一种在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法。
背景技术
以GaN为代表的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大、热导率高和抗辐照能力强等特点，能够满足现代电子技术对高温、高频、高功率和抗辐照等性能的要求。其白光和紫光发光二极管、短波长激光器和紫外探测器等，在白光照明、紫外波段杀菌、高速彩色激光印刷和日盲波段探测等领域广泛应用；其微波功率器件因高功率密度和极限工作温度，使相同尺寸的天线拥有更远的距离和搜索能力；其电力电子器件损耗更低，效率更高，在电力系统的发电、输电、变电、配电和调度各个环节发挥节能效用，大大降低电力损耗。
由于同质衬底的匮乏，异质外延成为GaN材料和器件外延的主流方式。在异质外延衬底中，Si衬底具有尺寸大、成本低和导热性好的优点，且GaN基器件和模块可与现有的Si集成电路的互补金属氧化物半导体制备工艺相兼容。GaN基器件和Si基微电子器件的集成将为集成电路设计和应用提供更广阔的空间，是GaN材料和器件的发展趋势。但是Si集成电路产业所用的Si(100)衬底并不能生长出单晶GaN材料。这是由于Si(100)表面原子为四重对称，且表面重构产生两种悬挂键，导致氮化物生长时晶粒面内取向不一致。
针对Si(100)表面重构导致生长GaN时晶粒面内取向不一致的问题，目前并没有有效的解决方案。报道工作中，如V.Lebedev,et al.,J.Crystal Growth 230,426(2001)；S.Joblot,et al.,J.Crystal Growth 280,44(2005)；F.Schulze,et al.,Appl.Phys.Lett.87,133505(2005)，唯一的解决方法是使用斜切的Si(100)衬底解决衬底表面重构问题。但是衬底斜切导致Si材料中载流子迁移率等性质各向异性，并不能实际应用，从而限制了GaN基器件和Si基器件的集成发展。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法，首先利用非晶SiO2层屏蔽衬底表面重构导致的两种悬挂键信息，其次以可转移的二维石墨烯提供氮化物外延生长所需的六方模板，通过对石墨烯进行表面预处理产生悬挂键，并沉积AlN成核层，以生长高质量GaN单晶薄膜。本发明可实现Si(100)衬底上单晶GaN薄膜的生长，为GaN基器件与Si基器件的整合集成奠定了良好的基础。
本发明的技术方案如下：
一种在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法，包括以下步骤：
步骤1：在Si(100)衬底上形成非晶SiO2层；
步骤2：将单晶石墨烯转移至步骤1得到的Si(100)/SiO2衬底上；
步骤3：对单晶石墨烯表面进行预处理，产生悬挂键；
步骤4：在预处理后的单晶石墨烯上生长AlN成核层；
步骤5：在AlN成核层上外延生长GaN单晶薄膜。
优选的，步骤1形成非晶SiO2层的方法为化学气相沉积法或者热氧化法，SiO2层的厚度为50nm-1μm。
优选的，所述单晶石墨烯的层数为1-4层。通常是采用金属有机化合物气相沉积(MOVCD)或化学气相沉积(CVD)方法生长的单晶石墨烯。
步骤3优选采用等离子体刻蚀或氮化处理的方法对单晶石墨烯表面进行预处理。其中，对单晶石墨烯表面进行等离子体刻蚀的气体为氮气，等离子体功率为50-500W，刻蚀时间为1-100min。对单晶石墨烯表面进行氮化处理的方法是NH3刻蚀，优选在高温氢气气氛下NH3刻蚀，刻蚀温度为1000-1300℃，NH3流量为100-8000sccm，刻蚀时间为1-100min。
所述AlN成核层和GaN单晶薄膜的生长方法选自金属有机化合物气相沉积、分子束外延、氢化物气相外延和化学气相沉积中的一种。
优选的，采用MOVCD方法生长AlN成核层，生长温度为800-1200℃，生长压强为10-200mbar，V/III比为150-1500，AlN成核层的厚度为1-100nm。
优选的，采用MOVCD方法外延生长GaN单晶薄膜，生长温度为1000-1200℃，生长压强为10-200mbar，V/III比为500-5000，生长速率为1μm/h-5μm/h。
本发明在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法具有以下有益效果：
(1)通过引入非晶SiO2层和单晶石墨烯层，有效屏蔽了Si(100)表面重构导致的两种悬挂键信息，并为氮化物的生长提供了六方模板；
(2)通过对石墨烯表面进行预处理，形成悬挂键，为后续外延氮化物提供了成核点；
(3)通过沉积与外延GaN过程相兼容的AlN作为成核层提高石墨烯表面的成核密度，为外延GaN单晶薄膜提供成核点。
附图说明
图1是根据本发明在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜方法的流程图。
图2是本发明在Si(100)衬底上生长的GaN的(002)面XRDθ/2θ扫描曲线(A)和(102)面扫描曲线(B)。
图3是本发明在Si(100)衬底上生长的GaN表面形貌的扫描电子显微镜照片。
图4是本发明在Si(100)衬底上生长的GaN表面形貌原子力显微镜图片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚说明，以下结合两种具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。附图中未绘示或描述的实现方式，为所述技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
实施例1：
如图1所示，在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜，包括以下步骤：
步骤1：在Si(100)衬底用热氧化方法形成非晶SiO2层，SiO2层的厚度为50nm-1μm。
步骤2：将石墨烯转移至Si(100)/SiO2层上，所转移石墨烯为单晶石墨烯，石墨烯层数为1-4层。
步骤3：利用等离子体清洗机对转移至Si(100)/SiO2上的石墨烯进行刻蚀，刻蚀气体为氮气，等离子体功率为50-500W，刻蚀时间为1-100min；
步骤4：Si(100)/SiO2/石墨烯进行预处理之后沉积AlN成核层，沉积温度为800-1200℃，AlN成核层的厚度为1-100nm；
步骤5：在AlN成核层上外延生长GaN薄膜，生长温度为1000-1200℃，生长速率为1μm/h-5μm/h。
实施例2：
步骤1：在Si(100)衬底用等离子体化学气相沉积(PECVD)方法生长非晶SiO2层，SiO2层的厚度为50nm-1μm。
步骤2：将石墨烯转移至Si(100)/SiO2层上，所转移石墨烯为单晶石墨烯，石墨烯层数为1-4层。
步骤3：在金属有机化合物气相外延反应室中，在高温氢气气氛下用NH3对石墨烯表面进行刻蚀形成悬挂键，高温氢气气氛下NH3刻蚀的温度为1000-1300℃，NH3流量为100-8000sccm，刻蚀时间为1-100min；
步骤4：Si(100)/SiO2/石墨烯进行预处理之后原位沉积AlN成核层，沉积温度为800-1200℃，AlN成核层的厚度为1-100nm；
步骤5：在AlN成核层上外延生长GaN薄膜，生长温度为1000-1200℃，生长速率为1μm/h-5μm/h。
通过上述方法在Si(100)衬底上生长的GaN的(002)面XRDθ/2θ扫描曲线和(102)面扫描曲线如图2所示，说明Si(100)衬底上GaN为单晶。所生长的GaN表面形貌的扫描电子显微镜照片和原子力显微镜图片分别如图3和图4所示，可以看出，在Si(100)衬底上GaN形成了连续均匀的薄膜，GaN表面原子台阶形貌明显，且位错露头较少。
以上所述的两种具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不应用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
