一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法

本发明属于半导体，具体涉及一种利用图案化六方石墨烯掩膜生长氮化镓的方法。

背景技术：

1、以氮化镓为代表的第三代半导体材料具有宽带隙、高击穿电场、高电子迁移率等优异性能在光电子器件、射频器件和功率器件等领域有着广泛的应用。但是，氮化镓不存在于自然界中，它需要人工合成。由于考虑到成本与氮化镓同质衬底的缺乏，氮化镓通常以异质外延的方式而得到。然而，随之带来的问题是异质衬底与氮化镓之间的晶格常数与热膨胀系数的差异严重影响了氮化镓的晶体质量，氮化镓的位错密度和应力都处于较高水平，这阻碍了氮化镓基器件的性能和发展。通过插入掩膜层可以有效降低氮化镓的位错密度。掩膜层多以在衬底上制备以二氧化硅或氮化硅及其他介质材料的单层掩膜或以多种材料相结合的多层介质掩膜结构。虽然这类掩膜起到了降低位错的作用，但由于介质掩膜的厚度和非晶形态会给氮化镓带来小角度晶界和引入额外应力问题。此外，介质掩膜的良好稳定性使得生长后仍保留在样品之中，这将影响氮化镓的性能，如导电导热性能。另一方，目前也存在图案化异质衬底的侧向外延技术，即通过刻蚀工艺将衬底制备成周期性并存在深度差异的图案化结构，这类结构中衬底自身发挥了掩膜的作用，衬底的阻挡与位错的横向合并是氮化镓位错密度降低的主要原因，而位错密度的降低程度受到凹槽深度的影响。因此，我们提出了一种用图案化六方石墨烯掩膜生长氮化镓的方法，因石墨烯独有的表面无悬挂键特性氮化镓难以在其上成核而作为掩膜层，其与氮化镓层之间弱范德华力可克服失配的影响，生长后氮化镓的位错密度和应力都被大幅降低，改善了氮化镓的晶体质量，有着广泛的应用前景。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于图案化石墨烯掩膜制备具有良好均匀性的氮化镓薄膜的方法，能有效提高异质衬底上氮化镓薄膜的晶体质量，降低异质外延氮化镓的高位错密度与高应力。

2、实现本发明目的的技术方案是提供一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，在衬底层的表面采用等离子体增强化学气相沉积法生长多层石墨烯层；将石墨烯层通过光刻和刻蚀制备图案化六方石墨烯掩膜结构；对掩膜结构进行无机清洗，去除窗口区域内刻蚀残留的氧化物，采用金属有机化学气相沉积法两步生长氮化镓外延层，氮化镓第一步在六方掩膜的窗口成核生长，氮化镓第二步横向生长向掩膜中心聚合，得到完整的氮化镓薄膜。

3、本发明所述衬底层为蓝宝石基的氮化镓。

4、本发明提供的一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，所述的等离子体增强化学气相沉积法生长多层石墨烯层的工艺条件为离子源功率80w，生长温度800℃，生长时间90min，生长气体为甲烷、氢气和氩气。

5、本发明提供的一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，采用光刻与氧等离子体刻蚀制备图案化六方石墨烯掩膜结构，氧等离子体刻蚀的工艺条件为200sccm氧气气流通量，功率400w，刻蚀时间80s。所述的六方石墨烯掩膜结构，其窗口宽度为3～5微米，掩膜宽度为15～25微米。

6、本发明提供的一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，氮化镓第一步在六方掩膜的窗口成核生长的工艺条件为生长温度950～1000℃，压强450～550torr,ⅴ/ⅲ2000～2500，氨气15～20slm，三甲基镓25～35sccm；氮化镓第二步横向生长向掩膜中心聚合的工艺条件为生长温度1000～1100℃，压强250～350torr，v/ⅲ3500～4000，氨气50～60slm，三甲基镓55～65sccm。

7、本发明提供的一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，将样品置于温度为60℃、浓度为38%的盐酸中，浸泡10分钟，对掩膜结构进行无机清洗。

8、本发明中，先通过等离子体增强化学气相沉积法获得的完整多层石墨烯，然后经光刻、刻蚀等工艺将多层完整石墨烯层制备成图案化六方石墨烯掩膜，并以两步法生长参数生长氮化镓。本发明的优势主要分为以下三个部分：

