CN117344384A - 高质量氮化物薄膜的远程外延生长方法、复合衬底及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高质量氮化物薄膜的远程外延生长方法、复合衬底及应用。所述复合衬底包括衬底、压电极化层以及二维材料层；衬底与压电极化层的界面产生应力，且压电极化层的厚度低于临界厚度，以产生压电极化效应，产生的压电极化方向与衬底和压电极化层的自发极化方向相同；二维材料层的材质用于远程外延。本发明通过在衬底和二维材料层之间设置压电极化层，应力作用使其形成与衬底和压电极化层的自发极化方向相同的压电极化场，进而增强了极性衬底的整体极性，更有利于极性穿透二维材料层而作用于氮化物薄膜的外延生长过程，避免了二维材料层削弱衬底极性导致的晶体质量问题，从而有利于获得低应力、低缺陷密度、可剥离的高质量氮化物薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及氮化物半导体材料技术领域，尤其涉及一种高质量氮化物薄膜的远程外延生长方法、复合衬底及应用。
背景技术
氮化镓（GaN）和氮化铝（AlN）等宽禁带半导体材料，作为第三代半导体材料的代表，具备诸多优越特性，包括宽禁带宽度、高击穿场强、优异的热导率和电子迁移率等。这些特点使得它们成为未来新一代光电子、功率电子和高频微电子领域的核心基础，也被广泛视为制备光电器件和大功率电力电子器件的理想材料。
通常，目前主流的外延氮化物薄膜的技术仍为异质外延，即在蓝宝石（Al2O3）、碳化硅（SiC）、硅（Si）等为衬底进行外延生长。然而，由于异质外延中较大的晶格失配和热失配，使得氮化物外延生长中通常会产生较大的应力，缺陷甚至裂纹，从而严重影响后续器件的性能。
同质外延不存在晶格失配和热失配，有利于获得高质量的外延层和器件。但同质衬底价格昂贵，这意味着同质外延氮化物需要承担更高的成本。此外，外延后的衬底刻蚀剥离后表面损伤严重，不利于衬底的循环利用。因此，通过技术改进来降低氮化物材料的位错密度和减少生产成本是推进氮化物材料和器件发展的重要措施。
而以纳米二维材料作为中间层实施远程外延是其中的一种解决方案。近年来，二维材料的研究备受关注，其中包括石墨烯、六方氮化硼（h-BN）和过渡金属二卤化碳（TMDC）等。石墨烯作为一种具有高电导率、优异机械强度、光学透明性、两性掺杂以及可实现大面积生产等前景广阔的材料，引起了人们广泛的研究兴趣。
例如在石墨烯上生长氮化物，被称为准范德华外延（QvdwE），也称为远程外延，这是一种“不对应”的外延方式，即外延层与衬底之间不是严格的晶格对应，因此可以利用界面弱的范德华力，缓解界面晶格失配带来的应变，从而降低缺陷密度获得低应力和低缺陷密度的氮化物材料。此外，石墨烯上生长的氮化物材料和器件结构仅通过简单的机械剥离就可获得并实现转移，有利于制备柔性器件和为异质集成提供新思路。
然而，研究表明，采用准范德华外延技术外延生长氮化物，由于衬底与外延层之间过弱的范德华力，会导致氮化物中产生大量的多晶，以及在界面晶畴合并的上方产生大量的位错，氮化物薄膜的晶体质量反而降低了。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高质量氮化物薄膜的远程外延生长方法、复合衬底及应用，目的是得到低应力、低缺陷密度和可剥离的单晶氮化物材料。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
第一方面，本发明提供一种用于远程外延生长高质量氮化物薄膜的复合衬底，其包括基础衬底；
压电极化层，形成在所述基础衬底上；
以及，二维材料层，设置在所述压电极化层上；
其中，所述基础衬底和压电极化层均由氮化物材料组成，且所述压电极化层的厚度在临界厚度以下，以使所述压电极化层在所述基础衬底配合下产生方向一致的压电极化效应和自发极化效应。
进一步地，所述基础衬底、压电极化层分别由第一氮化物材料、第二氮化物材料组成，其中所述第二氮化物材料的面内晶格常数小于第一氮化物材料的面内晶格常数；所述压电极化层与所述二维材料层直接接触。
进一步地，所述第一氮化物包括GaN；所述第二氮化物包括AlGaN、AlScN、AlBiN、AlTaN、AlYN、AlLaN、AlNdN、AlGdN、AlDyN、AlErN、AlYbN、AlLuN中的任意一种或两种以上的组合。
