在金刚石衬底上制备GaN薄膜的方法与流程

在金刚石衬底上制备gan薄膜的方法
技术领域
1.本发明涉及一种在金刚石衬底上制备gan薄膜的方法，属于宽禁带半导体材料技术领域。


背景技术：

2.长期以来，人们一直努力将化学气相沉积(cvd)金刚石和gan集成，一直在寻求将它们的最佳性能结合起来，以实现高性能电力电子设备。金刚石具有高导热性、宽带隙、大击穿场和高空穴迁移率等优异特性，一直被认为是电力电子应用的潜在优良材料。另一方面，gan也是一种宽带隙半导体，具有大临界电场、高电子迁移率和饱和速度，并在具有成本效益的gan-on-si晶圆上具有大规模制造能力。如果能将两者集成到一起，就可以获得更优良性能的材料，目前微晶金刚石薄膜的高热导率已被用于gan电力电子器件的散热。对于金刚石-gan的集成，人们提出了不同的策略，目前的金刚石基gan晶片(gan-on-diamond)制备技术包括三种策略：gan与金刚石结合、金刚石在gan上的外延生长和gan在金刚石上的外延生长。由于大的晶格失配和热失配，金刚石基gan晶片的集成受到应力、弯曲、裂纹、界面粗糙和热边界电阻大的影响。过渡层或缓冲层的界面阻碍了来自器件通道的热流，并极大地影响了器件性能。因此，找到合适的金刚石与gan的结合策略，是亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于金刚石多晶薄膜衬底上制备高质量的gan薄膜的方法。
4.本发明采用的技术方案为：
5.一种在金刚石衬底上制备gan薄膜的方法，在常规衬底上生长gan纳米柱，在gan纳米柱上生长多晶金刚石薄膜，除去常规衬底，以多晶金刚石薄膜为衬底，以多晶金刚石薄膜上的gan纳米柱为成核层，在其上生长gan薄膜。常规衬底通常采用si衬底，也可以采用其他易于去除的衬底。
6.优选的，其步骤包括：
7.1)清洗si衬底以去除si衬底表面的氧化物；
8.2)利用pa-mbe法在si衬底上进行gan纳米柱的生长，获得有gan纳米柱的样品；
9.3)在样品生长有gan纳米柱的面上进行金刚石粉的种晶；
10.4)在种晶后的样品利用mpcvd法进行多晶金刚石薄膜的生长；
11.5)将生长过金刚石薄膜的样品去除si衬底；
12.6)以金刚石薄膜作为衬底，采用mocvd法在样品生长有gan纳米柱的面上进行gan薄膜生长。
13.优选的，步骤1)中清洗为将si衬底放入boe或者hf溶液中清洗5～10分钟。
14.优选的，步骤2)中生长温度为760℃～800℃，ga束流量控制在1.0x10-8torr～5.0x10-8torr之间，生长时间为3～5小时。
15.优选的，步骤3)中种晶是指将样品置于金刚石粉悬浊液中反复涮洗后烘干，直至表面均匀无明显颗粒聚集。
16.优选的，步骤3)中采用的金刚石粉悬浊液中金刚石粉粒径为50nm，金刚石粉悬浊液的溶剂为甲醇或乙醇。
17.优选的，步骤4)中利用mpcvd法生长多晶金刚石薄膜，分为两步，第一步生长周期结构，h2流量为400sccm，ch4流量为8～20sccm，功率2500w，温度为960～1000℃，生长时间为25～35小时；第二步生长金刚石薄膜，h2流量为600sccm，ch4流量为12sccm，功率4500w，温度为1000～1050℃，生长时间为20-30小时。
18.优选的，步骤5)中采用腐蚀液去除样品中的si衬底，腐蚀液为体积比hf：hno3：h2o＝1：1：1的溶液，腐蚀时间根据si衬底的厚度来确定，300-400微米的si衬底腐蚀时间为30min-60min。
19.优选的，步骤6)中在800～1800℃的温度内，以tmga为ga源，nh3为n源，进行gan薄膜的生长。
