法，步骤如下：
步骤S1：在厚度为450μm的蓝宝石衬底上采用MOCVD方法生长第一氮化镓外延层，生长的氮化镓的厚度为2μm；
步骤S2：在铜箔上用CVD法制备单层石墨烯，旋涂厚约1.5μm的PMMA后，然后用FeCl3溶液腐蚀铜箔衬底，待腐蚀彻底后，用去离子水将腐蚀形成的PMMA/石墨烯薄膜清洗干净，再将PMMA/石墨烯薄膜转移至2μm的第一氮化镓外延层上，用热丙酮溶液除去PMMA，然后进行清洗；
步骤S2a：在石墨烯薄膜上旋涂一层2μm光刻胶，通过曝光、显影，以光刻胶为掩膜，对石墨烯薄膜层进行等离子体干法刻蚀，直至刻蚀部位露出氮化镓衬底表层，用去胶液去除光刻胶，得到具有阵列开孔的图形化的石墨烯薄膜层。其中开孔的周长为10μm，相邻开孔的中心间距为8μm；
步骤S3：在石墨烯薄膜上，采用电子束蒸发技术生长一层厚度为1μm掩膜层SiO2，作为选择外延的阻挡层；
步骤S4：在掩膜层SiO2表面上旋涂一层2μm光刻胶，用光刻版作为掩膜进行曝光、显影，形成光刻胶掩膜板，对掩膜层SiO2进行湿法化学腐蚀，掩膜层SiO2在光刻胶掩膜的保护下被腐蚀出特定的图形阵列，然后用去胶液去除光 刻胶，从而形成图形化的掩膜层SiO2。其中图形为阵列状开孔，开孔周长为6μm，相邻开孔的中心间距为15μm；
步骤S5：清洗样片后，采用HVPE技术生长50μm第二氮化镓外延层，调整工艺条件使样品选择在石墨烯薄膜表面及已沉积的氮化镓表面外延生长，而不直接在掩膜层SiO2表面外延。
本发明实施例2的一种III族氮化物外延晶体的生长方法与实施例1的生长方法大致相同，其区别仅在于实施例1省去了步骤开孔的结构。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种III族氮化物外延晶体，其特征在于：自下而上依次包含衬底，第一III族氮化物外延层，石墨烯，图形化掩膜层，第二III族氮化物外延层。
2.如权利要求书1所述的一种III族氮化物外延晶体，其特征在于：所述的衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底，厚度为100-800μm，优选的厚度为300-500μm。
3.如权利要求书1所述的一种III族氮化物外延晶体，其特征在于：所述的第一III族氮化物外延层是MOCVD生长的，厚度为0.2-4μm，优选的厚度为1-2μm。
4.如权利要求书1所述的一种III族氮化物外延晶体，其特征在于：所述的石墨烯的层数为1-60层。
5.如权利要求书4所述的一种III族氮化物外延晶体，其特征在于：所述的石墨烯薄膜上有阵列状的开孔，开孔的周长为2-15μm，相邻开孔的中心间距为3-10μm。
6.如权利要求书1所述的一种III族氮化物外延晶体，其特征在于：所述的图形化掩膜层包含SiO2或金属W或WNx，图形化掩膜层的厚度为0.1-6μm，开孔的周长为2-10μm，相邻开孔的中心间距为4-20μm。
7.如权利要求书1所述的一种III族氮化物外延晶体，其特征在于：所述的第二III族氮化物外延层的厚度为1-1000μm。
8.一种III族氮化物外延晶体结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：
步骤S1：在衬底上外延生长第一III族氮化物外延层；
步骤S2：将石墨烯薄膜通过衬底转移技术转移到第一III族氮化物外延层上；
步骤S3：在石墨烯薄膜上用电子束蒸发方法沉积一层选择外延掩膜层；
步骤S4：用光刻、腐蚀或剥离方法在掩膜层上形成图形；
步骤S5：在样品表面外延生长第二III族氮化物外延层，调整工艺条件使样品选择在石墨烯薄膜表面及已沉积的III族氮化物表面外延生长，而不直接在掩膜表面外延。
9.如权利要求8所述的一种III族氮化物外延晶体结构的制备方法，其特征在于：所述步骤S1的外延生长方法为MOCVD生长方法，所述步骤S5的外延生长方法为HVPE生长方法。
10.如权利要求8或9所述的一种III族氮化物外延晶体结构的制备方法，其特征在于，在步骤S2和S3之间还包含如下步骤：
步骤S2a：在石墨烯薄膜表面旋涂一层光刻胶，通过曝光、显影，以光刻胶为掩膜，刻蚀石墨烯薄膜，去胶，在石墨烯层上形成开孔阵列。
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| CN109285758A (zh) * | 2018-08-30 | 2019-01-29 | 中国科学院半导体研究所 | 在图形衬底上生长氮化物薄膜的方法 |
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| CN102769081A (zh) * | 2011-05-03 | 2012-11-07 | 山东华光光电子有限公司 | 一种以石墨烯作为缓冲层外延GaN的结构及其制备方法 |
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-
2015
- 2015-06-30 CN CN201510377450.7A patent/CN104979442A/zh active Pending
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