更进一步地，所述第二氮化物的化学式为AlxZ1-xN，其中x的取值范围为0＜x≤1，Z代表掺杂在AlN中的元素。
第二方面，本发明还提供了上述复合衬底的生长方法，其包括如下的步骤：
提供衬底。
在所述衬底的表面生长压电极化层，并控制所述压电极化层的厚度小于临界厚度。
在所述压电极化层的表面覆设二维材料层。
进一步地，所述二维材料层的覆设通过在所述压电极化层上原位生长或将二维材料直接转移到所述压电极化层上的方式进行。
第三方面，作为上述技术方案的进一步应用，本发明还提供了一种高质量氮化物薄膜的远程外延生长方法，其包括如下步骤：
提供上述复合衬底。
在所述复合衬底中的二维材料层表面通过化学气相沉积的方式外延生长第三氮化物，形成高质量氮化物薄膜。
进一步地，所述第三氮化物包括GaN、AlN中的任意一种或两种的组合；所述第三氮化物的生长温度为600-1200℃。
进一步地，所述远程外延生长方法还包括剥离所述高质量氮化物薄膜和二维材料层，获得独立的所述高质量氮化物薄膜。
而第四方面，对应于上述远程外延生长方法，本发明还提供了一种单晶氮化物外延结构，作为一种产品，包括依次紧密结合的衬底、压电极化层、二维材料层以及高质量氮化物薄膜。
所述衬底的材质选自第一氮化物，所述压电极化层的材质选自第二氮化物，所述衬底与压电极化层的界面产生应力，且所述压电极化层的厚度低于临界厚度，以使得所述压电极化层产生压电极化效应，所述压电极化效应产生的压电极化方向与所述衬底和压电极化层的自发极化方向相同。
所述高质量氮化物薄膜为在所述二维材料层表面外延生长形成的。
第五方面，本发明还提供了上述远程外延生长方法在制作光电子器件、功率电子器件、高频微电子器件中的任一领域中的进一步应用。
基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明所提供的复合衬底以及利用该复合衬底进行远程外延生长的方法通过在衬底和二维材料层之间设置压电极化层，衬底和压电极化层之间的应力作用使得压电极化层中的正负离子的电荷中心出现偏移，形成与衬底和压电极化层的自发极化方向相同的压电极化场，进而增强了极性衬底的整体极性，更有利于衬底的极性穿透二维材料层而作用于氮化物薄膜的外延生长过程，避免了二维材料层削弱衬底极性导致的晶体质量问题，从而有利于获得低应力、低缺陷密度、可剥离的高质量氮化物薄膜。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
图1是本发明一典型实施案例提供的远程外延生长方法的流程示意图。
图2a是本发明一典型实施案例提供的衬底与压电极化层的极化相互作用示意图。
图2b是本发明另一典型实施案例提供的衬底与压电极化层的极化相互作用示意图。
图3a是本发明一典型对比案例提供的衬底与压电极化层的极化相互作用示意图。
图3b是本发明另一典型对比案例提供的衬底与压电极化层的极化相互作用示意图。
图4是本发明一典型实施案例提供的单晶氮化物外延结构的结构示意图。
图5是本发明另一典型实施案例提供的临界厚度与铝组分的关系曲线图。
具体实施方式
一些现有技术涉及到了外延生长氮化物薄膜的制备方法，例如：
（1）T Journot, et al. "Remote epitaxy using graphene enables growth ofstress-free GaN". Nanotechnology 30 (2019) 505603、
（2）Kazimieras Badokas, et al. “Remote epitaxy of GaN via graphene onGaN/sapphire templates”, J. Phys. D: Appl. Phys. 54 (2021) 205103、
（3）Yunjo Kim, et al. “Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer”, Nature 544 (2017)、
（4）Wei Kong, et al. “Polarity governs atomic interaction through two-dimensional materials”, Nature materials 17 (2018) 999-1004、
（5）Hyobin Yoo, et al. "Microstructures of GaN Thin Films Grown onGraphene Layers". Advanced Materials 24 (2012) 515-518、
