一種Ⅲ族氮化物外延晶體及其生長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用石墨烯作緩沖層生長III族氮化物體的方法，旨在提高III族氮化物的晶體質(zhì)量，屬于III族氮化物晶體的生長技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]以氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料，是最重要的寬帶隙半導(dǎo)體之一。氮化鎵具有一系列優(yōu)良的性能，包括寬的帶隙范圍、優(yōu)良的光、電性質(zhì)和優(yōu)異的材料機(jī)械性質(zhì)使其在在高亮度藍(lán)、綠光發(fā)光二極管、藍(lán)色激光器和紫外探測器等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用潛力和良好的市場前景。
[0003]III族氮化物材料單晶的獲取非常困難，成本也很高，難以作為III族氮化物外延器件的襯底。目前III族氮化物材料一般生長在異質(zhì)襯底上，襯底與外延層之間存在晶格失配和熱失配，會在外延層內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)力和較高的位錯密度，嚴(yán)重影響了 III族氮化物基器件性能的進(jìn)一步提升；或者，在異質(zhì)襯底上用HVPE方法生長厚的III族氮化物層，然后再用MOCVD方法生長薄的器件層，這種方法成本高，同樣也存在襯底與III族氮化物之間晶格失配和熱失配的問題。
[0004]對于異質(zhì)襯底上生長III族氮化物層，為了緩解III族氮化物外延層與襯底之間的應(yīng)力，有研宄者采用石墨烯作為襯底與III族氮化物外延層之間的緩沖層，從而釋放異質(zhì)襯底與111族氮化物之間的應(yīng)力。如中國專利CN10276908IA公開了一種利用石墨烯作為緩沖層外延氮化鎵的結(jié)構(gòu)和制備方法，該方法通過采用石墨烯作為襯底與氮化鎵外延層之間的緩沖層，在石墨烯層和氮化鎵層之間插入氮化物薄層，獲得低應(yīng)力的氮化鎵外延層。
[0005]此外，為了進(jìn)一步緩解應(yīng)力，有文獻(xiàn)報道采用與氮化鎵晶格失配較小的碳化硅襯底上生長一層石墨烯，然后在石墨烯/碳化硅襯底上生長氮化鎵(參考文獻(xiàn):Kim，J.，etal.(2014)." Principle of direct van der Waals epitaxy of single-crystallinefilms on epitaxial graphene." Nature Communicat1ns 5.)。
[0006]但是，上述方法中由于石墨烯層上下材料晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)仍然不一致，石墨烯要同時匹配上下材料，可能會導(dǎo)致石墨烯薄膜層與上下材料分離，或者III族氮化物外延層缺陷增加。
[0007]此外，研宄者還通過其他手段來解決同質(zhì)襯底缺乏的問題，提高III族氮化物外延的質(zhì)量。中國專利CN104347356A公開了一種在氮化鎵襯底上同質(zhì)外延生長的方法，利用環(huán)狀圖形二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜為掩膜層，側(cè)向外延實(shí)現(xiàn)氮化鎵襯底上同質(zhì)外延生長，該方法能夠獲得比較完美的氮化鎵外延層，可有效降低位錯密度，但是應(yīng)力比較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種具有同質(zhì)外延、橫向生長等優(yōu)點(diǎn)的III族氮化物外延晶體，以克服以上不足。
[0009]同時本發(fā)明還提供了所述的一種III族氮化物外延晶體的制造方法。
[0010]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案:
[0011]一種III族氮化物外延晶體的結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括:襯底，第一 III族氮化物外延層，石墨烯，圖形化掩膜層，第二 III族氮化物外延層。
[0012]進(jìn)一步的，所述的襯底包括藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底，厚度為100-800 μm，優(yōu)選的厚度為 300-500 μ m。
