CN108878266B - 一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 - Google Patents
一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108878266B CN108878266B CN201810715485.0A CN201810715485A CN108878266B CN 108878266 B CN108878266 B CN 108878266B CN 201810715485 A CN201810715485 A CN 201810715485A CN 108878266 B CN108878266 B CN 108878266B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- single crystal
- growing
- graphene
- polycrystalline
- gallium nitride
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02422—Non-crystalline insulating materials, e.g. glass, polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
- H01L21/02439—Materials
- H01L21/02441—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02444—Carbon, e.g. diamond-like carbon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02587—Structure
- H01L21/0259—Microstructure
- H01L21/02598—Microstructure monocrystalline
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法,包括:将单晶石墨烯转移至多晶或非晶衬底上;对单晶石墨烯表面进行预处理,产生悬挂键;生长AlN成核层;外延生长氮化镓单晶薄膜。本发明利用可转移的单晶石墨烯为氮化物生长提供所需的六方模板,大大拓宽氮化物可集成的衬底材料,可应用于GaN基大功率器件和柔性器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域,涉及基于石墨烯缓冲层在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法。
背景技术
GaN材料为直接带隙半导体且禁带宽度大,填补了蓝绿光波段的空白,带动了半导体照明产业的快速发展。同时,GaN材料具有高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及良好的化学稳定性和强抗辐照能力等优异的性能,使其满足现代电子技术对高温、高频、高功率和抗辐射性能的要求。GaN基器件在改进能效、提高功率密度和减小器件尺寸方面具有明显优势,在微波射频领域和功率电子器件领域具有广阔的应用前景。
传统的异质外延衬底,如蓝宝石、硅和碳化硅等在器件散热和转移等方面存在严重问题,导致大功率GaN器件温度上升较快,降低了器件性能和可靠性,同时限制了GaN器件在柔性显示、智能可穿戴设备方面的应用。石墨烯是由sp2杂化的碳原子相互连接构成的一种二维单层结构,层内原子间六角排列,层间通过微弱的范德瓦尔斯力结合在一起。石墨烯面内原子排列和GaN面内原子排列方式相同,可以作为GaN的生长模板,降低GaN对衬底的依赖,从而提高器件性能并扩大应用范围。
目前,在石墨烯上生长单晶GaN薄膜仍需要支撑衬底为单晶,如文献Jeehwan Kim,et al.,Nat.Commun.5,4836(2014)报道支撑衬底为SiC,需要SiC衬底表面的台阶边缘提供氮化物的成核点。而在非晶支撑衬底上以石墨烯生长GaN时,如文献Kunook Chung,et al.,Science,330,655(2010)报道,需要引入ZnO纳米墙以增加GaN在石墨烯上的成核生长。上述方法虽然可以在石墨烯上得到单晶GaN薄膜,但仍存在不足,比如对支撑衬底的要求,或者复杂的生长工艺,以及在生长过程中引入其他杂质等。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明提供了基于石墨烯缓冲层在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法。首先将单晶二维石墨烯材料转移至目标衬底上,由石墨烯层内六角排列原子为氮化物的生长提供所需的六方模板,其次对石墨烯进行等离子体轰击或者氮化处理,产生悬挂键以生长氮化物,通过首先沉积AlN成核层实现外延单晶GaN薄膜。本发明工艺简单,可重复性好,可以拓宽生长氮化物的衬底范围,可用于制作GaN基大功率器件和柔性器件。
本发明的技术方案如下:
一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法,包括以下步骤:
步骤1:将单晶石墨烯转移至多晶或非晶衬底上;
步骤2:对转移后的单晶石墨烯表面进行预处理,产生悬挂键;
步骤3:在预处理后的单晶石墨烯上生长AlN成核层;
步骤4:在AlN成核层上外延生长氮化镓单晶薄膜。
所述多晶或非晶衬底可以是金属镍、金属钛、金属钼、金刚石、AlN、氧化硅、玻璃中的一种。
优选的,所述单晶石墨烯的层数为1-4层。通常是采用金属有机化合物气相沉积(MOVCD)或化学气相沉积(CVD)方法生长的单晶石墨烯。
步骤2优选采用等离子体刻蚀或氮化处理的方法对单晶石墨烯表面进行预处理。优选的,所述对转移后的石墨烯进行等离子体刻蚀的气体为氮气,等离子体功率为50-500W,刻蚀时间为1-100min。对单晶石墨烯表面进行氮化处理的方法是NH3刻蚀,优选在高温氢气气氛下NH3刻蚀,所需温度为1000-1300℃,NH3流量为100-8000sccm,刻蚀时间为1-100min。
所述AlN成核层和GaN薄膜的生长方法选自金属有机化合物气相沉积、分子束外延、氢化物气相外延和化学气相沉积中的一种。
优选的,采用MOVCD方法生长AlN成核层,生长温度为800-1200℃,生长压强为10-200mbar,V/III比为150-1500,AlN成核层的厚度为1-100nm。
