半导体同质衬底及其制备方法、同质外延层的制备方法与流程

本发明涉及半导体材料制备技术领域，特别是涉及一种半导体同质衬底及其制备方法、同质外延层的制备方法。

背景技术：

半导体技术是现代高科技产业的基石，到目前为止，半导体材料大致经历了三个发展阶段，第一代以Si、Ge为代表，第二代以GaAs为代表(包含其In、P等合金)，第三代以GaN(包含其In、Al等合金)、ZnO、SiC为代表。在当前的半导体技术中，单晶材料是实现高性能半导体器件的必要前提条件。

目前,单晶半导体材料主要通过单晶锭线切割获得晶片(例如：Si,Ge,GaAs,SiC等)，或者异质单晶衬底外延获得单晶薄膜(例如：GaN系列)。然而，传统的线切割加工会造成大量的材料浪费，例如，使用100μm粗的切割线获得170μm厚的晶片，会造成50％以上的材料损耗，而且由于高破损率，传统的线切割技术也无法获得薄晶片(几微米到几十微米厚，足够实现绝大部分半导体器件功能)。而对于GaN，由于其高熔点及高离解压，体单晶生长极其困难，商业上通常采用蓝宝石或者SiC衬底异质外延生长单晶薄膜，但是蓝宝石与GaN晶格失配13.9％，热失配30％，这种高热失配和晶格失配会在外延薄膜中产生高位错密度，影响晶体质量；另一方面，SiC虽然与GaN晶格失配和热失配很小，但是SiC与GaN浸润性差，需添加缓冲层，缓冲层通常具有较高位错密度，同样也使得外延GaN薄膜具有较高位错密度。

在器件设计方面，蓝宝石的低导热导电率以及碳化硅衬底对光的强吸收，还极大阻碍了大功率LED的发展。另外，对于以GaAs为基础的III-V族多结太阳能电池，通常以Ge或者GaAs单晶晶片为衬底进行连续外延生长不同帯隙宽度的结区单元，为了获得高晶体质量，必须保证相邻结层材料间晶格匹配；而为了获得最佳的光伏转换效率，又要求各结层帯隙匹配，即帯隙的分布与太阳光谱匹配，能最大限度实现光电转换，但是通常无法同时实现晶格匹配和帯隙匹配，需要在不同的结区材料之间插入晶格渐变层消除晶格失配，同时还要加入外延阻挡层防止不同结层间的组分扩散，这样导致III-V族多结太阳能电池的制作工艺极其复杂、繁琐、耗时，成本昂贵。

简而言之，当前的半导体技术还存在以下几大难点：晶片切割技术存在大量材料浪费；GaN基半导体缺乏同质衬底，薄膜质量和器件性能存在大量提升空间；GaAs基外延叠层器件因晶格匹配和帯隙匹配设计，工艺成本昂贵；晶片厚度可选择自由度小，不利于轻质、柔性器件的发展以及相关导电、导热以及光学等方面的合理设计。

因此，如何改善上述半导体技术难题，以制备出可转移的、厚度可控制的单晶晶片或薄膜，是亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半导体同质衬底及其制备方法、同质外延层的制备方法，用于解决现有技术中晶片切割技术存在大量材料浪费；GaN基半导体缺乏同质衬底，薄膜质量和器件性能存在大量提升空间；GaAs基外延叠层器件因晶格匹配和帯隙匹配设计，工艺成本昂贵；晶片厚度可选择自由度小，不利于轻质、柔性器件的发展以及相关导电、导热以及光学等方面的合理设计等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种半导体同质衬底的制备方法，其中，所述半导体同质衬底的制备方法至少包括如下步骤：

提供一母衬底；

于所述母衬底表面形成至少由若干个周期结构单元组成的周期结构；

于所述母衬底及周期结构表面形成用于实现选择性外延生长的外延阻挡层；

于每个所述周期结构单元的顶部对应形成外突型籽晶，从而形成至少由若干个所述外突型籽晶构成的籽晶阵列，最终得到所述半导体同质衬底。

优选地，于所述母衬底表面形成至少由若干个周期结构单元组成的周期结构，具体方法为：

于所述母衬底表面形成具有预设周期结构图形的掩膜层；

基于所述掩膜层的图形于所述母衬底上形成周期结构，其中，所述周期结构至少包括阵列排布的若干个形状相同的周期结构单元；

去除所述掩膜层。

优选地，于每个所述周期结构单元的顶部对应形成外突型籽晶，从而形成至少由若干个所述外突型籽晶构成的籽晶阵列，具体方法为：

于所述外延阻挡层上及所述周期结构的各个周期结构单元之间填充熔体，并进行固化；

去除所述周期结构的各个周期结构单元顶部的熔体固化物质和相应的外延阻挡层，以暴露所述周期结构的各个周期结构单元的顶部；

去除剩余的熔体固化物质，以使每个所述周期结构单元被暴露的顶部作为一个外突型籽晶，同时使每个所述周期结构单元被外延阻挡层包覆的部分作为所述外突型籽晶的支撑部，从而形成至少由若干个外突型籽晶构成的籽晶阵列，最终得到所述半导体同质衬底。

