一种基于金属衬底的氮化物模板及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及半导体技术以及通信领域，特别涉及一种基于金属衬底的氮化物模板及其制备方法和应用。

背景技术

目前，氮化物材料异质外延的衬底可选择性较低，主要为蓝宝石材料。针对于蓝宝石衬底和氮化物材料之间固有的晶格失配和热膨胀系数差异，氮化物外延层中不可避免地出现大量的位错密度和高的残余应力。此外，蓝宝石衬底质脆易碎、刚性较强，完全不适用氮化物基器件的柔性应用；更为重要地，蓝宝石的导热性能较差(热导率25W/mK)，导致高功率氮化物基器件的发热累积、无法得到有效释放，影响器件的寿命和稳定性。通常，为满足高功率氮化物基器件的散热需求，需要采用激光剥离或机械研磨等工艺去除或减薄蓝宝石衬底，再将器件外延层结构转移并与高热导率材料(如：金属和导热陶瓷)复合以降低热聚集效应。然而，这必然使器件的制备工艺变得更加复杂，增加制造成本；同时衬底剥离过程中的机械损伤还将导致器件性能下降、良品率降低。

金属材料本身具有非常出色的延展性，作为氮化物材料的外延衬底有望拓展器件在柔性方面的应用潜力。此外，相较于蓝宝石衬底，金属的热导率(Mo：138W/mK)显著提高，有助于解决大电流注入下器件的发热问题。因此，如何实现金属衬底上高质量氮化物材料以及高性能器件结构的外延具有十分重要的意义和价值。然而，由于金属材料的化学活泼性，基于MBE和MOCVD的氮化物高温外延生长工艺将使得金属衬底和外延层之间发生强烈的化学反应，造成氮化物材料的掺杂解析和相分离。因此，现有的金属衬底上氮化物材料的外延通常采用脉冲激光沉积(PLD)等低温沉积工艺，避免上述的化学反应；但是，由于钙沉积方式温度较低，不能够为高质量氮化物材料生长提供充足的反应能量，外延材料的结晶质量较低。近期，相关研究提出以石墨烯作为缓冲插入层，在金属衬底上实现氮化物材料的外延，能够在一定程度上抑制界面反应，但材料晶体质量还有待进一步提高。

因此，需要通过外延衬底结构的精确设计，有效抑制氮化物外延过程中的应力和缺陷形成，实现高质量、无应力氮化物材料以及高性能器件的制备。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于金属衬底的氮化物模板及其制备方法和应用，解决或至少部分解决现有技术中存在的技术缺陷。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于金属衬底的氮化物模板，包括：

金属衬底；

二维材料薄膜，其位于所述金属衬底一侧面；

惰性材料图形掩膜层，其位于所述二维材料薄膜远离所述金属衬底的侧面；

氮化物外延层，其位于所述惰性材料图形掩膜层远离所述金属衬底的侧面；

所述二维材料薄膜的表面经活化处理用于为氮化物材料的生长提供成核位点，所述二维材料薄膜还用于抑制高温外延过程的界面反应；所述惰性材料图形掩膜层实现氮化物材料的选区外延，进而实现横向过外延生长，降低所述氮化物外延层中的位错密度，提高外延层晶体质量。

进一步地，所述金属衬底的材质为Mo、W、V、Cr和Ta中的任意一种。

进一步地，所述二维材料薄膜的材质为石墨烯、h-BN、WS

进一步地，所述惰性材料图形掩膜层的材质为SiO

本发明还提供一种如上所述的基于金属衬底的氮化物模板的制备方法，包括以下步骤：

S1金属衬底/二维材料薄膜双层结构的制备：采用CVD法在所述金属衬底上直接外延生长所述二维材料薄膜，或者在催化金属Ni或Cu箔上采用CVD法生长所述二维材料薄膜，再通过湿法转移工艺将所述二维材料薄膜转移到所述金属衬底上；

S2惰性材料图形掩膜层的制备：在所述二维材料薄膜表面沉积一定厚度的惰性薄膜，再在惰性薄膜上制备掩膜图形；

S3所述二维材料薄膜的活化处理：先采用等离子处理，再基于MBE或MOCVD法对所述二维材料薄膜进行高温氮化处理形成N原子的有效掺杂，形成金属复合衬底；

S4氮化物外延层的制备：先采用等离子处理，再基于MBE和MOCVD法在所述金属复合衬底上外延生长氮化物材料。

进一步地，步骤S1中，所述二维材料薄膜的材质为石墨烯时，采用CH

所述二维材料薄膜的材质为h-BN时，采用NH

所述二维材料薄膜的材质为WS

进一步地，步骤S2中，在惰性薄膜上制备掩膜图形的方法为光刻、纳米压印和聚焦离子束刻蚀中的任意一种；

掩膜图形的尺寸、形状和周期可设计，惰性薄膜的厚度可设计。

进一步地，步骤S2中，采用光刻工艺在惰性薄膜上制备光刻胶掩膜图形，然后利用反应离子刻蚀的方法去除无光刻胶覆盖区域的惰性薄膜且控制刻蚀厚度小于惰性薄膜的厚度，之后采用HF溶液化学腐蚀去除剩余的光刻胶覆盖区域的惰性薄膜，采用二步法去除工艺可以避免直接的反应离子刻蚀对所述二维材料薄膜的损伤，最后采用有机溶剂去除光刻胶掩膜；