9、1.本发明采用等离子体增强化学气相沉积法能直接在目标衬底上生长石墨烯，有效避免了污染与人为因素造成的石墨烯的破损问题。

10、2.由于石墨烯材料具有自身优势，石墨烯表面缺乏悬挂键这一特性使其成为了良好的掩膜材料，起到阻挡衬底氮化镓位错的作用；石墨烯掩膜层与外延氮化镓层的范德华力能够克服晶格失配的影响，改善氮化镓的应力；还由于石墨烯自身优异的物化性质，具有良好的导电导热性，能够有效改善氮化镓基器件的稳定性与散热性能；同时，石墨烯的超薄厚度不会引起氮化镓的小角度晶界问题。

11、3.本发明采用图案化六方掩膜结构，相较于一维光栅条带状掩膜，图案化六方掩膜具有六个窗口区域，氮化镓合并成膜的速度更快；由于氮化镓自身的各向异性，在一维光栅条带状掩膜上生长的氮化镓薄膜的表面可能会出现不均匀问题，采用本发明提供的图案化六方石墨烯掩膜可多方向调控生长，氮化镓薄膜具有良好的均匀性。

技术特征：

1.一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，其特征在于：在衬底层的表面采用等离子体增强化学气相沉积法生长多层石墨烯层；将石墨烯层通过光刻和刻蚀制备图案化六方石墨烯掩膜结构；对掩膜结构进行无机清洗，去除窗口区域内刻蚀残留的氧化物，采用金属有机化学气相沉积法两步生长氮化镓外延层，氮化镓第一步先在六方掩膜的窗口成核生长，氮化镓第二步再横向生长向掩膜中心聚合，得到完整的氮化镓薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，其特征在于：所述衬底层为蓝宝石基的氮化镓。

3.根据权利要求1所述的一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，其特征在于：所述的等离子体增强化学气相沉积法生长多层石墨烯层的工艺条件为离子源功率80w，生长温度800℃，生长时间90min，生长气体为甲烷、氢气和氩气。

4.根据权利要求1所述的一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，其特征在于：采用光刻与氧等离子体刻蚀制备图案化六方石墨烯掩膜结构，氧等离子体刻蚀的工艺条件为200sccm氧气气流通量，功率400w，刻蚀时间80s。

5.根据权利要求1所述的一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，其特征在于：所述的六方石墨烯掩膜结构，其窗口宽度为3～5微米，掩膜宽度为15～25微米。

6.根据权利要求1所述的一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，其特征在于：氮化镓第一步在六方掩膜的窗口成核生长的工艺条件为生长温度950～1000℃，压强450～550torr,ⅴ/ⅲ2000～2500，氨气15～20slm，三甲基镓25～35sccm；氮化镓第二步横向生长向掩膜中心聚合的工艺条件为生长温度1000～1100℃，压强250～350torr，v/ⅲ3500～4000，氨气50～60slm，三甲基镓55～65sccm。

7.根据权利要求1所述的一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，其特征在于：将样品置于温度为60℃、浓度为38%的盐酸中，浸泡10分钟，对掩膜结构进行无机清洗。

技术总结
本发明涉及一种基于图案化石墨烯掩膜制备氮化镓薄膜的方法，在衬底层的表面采用等离子体增强化学气相沉积法生长多层石墨烯层；将石墨烯层通过光刻和刻蚀制备图案化六方石墨烯掩膜结构；对掩膜结构进行无机清洗，去除窗口区域内刻蚀残留的氧化物，采用金属有机化学气相沉积法两步生长氮化镓外延层，氮化镓第一步先在六方掩膜的窗口成核生长，氮化镓第二步再横向生长向掩膜中心聚合，得到完整的氮化镓薄膜。采用本发明提供的技术方案，通过调控温度、压强和Ⅴ/Ⅲ比等生长参数改变氮化镓的生长模式，生长的氮化镓最终侧向合并，得到高质量的氮化镓薄膜。结果显示图案化六方石墨烯掩膜能有效降低氮化镓因失配而产生的高位错密度，弛豫氮化镓的应力，提高氮化镓的晶体质量。

技术研发人员：曹冰,陶佳豪,李建洁,蔡鑫
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15