（6）Yanqing Jia, et al. "Growth mechanism on graphene-regulated high-quality epitaxy of flexible AlN film". CrystEngComm 23 (2021) 7406-7411、
（7）A.P. Lange，et al. "Influence of trimethylaluminum predoses on thegrowth morphology, film-substrate interface, and microstructure of MOCVD-grown AlN on (111)Si." Journal of Crystal Growth 511 (2019) 106-117。
等等，但或在膜层质量方面存在不足，或具有相当困难的制备难度，不利于应用，因此，鉴于诸多现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
参见图1，本发明实施例提供一种用于远程外延生长高质量氮化物薄膜的复合衬底，其包括从下到上依次堆叠接触的衬底、压电极化层以及二维材料层；所述衬底的材质选自第一氮化物，所述压电极化层的材质选自第二氮化物，所述衬底与压电极化层的界面产生应力，且所述压电极化层的厚度低于临界厚度，以使得所述压电极化层产生压电极化效应，所述压电极化效应产生的压电极化方向与所述衬底和压电极化层的自发极化方向相同。
其中，所述二维材料层的材质通常选自常见的用于远程外延的二维材料，通常是不含有面外偶极矩的，但也不排除具有非常轻微的面外偶极矩，能够适应远程外延的需求即可。
基于上述复合衬底，本发明实施例还提供了一种高质量氮化物薄膜的远程外延生长方法，其包括如下步骤：
提供上述复合衬底。
在所述复合衬底中的二维材料层表面通过化学气相沉积的方式外延生长第三氮化物，形成高质量氮化物薄膜。
而图4则示出了上述远程外延生长方法制备得到的一种单晶氮化物外延结构，作为一种产品，包括依次紧密结合的衬底、压电极化层、二维材料层以及高质量氮化物薄膜。
当然，上述单晶氮化物外延结构可以作为一个单独产品或中间体，例如在该单晶氮化物外延结构表面继续外延生长其余半导体层，以制备相应的器件；而由于二维材料层的易于剥离的性质，上述单晶氮化物外延结构中的高质量氮化物薄膜可以很容易地剥离下来作为单独的薄膜产品得以应用，例如转移至其他衬底表面进行后续外延生长，或者作为光学器件的一些单晶膜层材料而得以应用。
作为上述概述性技术方案的一些典型的应用示例，本发明的实施例提出了一种用于氮化物材料外延的复合衬底、其制备方法和应用。具体的，这些实施案例中通过在氮化镓衬底上首先外延一层厚度小于临界厚度的AlGaN薄层作为压电极化层，再通过转移或者直接外延的方式覆盖石墨烯，最后在复合衬底上实现低应力、低缺陷密度和可剥离的单晶氮化物材料的外延生长。
继续参见图1，为具体的工艺流程图。具体步骤如下：
S1：准备衬底。所述衬底为（0001）面氮化镓或（000-1）面氮化镓衬底。
S2：生长铝镓氮（AlGaN）层。AlGaN是采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）法在GaN衬底上直接外延生长的。当AlxGa1-xN层的厚度不超过临界厚度时，处于应变状态，此时层中不仅存在自发极化，也存在着压电极化。
S3：生成石墨烯层。石墨烯层可通过从金属催化衬底上转移到AlGaN层上，也可以在MOCVD或MBE中直接原位生长获得。石墨烯厚度约0.34-1 nm。
S4：生长单晶氮化物薄膜。氮化镓生长温度600-1100 ℃，氮化铝生长温度600-1200 ℃。
上述步骤S1-S2中，所采用的衬底的材料是GaN，衬底上面的压电极化层材质是AlGaN、AlScN、AlBiN、AlTaN等材质或其组合，这样才能有自发极化和压电极化的效应，而且在压电极化层和石墨烯层之间是没有其他的层结构的，两者紧密结合，这样的好处是压电极化层的原子受到压电极化的影响，使正负离子中心偏移更多，产生更大的极化电场，极化电场能够穿透石墨烯，并使石墨烯表面电荷重分布，形成与衬底晶格周期相同的电势分布，有利于控制外延层的取向，获得更好的外延层质量。如果在压电极化层和石墨烯之间设置有其他的层结构，压电极化层的极化电场无法穿透多层结构，则对石墨烯上层的外延层质量无明显提高从而失去其应有的作用。