其中，无光刻胶覆盖区域的惰性薄膜的刻蚀厚度大于其剩余厚度。

本发明还提供一种基于金属衬底的氮化物模板在AlGaN基深紫外LEDs器件应用，采用上述的基于金属衬底的氮化物模板作为衬底，依次外延n-AlGaN电子传输层、高低Al组分交替的AlGaN多量子阱结构、p-AlGaN空穴传输层。

本发明还提供一种基于金属衬底的氮化物模板在GaAs或InP第二代半导体材料的外延和器件中应用，采用上述的基于金属衬底的氮化物模板作为衬底，生长外延材料或者器件；

所述器件为LEDs、光电探测器和HEMT中的任意一种。

本发明的基于金属衬底的氮化物模板及其制备方法，采用金属衬底/二维材料薄膜/惰性材料图形掩膜层的复合金属衬底结构，金属衬底有助于解决大电流注入下器件的发热问题，提高散热能力；二维材料薄膜能够有效抑制高温外延过程的界面反应；惰性材料图形掩膜层用于实现氮化物材料的横向过外延生长，提高外延层晶体质量。其中，二维材料薄膜经活化处理增加了二维材料薄膜与惰性材料图形掩膜层上氮化物成核能垒的差异，提高氮化物成核生长位点的选择性；能够实现高质量、无应力氮化物材料的直接高温外延生长。本发明具有较高的可扩展性，适用于深紫外LEDs器件应用中，同样也适用于GaAs、InP等第二代半导体材料的外延与器件应用，包括但不限于LEDs、光电探测器和HEMT等；基于现存的半导体器件工艺技术提出的，同时适用于英寸级的生产技术。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于金属衬底的氮化物模板的结构示意图；

图2为本发明基于金属衬底的氮化物模板的制备方法的工艺流程示意图；

图3为本发明实施例2中AlGaN基深紫外LEDs器件的结构示意图；

附图标记说明：1-金属衬底；2-二维材料薄膜；3-惰性材料图形掩膜层；4-氮化物外延层。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本申请的限制。

本发明提供一种基于金属衬底的氮化物模板，如图1所示，包括：

金属衬底1；

二维材料薄膜2，其位于所述金属衬底一侧面；

惰性材料图形掩膜层3，其位于所述二维材料薄膜远离所述金属衬底的侧面；

氮化物外延层4，其位于所述惰性材料图形掩膜层远离所述金属衬底的侧面；

所述二维材料薄膜2的表面经活化处理用于为氮化物材料的生长提供成核位点，所述二维材料薄膜2还用于抑制高温外延过程的界面反应；所述惰性材料图形掩膜层3实现氮化物材料的选区外延，进而实现横向过外延生长，降低所述氮化物外延层4中的位错密度，提高外延层晶体质量。

其中，金属衬底1的材质采用高熔点的金属材料，包括但不限于Mo、W、V、Cr和Ta等，金属衬底1作为初始的支撑衬底。

二维材料薄膜2的材质采用化学/热稳定性较强的低维材料，例如石墨烯、h-BN和过渡金属二硫属化合物(TMDs)，二维材料薄膜2作为缓冲插入层。由于二维材料表面无悬挂键且结构稳定，能够避免氮化物高温生长过程中的界面反应。

基于金属材料本身的催化活性，采用化学气相沉积法(CVD)在金属衬底1上直接外延生长二维材料薄膜2。对于石墨烯，采用CH

此外，对于传统的催化金属Ni和Cu箔上CVD生长的二维材料薄膜2，还可以通过湿法转移工艺将二维材料转移到Mo和W等金属支撑衬底1上，实现金属衬底/二维材料薄膜双层结构的构建。

惰性材料图形掩膜层3的材质包括但不限于SiO

本发明还提供一种如上所述的基于金属衬底的氮化物模板的制备方法，其工艺流程示意图如图2所示，包括以下步骤：

S1金属衬底/二维材料薄膜双层结构的制备：采用CVD法在所述金属衬底1上直接外延生长所述二维材料薄膜2，或者在催化金属Ni或Cu箔上采用CVD法生长所述二维材料薄膜2，再通过湿法转移工艺将所述二维材料薄膜转移到所述金属衬底1上；