20.现有技术无法在金刚石单晶或者多晶薄膜衬底上生长出gan纳米柱，如前所述，直接在金刚石单晶或者多晶薄膜衬底上生长gan薄膜，由于晶格失配和热失配，成膜质量差。本发明提供了一种新的金刚石基gan晶片的制备思路，利用基于金刚石衬底的gan纳米柱形成成核层，以生长后的金刚石薄膜作为衬底，去除硅后，金刚石薄膜上集成了gan纳米柱，以gan纳米柱作为中间层生长gan薄膜，由于gan纳米柱能够极大的缓解gan和金刚石衬底之间的晶格失配产生的应力，可以避免金刚石衬底直接外延gan薄膜的应力和晶格取向问题，另外，在gan纳米柱表面生长金刚石薄膜，有利于提高形核密度，提高金刚石薄膜的均匀性，从而获得高质量的金刚石基gan晶片。
21.本发明的有益效果为：
22.(1)采用mbe制备自组装gan纳米柱，可以实现si基衬底与gan纳米柱的异质外延，利用纳米柱结构避免了由于gan与si之间晶格失配带来的应力，同时纳米柱密集，纳米柱间隙有利于金刚石种晶，采用纳米柱更容易获得较高的形核密度，有利于金刚石薄膜的均匀性。
23.(2)种晶过程多次涮洗有利于使种晶更加均匀，从而避免因为种晶不均匀导致的金刚石薄膜高低起伏。
24.(3)采用周期结构 快速生长的模式来进行金刚石薄膜的生长，可以有效地缓解gan纳米柱外延金刚石薄膜带来的晶格失配应力，使gan纳米柱与金刚石薄膜结合更加充分，降温后金刚石薄膜也不会因过大的晶格失配应力而碎裂，保证了金刚石薄膜的完整性，周期结构生长速率约为3-5μm/h，后续再进行快速生长，采用大功率，高流量的生长方式，在周期结构上继续外延金刚石，金刚石的生长速率＞10μm/h，使金刚石薄膜变厚，足以在后续剥离si衬底后自支撑，既使由异质外延导致的应力得到释放，又保证了金刚石薄膜的生长厚度。
25.(4)利用hf：hno3：h2o配置的溶液去除si衬底，腐蚀si衬底的速度约为200μm/10min，可在较短时间内腐蚀掉si衬底，同时该溶液不与gan、金刚石进行反应，可以达到选择腐蚀si的效果，从而不会损伤样品。
附图说明
26.图1为金刚石衬底异质外延gan薄膜的生长结构过程示意图，附图标记：1、si衬底，2、gan纳米柱，3、金刚石，4gan薄膜。
27.图2为实施例1中pa-mbe生长的si上gan纳米柱的sem鸟瞰图。
28.图3为实施例1中pa-mbe生长的si上gan纳米柱的sem截面图。
29.图4为实施例1中mpcvd制备的gan纳米柱上金刚石薄膜sem截面图。
30.图5为实施例1中mpcvd制备的gan纳米柱上金刚石薄膜sem截面图。
31.图6为实施例1中mpcvd制备的gan纳米柱上金刚石薄膜sem截面图。
32.图7为实施例1中mocvd制备的金刚石衬底上gan薄膜xrc图。
33.图8为实施例1中mocvd制备的金刚石衬底上gan薄膜sem表面图。
34.图9为实施例2中mpcvd制备的gan纳米柱上金刚石薄膜sem截面图。
35.图10为实施例3中mpcvd制备的gan纳米柱上金刚石薄膜sem截面图。
具体实施方式
36.以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.实施例1
38.如图1结构所示，本发明例在金刚石衬底上制备gan薄膜的具体步骤包括：
39.1)将si衬底1依次用丙酮、酒精、水超声清洗5min后放于boe中清洗5min；
40.2)将si衬底放于pa-mbe中，在780℃的温度下进行gan纳米柱2的生长，生长ga的束流为2x10-7 torr，氮气流量为1sccm，生长时间3小时；