[0013]進(jìn)一步的，所述的第一 III族氮化物外延層是MOCVD生長的，厚度為0.2_4 ym，優(yōu)選的厚度為1-2 μ m。
[0014]進(jìn)一步的，所述的石墨烯薄膜的層數(shù)為1-60層。其中，石墨烯薄膜上可以設(shè)有陣列狀的開孔，開孔的周長為2-15 μ m，相鄰開孔的中心間距為3-10 μ m。
[0015]進(jìn)一步的，所述的圖形化掩膜層包含S12或金屬W或WNx，圖形化掩膜層的厚度為0.1-6 μ m，開孔的周長為2-10 μ m，相鄰開孔的中心間距為4-20 μ m。
[0016]進(jìn)一步的，所述的第二 III族氮化物外延層的厚度為1-1000 μm。
[0017]以及一種III族氮化物外延晶體結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟:
[0018]步驟S1:在襯底上外延生長第一 III族氮化物外延層；
[0019]步驟S2:將石墨烯薄膜通過襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移到第一 III族氮化物外延層上；
[0020]步驟S3:在石墨烯薄膜上沉積一層掩膜層，作為選擇外延的阻擋層，沉積方法包括電子束蒸發(fā)方法、派射；
[0021]步驟S4:用光刻、腐蝕或剝離方法在掩膜層上形成圖形；
[0022]步驟S5:在樣品表面外延生長第二 III族氮化物外延層，調(diào)整工藝條件使樣品選擇在石墨烯薄膜表面及已沉積的III族氮化物表面外延生長，而不直接在掩膜表面外延；
[0023]進(jìn)一步的，所述的步驟SI的外延生長方法為MOCVD生長方法，所述步驟S5的外延生長方法為HVPE生長方法。
[0024]進(jìn)一步的，所述的一種高質(zhì)量III族氮化物外延晶體結(jié)構(gòu)的制備方法，在步驟S2和S3之間還包含步驟:
[0025]步驟S2a:在石墨烯薄膜表面旋涂一層光刻膠，通過曝光、顯影，以光刻膠為掩膜，刻蝕石墨烯薄膜，去膠，在石墨層上形成開孔陣列。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0027]I)通過石墨烯緩解了 III族氮化物在異質(zhì)襯底上外延導(dǎo)致的應(yīng)力，降低了外延生長導(dǎo)致的翹曲，同時在石墨烯上下界面都是III族氮化物晶體，晶格常數(shù)等性能一致，提高了外延生長III族氮化物的晶體質(zhì)量。
[0028]2)通過一種圖形化的掩膜層，III族氮化物單晶橫向生長，降低了單晶的缺陷密度，進(jìn)一步提高了晶體的質(zhì)量。
[0029]3)本發(fā)明還提出了一種在III族氮化物模板上覆蓋石墨烯并在石墨烯上開窗口，在通過石墨烯緩解異質(zhì)外延導(dǎo)致應(yīng)力的同時，通過窗口內(nèi)的III族氮化物強(qiáng)化了同質(zhì)外延的效果，提高了外延晶體的質(zhì)量。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明的一種III族氮化物外延晶體的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖2是本發(fā)明的一種III族氮化物外延晶體的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合實(shí)例和說明書附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明，但不限于此。
[0033]實(shí)施例1
[0034]參閱圖1，其是本發(fā)明一種III族氮化物外延晶體的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。一種III族氮化物外延晶體自下而上依次為:碳化硅襯底101、第一 III族氮化物外延層102、石墨烯103、掩膜層金屬W或WNX104和第二 III族氮化物外延層105。
[0035]其中，碳化硅襯底的厚度為400 μπι，第一 III族氮化物外延層是氮化鎵，厚度為
1.5 μ m，石墨烯層的層數(shù)為單層，掩膜層為金屬W或WNX，其厚度為I μ m，掩膜層上有陣列狀的開孔，開孔的周長為6 μπι，相鄰開孔的中心間距為15 μπι，第二 III族氮化物外延層是氮化鎵，厚度為20 μπι。
[0036]以下詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例1的一種氮化鎵外延晶體結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟如下:
[0037]步驟S1:在厚度為400 μ m的碳化硅襯底上采