优选地，于所述外延阻挡层上及所述周期结构的各个周期结构单元之间填充熔体，并进行固化，具体方法为：

将形成所述外延阻挡层后的衬底结构浸没于一熔体中，然后取出倾斜放置，并保持环境温度高于所述熔体物质熔点，使所述外延阻挡层上及所述周期结构的各个周期结构单元之间的空隙被所述熔体填满，且使多余的熔体自动流淌离开衬底结构表面；

将填满所述熔体的衬底结构水平放置，并仍保持所述环境温度高于所述熔体物质熔点，静置以使所述熔体在所述周期结构的各个周期结构单元之间均匀填充；

将静置后的衬底结构冷却至室温，以使所述熔体固化。

优选地，去除所述周期结构的各个周期结构单元顶部的熔体固化物质和相应的外延阻挡层，以暴露所述周期结构的各个周期结构单元的顶部，具体方法为：

将固化所述熔体后的衬底结构放置在低溶解性溶剂中，使所述熔体固化物质微溶，去除所述周期结构的各个周期结构单元顶部的熔体固化物质，以暴露出所述周期结构的各个周期结构单元顶部的外延阻挡层；

去除所述周期结构的各个周期结构单元顶部的外延阻挡层，以暴露出所述周期结构的各个周期结构单元的顶部。

优选地，所述低溶解性溶剂为可控制的以慢速溶解去除所述周期结构的各个周期结构单元顶部的熔体固化物质的有机溶剂。

优选地，在去除剩余的熔体固化物质时，采用高溶解性溶剂完全溶解去除剩余的熔体固化物质，所述高溶解性溶剂为可快速溶解完全去除剩余的熔体固化物质的有机溶剂。

优选地，所述熔体为采用熔融温度小于等于300℃且能够溶解于有机溶剂的疏水有机固体物质，进行熔融后得到的液体。

优选地，所述低溶解性溶剂为可控制地以慢速溶解去除所述周期结构的各个周期结构单元顶部的熔体固化物质的有机溶剂。

优选地，在所述母衬底及周期结构表面与所述外延阻挡层之间，还形成一用于阻止氧元素向半导体内部扩散的扩散阻止层；在去除所述周期结构的各个周期结构单元顶部的熔体固化物质和外延阻挡层时，还去除相应位置的扩散阻止层，以暴露所述周期结构的各个周期结构单元的顶部。

优选地，所述周期结构单元为柱状、条状、带状、波浪状、锥状或者不规则形状。

优选地，所述母衬底为单晶晶片或者生长在异质单晶片上的目标半导体外延单晶薄膜。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种半导体同质衬底，其中，所述半导体同质衬底至少包括：

母衬底；

形成于所述母衬底表面的至少由若干个周期结构单元组成的周期结构；

形成于所述母衬底及周期结构表面用于实现选择性外延生长的外延阻挡层；

对应形成于每个所述周期结构单元的顶部的外突型籽晶，从而形成的至少由若干个所述外突型籽晶构成的籽晶阵列。

优选地，所述周期结构单元为柱状、条状、带状、波浪状、锥状或者不规则形状。

优选地，所述母衬底为单晶晶片或者生长在异质单晶片上的目标半导体外延单晶薄膜。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种同质外延层的制备方法，其中，所述同质外延层的制备方法至少包括如下步骤：

采用如上所述的半导体同质衬底的制备方法，制备半导体同质衬底；

于所述半导体同质衬底上形成同质外延层，所述同质外延层为外延单晶晶片或薄膜；

从所述半导体同质衬底上剥离转移所述同质外延层；

其中，剥离转移所述同质外延层后的半导体同质衬底适于重复使用于形成所述同质外延层的步骤中。

优选地，于所述半导体同质衬底上形成同质外延层，具体方法为：

于所述半导体同质衬底上进行选择性同质外延生长，以使所述籽晶阵列中各离散的外突型籽晶长大合并形成无孔连续的外延单晶晶片或薄膜，从而得到与所述外突型籽晶化学组分相同的同质外延层；其中，所述同质外延层与所述母衬底之间通过所述周期结构的各个周期结构单元被外延阻挡层包覆的部分连接。

优选地，所述半导体同质衬底经过多次重复使用后，在从所述半导体同质衬底上剥离转移所述同质外延层之前，对所述半导体同质衬底中包覆在每个所述周期结构单元外的外延阻挡层进行增厚，以恢复所述半导体同质衬底的重复使用性。

