[发明专利]一种利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法

说明书

本发明公开了一种利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法。本发明通过在半导体单晶厚膜结构与异质衬底之间引入二维晶体过渡层，利用原子层间分子力结合弱、易于破坏分离的特点，采用剥离方法实现半导体单晶厚膜结构与异质衬底的分离，得到大尺寸、高质量的自支撑半导体单晶衬底；能够根据二维晶体的厚度自主选择自剥离或机械剥离的方式，增加剥离工艺可控性，不会对半导体单晶厚膜结构造成损伤，成品率高，可重复性好；通过二维晶体层间弱分子力键合，部分释放异质衬底和半导体单晶厚膜结构间的失配应力，避免生长及降温时开裂；异质衬底可重复使用，工艺稳定，成本低廉；设备简单，易操作，适合产业化生产。

技术领域

本发明涉及半导体单晶衬底的制备技术，具体涉及一种利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法。

背景技术

半导体薄膜光学和电学性质良好，使其在薄膜器件，特别是在高效率发光器件、光电转换器件、功率电子器件、集成电路和传感器件等领域具有极大的应用价值。近年来，半导体薄膜制备技术成为各国高技术产业战略性发展的核心，发展低成本、高质量的薄膜制备技术显得日益重要。

根据所用衬底不同，半导体薄膜制备技术可分为:同质外延和异质外延。异质外延即在异质衬底上外延半导体薄膜，该方法具有成本低、应用广泛、工艺兼容等优点。但是异质衬底和半导体薄膜间存在较大的晶格失配和热失配，使得沉积的半导体薄膜晶体质量较差，严重制约了半导体薄膜光电、电子器件性能。采用半导体单晶衬底同质外延半导体薄膜，具有原子级平整的表面形貌及较高的晶体质量，能够显著提高光电器件的发光效率、改善电子器件的漏电问题。以第三代半导体氮化镓GaN为例，在蓝宝石异质衬底上外延氮化镓GaN薄膜的位错密度高达10⁹cm^～2，而采用氮化镓GaN单晶衬底同质外延GaN基薄膜，位错密度可降至10⁵cm^-2。因此，低成本、高质量半导体单晶衬底的研发工作具有重要意义。

目前制备半导体薄膜单晶衬底的方法主要包括：熔体生长法和气相沉积法等。但是，前者或者需要高温高压设备，或者需要活性熔融体辅助，能耗和危险性较大。后者则存在半导体厚膜和异质衬底分离技术不成熟、成本较高等问题。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法，通过对二维晶体过渡层的材料选择和厚度调控，降低气相沉积法制备的半导体单晶厚膜结构的剥离难度并优化半导体单晶厚膜结构的晶体质量，从而获得低成本、高质量的自支撑半导体单晶衬底。

本发明的利用二维晶体过渡层制备半导体单晶衬底的方法，包括以下步骤：

1)根据半导体单晶厚膜结构的对称性选择二维晶体，二维晶体与半导体单晶厚膜结构具有相同的对称性；

2)在异质衬底上采用薄膜沉积法或者转移法沉积二维晶体，根据剥离方法确定二维晶体的沉积厚度，在异质衬底上形成二维晶体过渡层，构成二维晶体过渡层复合衬底；

3)对二维晶体过渡层复合衬底进行化学清洗预处理，使二维晶体过渡层的表面洁净；

4)在二维晶体过渡层复合衬底的上表面采用薄膜沉积法制备半导体单晶薄膜层，半导体单晶薄膜层具有与二维晶体相同的对称性；

5)利用厚膜沉积法在半导体单晶薄膜层上制备半导体单晶厚膜层，通过应力控制方法控制半导体单晶厚膜层的厚度，从而在二维晶体过渡层复合衬底上形成半导体单晶厚膜结构，半导体单晶厚膜结构具有与二维晶体相同的对称性；

6)根据步骤2)中二维晶体过渡层的厚度，采用相应的剥离方法，将半导体单晶厚膜结构与异质衬底分离；

7)化学清洗处理后获得自支撑半导体单晶衬底。