优选的,采用MOVCD方法外延生长GaN单晶薄膜,生长温度为1000-1200℃,生长压强为10-200mbar,V/III比为500-5000,生长速率为1μm/h-5μm/h。
与现有技术相比,本发明基于石墨烯缓冲层在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜,利用可转移的石墨烯作为缓冲层为氮化物生长提供所需的六方模板,通过对石墨烯缓冲层进行预处理产生悬挂键,并结合AlN成核层以生长GaN单晶薄膜。本发明工艺简单,可重复性好,可突破传统衬底对GaN材料和器件的限制,应用于GaN基大功率器件和柔性器件。
附图说明
图1是本发明实施例在非晶SiO2衬底上基于石墨烯缓冲层生长单晶氮化镓薄膜的方法流程图;
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚说明,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。附图中未绘示或描述的实现方式,为所述技术领域中普通技术人员所知的形式。另外,虽然本文可提供包含特定值的参数的示范,但应了解,参数无需确切等于相应的值,而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
根据图1所示的步骤在非晶SiO2衬底上基于石墨烯缓冲层生长单晶氮化镓薄膜。
步骤1:将石墨烯转移至非晶SiO2衬底上,石墨烯为MOCVD或CVD技术生长的单晶石墨烯,层数为1-4层。
步骤2:对转移后的石墨烯进行氮化处理,所需温度为1000-1300℃,NH3流量为100-8000sccm,刻蚀气氛为氢气,刻蚀时间为1-100min。
步骤3:进行预处理后,在石墨烯缓冲层上生长AlN成核层,生长温度为800-1200℃,生长压强为10-200mbar,V/III比为150-1500,AlN成核层的厚度为1-100nm。
步骤4:外延生长GaN,生长温度为1000-1200℃,生长压强为10-200mbar,V/III比为500-5000,生长速率为1μm/h-5μm/h。
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,并不应用于限制本发明,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 (6)
1.一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法,包括以下步骤:
1)将单晶石墨烯转移至多晶或非晶衬底上;
2)对转移后的单晶石墨烯表面采用等离子体刻蚀或氮化处理的方法进行预处理,产生悬挂键,其中所述等离子体刻蚀的气体为氮气,等离子体功率为50-500W,刻蚀时间为1-100min;所述氮化处理的方法是在高温氢气气氛下对单晶石墨烯表面进行NH3刻蚀,刻蚀温度为1000-1300℃,NH3流量为100-8000sccm,刻蚀时间为1-100min;
3)在预处理后的单晶石墨烯上生长AlN成核层;
4)在AlN成核层上外延生长氮化镓单晶薄膜。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1)所述多晶或非晶衬底选自金属镍、金属钛、金属钼、金刚石、AlN、氧化硅和玻璃中的一种。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1)转移的单晶石墨烯的层数为1-4层。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤3)生长AlN成核层和步骤4)生长GaN单晶薄膜的方法选自金属有机化合物气相沉积、分子束外延、氢化物气相外延和化学气相沉积中的一种。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤3)采用金属有机化合物气相沉积方法生长AlN成核层,生长温度为800-1200℃,生长压强为10-200mbar,V/III比为150-1500,AlN成核层的厚度为1-100nm。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤4)采用金属有机化合物气相沉积方法外延生长GaN单晶薄膜,生长温度为1000-1200℃,生长压强为10-200mbar,V/III比为500-5000,生长速率为1μm/h-5μm/h。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810715485.0A CN108878266B (zh) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810715485.0A CN108878266B (zh) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN108878266A CN108878266A (zh) | 2018-11-23 |
CN108878266B true CN108878266B (zh) | 2020-09-08 |
Family
ID=64298443
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201810715485.0A Active CN108878266B (zh) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN108878266B (zh) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110323308B (zh) * | 2019-06-06 | 2020-09-08 | 北京大学 | 一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构led的方法 |
CN110707002B (zh) * | 2019-10-08 | 2022-07-05 | 苏州纳维科技有限公司 | 一种高质量自支撑GaN衬底的制备方法及生长结构 |
CN112053942A (zh) * | 2020-09-14 | 2020-12-08 | 吉林大学 | 一种在石墨烯上生长GaN薄膜的方法 |
