[发明专利]一种用石墨烯掩膜生长氮化镓的方法

说明书

本发明属于半导体领域，为降低外延生长氮化镓的位错密度，公开了一种用石墨烯掩膜生长氮化镓的方法，包括氮化镓层、石墨烯掩膜层、衬底层，衬底层上通过等离子体增强化学气相沉积法直接生长石墨烯掩膜层，石墨烯掩膜层通过刻蚀形成了光栅状条纹，石墨烯掩膜层上通过金属有机物化学气相沉积生长氮化镓层。有益效果：石墨烯掩膜层结构可以有效地降低氮化镓位错，提高其生长质量；由于石墨烯是二维材料，可以降低掩膜层带来的低角度晶界缺陷；同时也利用石墨烯散热性好的特点，从而大幅提高氮化镓器件的散热性能；石墨烯掩膜层与氮化镓层由弱的范德华力结合的特点也使得氮化镓层易于剥离。本结构同时也可以应用于除氮化镓以外的III‑V族化合物半导体。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体为一种用石墨烯掩膜生长氮化镓的方法。

背景技术

以氮化镓（GaN）为研究热点的Ⅲ族氮化物半导体具有优异的光电性能和宽广的可调控带隙，其在照明显示、高频高功率电力电子器件、光存储、通讯、能源等领域拥有巨大的优势和应用前景。高性能的半导体器件依赖于高质量的半导体晶元。目前，氮化镓薄膜主要通过蓝宝石衬底上异质外延制备。在传统的外延生长过程中，如何解决外延层与衬底之间的晶格失配引起的位错与热失配成为研究的重点。

为了有效的降低生长氮化镓的位错，掩膜层是一个有效的方法，目前关于氮化镓生长中利用的掩膜层材料主要包括：各类金属和硅类化合物等。对于氮化镓具有侧向生长的能力，可以在掩膜层的作用下只在窗口区域成核并继续成膜生长，掩膜区域的位错也会被阻挡，从而达到减少位错。例如：Hiramatsu等人利用二氧化硅作为掩膜层，通过控制生长时间、压强等形成氮化镓不同模式的侧向外延，从而达到减少位错的目的(参见[Hiramatsu, Kazumasa , et al. Journal of Crystal Growth(2000) 221.1-4:316-326])。除了控制生长参数，还可以通过选择掩膜层条纹方向和生长氮化镓的晶向相结合达成不同模式的侧向外延，在不同程度上减少位错。例如：Kawaguchi等人将金属钨作为掩膜层，其条纹方向分别沿着氮化镓[1-100]和[11-20]的晶体学方向，得到了两种生长模式，也得到了两种对应的减少位错的机理和效果（参见[Kawaguchi, Yasutoshi , et al.Japanese Journal of Applied Physics (1998) 37.7B]）。上述用于掩膜层的材料虽然也都能对提高氮化镓质量的起到一定作用，但作为三维材料的掩膜结构，不可避免会带来低角度晶界缺陷。

发明内容

为了降低氮化镓的位错密度，降低氮化镓剥离难度，提高氮化镓层的散热性能提供如下技术方案：一种用石墨烯掩膜生长氮化镓的方法，包括氮化镓层、掩膜层与衬底层，所述衬底层上通过气相沉积法覆盖石墨烯，所述掩模层由所述石墨烯通过刻蚀而成，刻蚀后的石墨烯为光栅状条纹结构，所述掩膜层上通过金属有机物化学气相沉积法外延生长了氮化镓；石墨烯被刻蚀而裸露出衬底层的区域为窗口区域，石墨烯未被刻蚀覆盖住衬底层的区域为掩膜区域；

氮化镓通过窗口区域直接在衬底层成核生长，掩膜区域表面不能生长氮化镓；氮化镓的侧向外延能力使得在窗口区域处成核后的后续生长过程中通过合并、成膜最终形成氮化镓层。

优选的，所述掩膜层通过等离子体增强化学气相沉积法直接生长至所述衬底层上，所述石墨烯为少层，且所述石墨烯形状为一片完整的石墨烯。

优选的，所述氮化镓层的氮化镓为纤锌矿结构，且利用外延工艺沉积在所述掩膜层的上方，形成一层均匀的氮化镓薄膜。

优选的，所述光栅状条纹利用光刻-刻蚀工艺在所述掩膜层上形成，且被刻蚀区域裸露出所述衬底层的上表面。

优选的，氧等离子体刻蚀条件为，氧气气体流量100sccm，仪器功率400W，刻蚀时间4分钟。