当然，可行的二维材料层的材质选择不仅限于所示例的内容，石墨烯材料可替换为：非晶氮化硼等不含有面外偶极矩的二维材料，通常可以从能够实现远程外延的二维材料中进行适应性选择，能够实现对应的极化穿透和易于剥离的功能即可。
以GaN+AlGaN的材质组合为例，GaN衬底上面生长AlGaN材质的压电极化层，其产生的压电极化效应C的极化场方向是向上的（即从衬底指向压电极化层的方向），AlGaN压电极化层受到的是压应力，与其自发极化效应方向相同，从而增大极化效应，不同的衬底极性面的具体极化方向如图2a和图2b所示。
而如果材质相反，例如在AlGaN衬底上生长GaN材料层，由于AlGaN的面内晶格常数小于GaN，而在面外产生的是张应力，这样会导致压电极化效应和自发极化效应的极化场方向相反，则极化效应相互影响而削弱，而无法取得正面技术效果。
为了更进一步地理解其中的极化过程，相关的极化场的计算经验依据示例如下：
GaN材料的自发极化强度Psp=-0.034 C/m2。
AlN材料的自发极化强度Psp=-0.090 C/m2。
AlxGa1-xN的自发极化强度Psp=-0.09x-0.034（1-x）+0.019x（1-x）C/m2。
AlxGa1-xN/GaN复合衬底中，AlxGa1-xN层的压电极化强度Ppz=[-0.0525x+0.0282x（1-x）] C/m2。
此外，本发明中，关于压电极化层的材质选择亦有要求，例如在本发明的典型实施例中，只能采用AlGaN及其相似晶体性质的材料作为压电极化层，不能采用例如InGaN的其他材料层，因为如果在GaN衬底上外延InGaN层，其产生的压电极化效应天然是与GaN相反的，不能起到叠加的作用，不论衬底的极性面如何，其结果均是相互抵消，具体如图3a和图3b所示。
并且，在上述技术方案中，需注意压电极化层的厚度，不应超过其临界厚度，超过其临界厚度后会导致压电极化的增强效应消失，图5示出了不同Al含量下对应的不同临界厚度的变化曲线，实施中需根据实际情况适应性控制压电极化层的厚度。
以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。
实施例1
本实施例示例一高质量AlN薄膜的外延生长过程，具体如下所示：
选用GaN（0001）衬底，再采用MOCVD技术在衬底上外延5 nm AlN作为压电极化层，然后直接原位生长在表面形成0.34 nm的石墨烯层作为二维材料层。最后，在1100℃条件下直接一步法外延AlN薄膜，其厚度为5μm左右。
经过计算，本实施例中，总极化场强度P=PSP+PPZ=-0.1425 C/m2，大于氮化镓的自发极化强度-0.034 C/m2。这说明压电极化层对于总的极化场是具有增强作用的。
而经过材料表征，采用本实施例的生长方式，最终获得的AlN薄膜的晶体形式为单晶，未发现多晶的存在，并且其位错密度为1×108 cm-2，质量极高。以及，通过简单的机械剥离的方法即可分离下来该AlN薄膜。
实施例2
本实施例示例一高质量GaN薄膜的外延生长过程，具体如下所示：
以GaN（0001）衬底，再采用MOCVD技术在衬底上外延10 nm Al0.5Ga0.5N层作为压电极化层，然后在其表面转移覆盖单层石墨烯作为二维材料层。最后，在1050℃直接一步法外延GaN薄膜。
经过计算，本实施例中，总极化场强度P=PSP+PPZ=-0.07645 C/m2，同样大于氮化镓的自发极化强度-0.034 C/m2。
而经过材料表征，采用本实施例的生长方式，最终获得的GaN薄膜的晶体形式为单晶，未发现多晶的存在，并且其位错密度为3×108 cm-2，质量极高。以及，通过简单的机械剥离的方法即可分离下来该GaN薄膜。
实施例3
本实施例与实施例2大体相同，区别主要在于，在外延形成压电极化层时，所生长的材质为掺杂钪（Sc）元素的AlN层，其中钪（Sc）元素的掺杂比例为0.4（Sc/（Sc+Al）），其余步骤及条件与实施例2保持一致。
氮化铝薄膜中掺入钪（Sc）元素可以极大地增加材料的压电系数d33，改善其压电性能，增强压电极化效应。最终生长的AlN薄膜为单晶，位错密度为2×108 cm-2。