CN113078046B (zh) * | 2021-03-26 | 2022-07-29 | 华厦半导体(深圳)有限公司 | 一种氮化镓同质衬底及其制备方法 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107689323A (zh) * | 2017-08-11 | 2018-02-13 | 北京大学 | 一种适用于ⅲ族氮化物外延生长的石墨烯蓝宝石衬底 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20120029279A (ko) * | 2010-09-16 | 2012-03-26 | 삼성엘이디 주식회사 | 질화물 단결정 및 질화물 반도체 발광소자 제조방법 |
US20160137507A1 (en) * | 2014-11-19 | 2016-05-19 | Institute For Basic Science | Large-area graphene transfer method |
WO2016085890A1 (en) * | 2014-11-24 | 2016-06-02 | Innosys, Inc. | Gallium nitride growth on silicon |
CN105633225B (zh) * | 2016-03-08 | 2019-01-29 | 西安电子科技大学 | 基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法 |
CN105655238B (zh) * | 2016-03-08 | 2018-05-15 | 西安电子科技大学 | 基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的硅基氮化镓生长方法 |
CN105914139B (zh) * | 2016-06-28 | 2018-08-31 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 一种石墨烯上自组织成核外延GaN材料的方法 |
US10186630B2 (en) * | 2016-08-02 | 2019-01-22 | QMAT, Inc. | Seed wafer for GaN thickening using gas- or liquid-phase epitaxy |
-
2018
- 2018-07-03 CN CN201810715485.0A patent/CN108878266B/zh active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107689323A (zh) * | 2017-08-11 | 2018-02-13 | 北京大学 | 一种适用于ⅲ族氮化物外延生长的石墨烯蓝宝石衬底 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN108878266A (zh) | 2018-11-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108878266B (zh) | 一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 | |
CN113206003B (zh) | 一种在任意自支撑衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 | |
CN109065438B (zh) | AlN薄膜的制备方法 | |
JP2023525597A (ja) | 窒化物エピタキシャルウェーハ、その製造方法、および半導体デバイス | |
CN105655238A (zh) | 基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的硅基氮化镓生长方法 | |
CN113130296B (zh) | 一种六方氮化硼上生长氮化镓的方法 | |
CN108428618A (zh) | 基于石墨烯插入层结构的氮化镓生长方法 | |
CN213905295U (zh) | 一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜 | |
US20140159055A1 (en) | Substrates for semiconductor devices | |
EP4187576A1 (en) | Heteroepitaxial structure with a diamond heat sink | |
CN110828291A (zh) | 基于单晶金刚石衬底的GaN/AlGaN异质结材料及其制备方法 | |
CN116053120B (zh) | 氮化物外延结构及其制备方法和应用 | |
CN110791805A (zh) | 一种衬底、外延片及其生长方法 | |
CN117080183A (zh) | 一种金刚石-单晶AlN-GaNAlGaN复合晶圆及其制备方法和应用 | |
CN114717657B (zh) | 基于等离子体辅助激光分子束外延生长氧化镍单晶薄膜的方法 | |
CN115565876A (zh) | 基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件 | |
CN108878265B (zh) | 一种在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 | |
CN112133802B (zh) | 一种GaN薄膜及其制备方法 | |
CN112687527A (zh) | 一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜及其外延生长方法 | |
CN113871473A (zh) | 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 | |
CN103255389A (zh) | 一种在硅衬底上外延生长iii族氮化物半导体材料的方法 | |
TWI703243B (zh) | 單晶三族氮化物的形成方法 | |
CN110752146A (zh) | 一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法 | |
CN114438595B (zh) | 一种利于提高散热性的氮化镓外延生长方法 | |
CN110670138A (zh) | 用于氮化铝单晶生长的复合籽晶及其制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |