[发明专利]一种六方氮化硼上生长氮化镓的方法

说明书

本发明公开了一种六方氮化硼上生长氮化镓的方法，采用化学气相沉积法，在铜箔上生长得到六方氮化硼；降温处理使其表面出现连续且均匀的褶皱；将铜箔上具有褶皱的六方氮化硼转移到其它衬底上作为生长氮化镓的插入层；利用氧等离子体处理六方氮化硼褶皱；采用金属有机化学气相沉积法，生长低V/III比氮化镓成核层；采用金属有机化学气相沉积法，生长高V/III比氮化镓层。本发明采用氧等离子体处理六方氮化硼褶皱，在六方氮化硼褶皱处形成缺陷和原子台阶，以六方氮化硼褶皱边缘为成核点，侧向生长形成完整连续的氮化镓薄膜。侧向生长的过程也减少了外延层中的位错，进一步提高了氮化镓的晶体质量，具有很强的实用性。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及基于氧等离子体处理六方氮化硼褶皱的氮化镓薄膜生长方法。

背景技术

氮化镓作为一种代表性的宽禁带半导体材料，因其优异的光电性能和稳定性，十分适合制备光电子器件和微波射频器件，在照明与显示、5G通信、高频高功率光电设备等领域都有着广阔的前景。

由于氮化镓同质衬底的缺乏，大部分氮化镓基器件主要是以异质外延的方式在蓝宝石、碳化硅（SiC）、硅（Si）等衬底上制备。然而，由于异质外延时衬底与外延层之间晶格失配和热失配的存在，所产生的较大残余双轴应力会使得氮化镓材料出现裂纹甚至断裂，这影响了氮化镓的晶体质量，也不利于后续的器件制备。获得高质量、低缺陷的氮化镓材料是研究的关键。

六方氮化硼与氮化镓同为III族氮化物，非常适合作为氮化镓生长的衬底。文献Snure Michael, et al., Journal of Crystal Growth. 464(2016) 研究了六方氮化硼表面粗糙度对氮化镓薄膜位错密度的影响，氮化镓最低的位错密度也达到了10⁹ cm^-1量级，远达不到高质量氮化镓的标准。文献Kong Wei, et al., Nature materials. 17.11(2018) 利用六方氮化硼远程外延氮化镓。即使是使用单层六方氮化硼也无法得到取向一致的单晶氮化镓薄膜。

发明内容

为了解决六方氮化硼上氮化镓材料的晶体质量较差的不足，本发明提供一种六方氮化硼上生长氮化镓的方法，包括如下步骤：

（1）采用化学气相沉积法，在铜箔上生长六方氮化硼；

（2）对铜箔上六方氮化硼降温处理，使六方氮化硼表面出现连续且均匀的褶皱；

（3）将铜箔上具有褶皱的六方氮化硼转移到其它衬底上；具有褶皱的六方氮化硼作为生长氮化镓的插入层；

（4）利用氧等离子体处理六方氮化硼的褶皱；

（5）采用金属有机化学气相沉积法，生长低V/III比氮化镓成核层；

（6）采用金属有机化学气相沉积法，生长高V/III比氮化镓层。

六方氮化硼具有六边形的面内晶格排列，层间通过弱的范德华力结合，可以作为氮化镓生长的衬底。与传统异质外延相比，六方氮化硼和外延层之间的相互作用力要弱两个数量级并且导热性更好，不需要严格遵循晶格匹配。这种外延方式可以缓解晶格失配和热失配造成的应力和缺陷。

氧等离子体在六方氮化硼褶皱边缘形成缺陷和原子台阶，利用缺陷和台阶边缘吸附能高的特点，以六方氮化硼褶皱边缘为成核点，再侧向生长形成完整连续的氮化镓薄膜。侧向生长的过程也减少了外延层中的位错，提高了晶体质量。

优选的，所述六方氮化硼的层数为5-30层。

优选的，所述转移的衬底选自蓝宝石、碳化硅、硅中的一种。

优选的，所述转移到衬底上的六方氮化硼具有典型的褶皱，宽度为50-300 nm，高度为20-40 nm，均匀覆盖在衬底表面。

优选的，所述氧气流量50-200 sccm，等离子体功率为50-400 W，刻蚀时间为0.5-5min。