除此之外，基于本实施例的方法，将钪（Sc）元素替换为能够显著提高压电系数d33的其他掺杂元素，均能够观察到上述位错密度改善的现象，通常的掺杂比例例如是0＜x≤0.55，但也绝非限制于此，以最终提高了其压电系数d33为标准，即其中的掺杂元素的掺杂提高了该膜层的压电系数d33。
实施例4
本实施例与实施例1大体相同，区别主要在于，在覆盖二维材料层时，所生长的材质分别替换为非晶氮化硼、非晶石墨烯等其他能够用于远程外延的非晶材料，均对最终的生长质量不会产生显著影响。
对比例1
本对比例与实施例1大体相同，区别主要在于：
去掉压电极化层的生长步骤，其余过程与实施例1相同，最终所生长获得的AlN膜层的位错密度为2×109cm-2。
对比例2
本对比例与实施例1大体相同，区别主要在于：
生长压电极化层时，换成InGaN材质，该材质的压电极化层的自发极化和压电极化方向相反，相互抵消，减弱界面远程相互作用力，所外延生长的AlN膜层为多晶。
基于上述实施例以及对比例，可以明确，本发明实施例所提供的复合衬底以及利用该复合衬底进行远程外延生长的方法通过在衬底和二维材料层之间设置压电极化层，通过衬底和压电极化层之间的应力作用使得压电极化层中的正负离子的电荷中心出现偏移，形成与衬底和压电极化层的自发极化方向相同的压电极化场，进而增强了极性衬底的整体极性，更有利于衬底的极性穿透二维材料层而作用于氮化物薄膜的外延生长过程，避免了二维材料层削弱衬底极性导致的晶体质量问题，从而有利于获得低应力、低缺陷密度、可剥离的高质量氮化物薄膜。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于远程外延生长高质量氮化物薄膜的复合衬底，其特征在于，包括：
基础衬底；
压电极化层，形成在所述基础衬底上；
以及，二维材料层，设置在所述压电极化层上；
其中，所述基础衬底和压电极化层均由氮化物材料组成，且所述压电极化层的厚度在临界厚度以下，以使所述压电极化层在所述基础衬底配合下产生方向一致的压电极化效应和自发极化效应。
2.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述基础衬底、压电极化层分别由第一氮化物材料、第二氮化物材料组成，其中所述第二氮化物材料的面内晶格常数小于第一氮化物材料的面内晶格常数；
所述压电极化层与所述二维材料层直接接触。
3.根据权利要求2所述的复合衬底，其特征在于，所述第一氮化物包括GaN；所述第二氮化物包括AlGaN、AlScN、AlBiN、AlTaN、AlYN、AlLaN、AlNdN、AlGdN、AlDyN、AlErN、AlYbN、AlLuN中的任意一种或两种以上的组合。
4.权利要求1-3中任意一项所述的复合衬底的生长方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底的表面生长压电极化层，并控制所述压电极化层的厚度小于临界厚度；
在所述压电极化层的表面覆设二维材料层。
5.根据权利要求4所述的生长方法，其特征在于，所述二维材料层的覆设通过在所述压电极化层上原位生长或将二维材料直接转移到所述压电极化层上的方式进行。
6.一种高质量氮化物薄膜的远程外延生长方法，其特征在于，包括：
提供权利要求1-3中任意一项所述的复合衬底；
在所述复合衬底中的二维材料层表面通过化学气相沉积的方式外延生长第三氮化物，形成高质量氮化物薄膜。
7.根据权利要求6所述的远程外延生长方法，其特征在于，所述第三氮化物包括GaN、AlN中的任意一种或两种的组合；
所述第三氮化物的生长温度为600-1200℃。
8.根据权利要求6所述的远程外延生长方法，其特征在于，还包括：剥离所述高质量氮化物薄膜和二维材料层，获得独立的所述高质量氮化物薄膜。
9.一种单晶氮化物外延结构，其特征在于，包括从下至上依次接触的衬底、压电极化层、二维材料层以及高质量氮化物薄膜；
所述衬底的材质选自第一氮化物，所述压电极化层的材质选自第二氮化物，所述衬底与压电极化层的界面产生应力，且所述压电极化层的厚度低于临界厚度，以使得所述压电极化层产生压电极化效应，所述压电极化效应产生的压电极化方向与所述衬底和压电极化层的自发极化方向相同；
所述高质量氮化物薄膜为在所述二维材料层表面外延生长形成的。
10.权利要求6-8中任意一项所述的远程外延生长方法在制作光电子器件、功率电子器件、高频微电子器件中的任一者中的应用。
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