41.3)将gan纳米柱样品置于乙醇的金刚石悬浊液中反复涮洗5-10次后用烘干灯进行烘干，直至表面均匀无明显颗粒；
42.4)将进行过种晶后的gan纳米柱样品放于mpcvd中进行金刚石薄膜3生长，第一步生长采用周期结构，轮流采用高-低ch4流量，h2流量为400sccm，ch4流量分别为8、20sccm，功率2500w，温度为960℃，生长时间为24小时，随后进行第二步生长，h2流量为600sccm，ch4流量为12sccm，功率4500w，温度为1030℃，生长时间为25小时。
43.5)将生长过金刚石薄膜的gan纳米柱样品放入hf：hno3：h2o＝1：1：1共约100ml的溶液中进行腐蚀30min，随后将金刚石薄膜用水涮洗，氮气枪吹干；
44.6)将金刚石薄膜作为衬底放入mocvd，gan纳米柱在上，金刚石薄膜在下，利用tmga为ga源，nh3为n源，在1030℃进行gan薄膜4生长，在生产过程中，gan纳米柱顶部与gan薄膜融合形成一个整体，gan纳米柱底部并不融合，仍然为纳米柱结构；
45.gan纳米柱的扫描电子显微镜(sem)鸟瞰图和截面图如图2、3所示，gan纳米柱上生长金刚石薄膜的截面图如图4、5、6所示，gan的x射线衍射摇摆曲线图(xrc)如图7所示，表面薄膜sem图如图8所示。可以看到在si片上生长了gan纳米柱，经过4、5、6的表征可得知，在gan纳米柱上成功生长了金刚石薄膜，图7、8显示在金刚石衬底上成功制备了c面的gan薄膜。
46.实施例2
47.如图1结构所示，本发明例在金刚石衬底上制备gan薄膜的具体步骤包括：
48.1)将si衬底依次用丙酮、酒精、水超声清洗5min后放于boe中清洗5min；
49.2)将si衬底放于pa-mbe中，在780℃的温度下进行gan纳米柱的生长，生长ga的束流为2x10-7 torr，氮气流量为1sccm，生长时间3小时；
50.3)将gan纳米柱样品置于乙醇的金刚石悬浊液中反复涮洗5-10次后用烘干灯进行烘干，直至表面均匀无明显颗粒；
51.4)将进行过种晶后的gan纳米柱样品放于mpcvd中进行金刚石薄膜生长，轮流采用高-低ch4流量，h2流量为400sccm，ch4流量分别为8、20sccm，功率2500w，温度为960℃，生长时间为24小时，截面sem为图8。
52.5)将生长过金刚石薄膜的gan纳米柱样品放入hf：hno3：h2o＝1：1：1共约100ml的溶液中进行腐蚀30min，随后将金刚石薄膜用水涮洗，氮气枪吹干；
53.实施例3
54.如图1结构所示，本发明例在金刚石衬底上制备gan薄膜的具体步骤包括：
55.1)将si衬底依次用丙酮、酒精、水超声清洗5min后放于boe中清洗5min；
56.2)将si衬底放于pa-mbe中，在780℃的温度下进行gan纳米柱的生长，生长ga的束流为2x10-7 torr，氮气流量为1sccm，生长时间3小时；
57.3)将gan纳米柱样品置于乙醇的金刚石悬浊液中反复涮洗5-10次后用烘干灯进行烘干，直至表面均匀无明显颗粒；
58.4)将进行过种晶后的gan纳米柱样品放于mpcvd中进行金刚石薄膜生长，h2流量为600sccm，ch4流量为12sccm，功率4500w，温度为1030℃，生长时间为25小时，截面sem图为图9。
59.实施例2中gan纳米柱上生长金刚石薄膜的截面图如图8所示，只进行了周期结构的生长，金刚石薄膜生长速率较慢，厚度较薄，在步骤5)进行si衬底的去除时，发生碎裂；实施例3中gan纳米柱生长金刚石薄膜没有生长周期结构，生长的金刚石质量较差，由此表明采用周期结构 快速生长两种模式的结合是有必要的。