S2惰性材料图形掩膜层3的制备：在所述二维材料薄膜2表面沉积一定厚度的惰性薄膜，再在惰性薄膜上制备掩膜图形；

S3所述二维材料薄膜的活化处理：基于MBE或MOCVD法对所述二维材料薄膜2进行高温氮化处理形成N原子的有效掺杂，形成金属复合衬底；

S4氮化物外延层4的制备：基于MBE和MOCVD法在所述金属复合衬底上外延生长氮化物材料。

其中，步骤S2中，在惰性薄膜上制备掩膜图形的方法灵活多样，可以为光刻、纳米压印和聚焦离子束刻蚀等中的任意一种；掩膜图形的尺寸、形状和周期等几何参数灵活可调，惰性薄膜的厚度根据实际需求也可作适当调整。

例如：采用光刻工艺在惰性薄膜上制备光刻胶掩膜图形，然后利用反应离子刻蚀的方法去除无光刻胶覆盖区域的惰性薄膜且控制刻蚀厚度小于惰性薄膜的厚度，之后采用HF溶液化学腐蚀去除剩余的光刻胶覆盖区域的惰性薄膜，采用二步法去除工艺可以避免直接的反应离子刻蚀对所述二维材料薄膜的损伤，最后采用有机溶剂去除光刻胶掩膜；其中，无光刻胶覆盖区域的惰性薄膜的刻蚀厚度大于其剩余厚度。

步骤S3中，未处理的二维材料薄膜分子结构完整，面外无悬挂键结构，难以为氮化物材料的外延提供成核位点，因此，先采用等离子处理在一定程度上破坏二维材料表面的化学键，形成悬挂键结构，再基于MBE或MOCVD的高温氮化处理形成N原子的有效掺杂，提高反应活性，作为后续氮化物材料生长的成核位点。

步骤S4中，基于MBE和MOCVD法在所述金属复合衬底上外延生长氮化物材料。由于活化后的二维材料薄膜2具有较高的反应活性，对比于SiO

本发明还提供一种基于金属衬底的氮化物模板在AlGaN基深紫外LEDs器件应用，采用上述的基于金属衬底的氮化物模板作为衬底，依次外延n-AlGaN电子传输层、高低Al组分交替的AlGaN多量子阱结构、p-AlGaN空穴传输层。结合基于金属衬底的氮化物模板在散热方面的优势，对深紫外LEDs器件各功能层的厚度、材料组分和掺杂进行适当的设计。深紫外LEDs器件的制备可采用传统的半导体器件工艺，主要包括器件台面刻蚀和金属电极的沉积。本发明具有较高的可扩展性，同样适用于GaAs、InP等第二代半导体材料的外延与器件应用，包括但不限于LEDs、光电探测器和HEMT等。

实施例1

基于金属衬底的AlN模板，其制备过程如下：

步骤S1：采用2inch的双面抛光金属Mo衬底1，厚度230μm，表面均方根粗糙度低于2nm。将金属Mo衬底1置于双温区CVD设备的高温区，设置温度为950℃；低温区放置S粉，设置温度为140℃。以Ar作为载气，H

步骤S2：在Mo金属衬底/二维MoS

步骤S3：基于空气(主要成分为O

步骤S4：将金属复合衬底结构置于MOCVD中，通入5000sccm的NH

实施例2

AlGaN基深紫外LEDs器件，如图3所示，其制备过程如下：

基于实施例1制备的金属衬底的AlN模板，依次外延n-AlGaN电子传输层、高低Al组分交替的AlGaN多量子阱结构、p-AlGaN空穴传输层等深紫外LEDs的器件功能层。其中，n-AlGaN层厚度400-500nm，Si掺杂浓度5×10

但是，基于传统的半导体器件工艺制备深紫外LEDs的台面结构，具体过程为：基于PECVD在深紫外LEDs外延片上沉积500nm SiO

本发明的基于金属衬底的氮化物模板及其制备方法，采用金属衬底/二维材料薄膜/惰性材料图形掩膜层的复合金属衬底结构，金属衬底有助于解决大电流注入下器件的发热问题，提高散热能力；二维材料薄膜能够有效抑制高温外延过程的界面反应；惰性材料图形掩膜层用于实现氮化物材料的横向过外延生长，提高外延层晶体质量。其中，二维材料薄膜经活化处理增加了二维材料薄膜与惰性材料图形掩膜层上氮化物成核能垒的差异，提高氮化物成核生长位点的选择性；能够实现高质量、无应力氮化物材料的直接高温外延生长。本发明具有较高的可扩展性，适用于深紫外LEDs器件应用中，同样也适用于GaAs、InP等第二代半导体材料的外延与器件应用，包括但不限于LEDs、光电探测器和HEMT等；基于现存的半导体器件工艺技术提出的，同时适用于英寸级的生产技术。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。