如上所述，本发明的半导体同质衬底技术方法，具有以下有益效果：

本发明的半导体同质衬底，可利用气相反应物直接外延生长单晶晶片或薄膜，厚度仅通过生长时间简单控制，避免传统晶片切割工艺造成的材料损耗，充分利用材料资源；并且，可实施生长后晶片或薄膜的快速、简便地机械或者化学刻蚀剥离转移。另外，具有均匀分布的周期结构单元，能够为后续气相生长的薄晶片或者薄膜提供稳定的机械支撑，便于薄晶片或者薄膜依托于母衬底进行各种器件加工而不会出现碎裂。另外，能够经历传统晶片清洗过程而不易损坏，且可以重复利用。

本发明的半导体同质衬底的制备方法，可便利地利用薄晶片或者薄膜实现柔性、轻质器件的加工，并进一步节省材料资源；并且，从根本上解决了GaN基半导体技术因缺乏体单晶所遇到的晶格失配和热失配问题，获得高晶体质量GaN晶片或者薄膜，可对器件进行更合理的电学、光学等方面的设计；并且，能够便利地实现不同帯隙宽度的GaAs基单结柔性薄电池，进而可进行机械堆叠构成多结太阳能电池，避免传统外延堆叠产生的复杂工艺，而且还可以与Ge、Si、GaN系列柔性薄电池构成多结电池，为多结太阳能电池的设计提供更多的帯隙布局自由度，提升光伏转换效率，并降低多结太阳能电池成本。

本发明的同质外延层的制备方法，在本发明的半导体同质衬底的制备方法的基础上，直接外延生长单晶晶片或薄膜，厚度仅通过生长时间简单控制，避免传统晶片切割工艺造成的材料损耗，充分利用材料资源；并且，可直接将晶片或薄膜通过快速、简便地机械或者化学刻蚀剥离转移。另外，可重复使用半导体同质衬底，节省材料资源。另外，得到的薄晶片或者薄膜由具有均匀分布的周期结构单元提供稳定的机械支撑，便于薄晶片或者薄膜依托于母衬底进行各种器件加工而不会出现碎裂。

附图说明

图1显示为本发明第一实施方式的半导体同质衬底的制备方法的流程示意图。

图2～图15显示为本发明第一实施方式的半导体同质衬底的制备方法的示意图。

图15还显示为本发明第二实施方式的半导体同质衬底示意图。

图16显示为本发明第三实施方式的同质外延层的制备方法的流程示意图。

图17～图19显示为本发明第三实施方式的同质外延层的制备方法的示意图。

元件标号说明

101 母衬底

102 掩膜层

103 周期结构单元

104 外延阻挡层

105 熔体/熔体物质/熔体固化物质

106 外突型籽晶

107 外延生长层

S1～S7 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图18，本发明的第一实施方式涉及一种半导体同质衬底的制备方法。需要说明的是，本实施方式中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施方式的半导体同质衬底的制备方法至少包括如下步骤：

步骤S1，提供一母衬底101，如图2所示。

在步骤S1中，母衬底101为单晶晶片或者生长在异质单晶片上的目标半导体外延单晶薄膜。并且，本实施方式中的母衬底101具有一定普适性，可以采用大部分半导体材料，如Si、Ge、GaAs基、GaN基等半导体材料，且无晶体取向限制，适用于任意晶体取向的单晶晶片或者半导体外延单晶薄膜。

步骤S2，于母衬底101表面形成至少由若干个周期结构单元103组成的周期结构，如图3～图6所示。

在步骤S2中，具体方法为：

步骤S21，于母衬底101表面形成具有预设周期结构图形的掩膜层102，如图3和图4所示。其中，图3是图4的俯视图，由于掩膜层102用于制作后续工艺中的周期结构，因此需要先在掩膜层102中形成周期结构图形；在本实施方式中，根据实际所需的周期结构图案，采用传统紫外曝光光刻工艺形成掩膜层102中预设的周期结构图形。当然，在其他实施方式中，也可以采用其他工艺形成掩膜层102中的图形。

步骤S22，基于掩膜层102的图形于母衬底101上形成周期结构，其中，周期结构至少包括阵列排布的若干个形状相同的周期结构单元103，如图5所示。其中，由于掩膜层102中包含预设周期结构图形，在本实施方式中，采用感应耦合等离子干法刻蚀，将掩膜层102中的图形转刻于母衬底101上，从而在母衬底101上形成与预设周期结构图形相同的周期结构图案。当然，在其他实施方式中，也可以采用其他工艺在母衬底101上形成周期结构图案。

步骤S23，去除掩膜层102，如图6所示。其中，在本实施方式中，采用丙酮溶解去除掩膜层102。当然，在其他实施方式中，也可以采用其他有机溶剂溶解去除掩膜层102。

此外，周期结构单元103为柱状、条状、带状、波浪状、锥状或者其他规则形状和不规则形状。在本实施方式中，作为示例，周期结构单元103为柱状。

步骤S3，于母衬底101及周期结构表面形成用于实现选择性外延生长的外延阻挡层104，如图7所示。

作为示例，外延阻挡层为SiO2层。

作为示例，采用等离子增强原子层沉积(Plasma-enhanced atomic layer deposition，PE-ALD)方法形成SiO2层，利用ALD生长的原子级均匀性在母衬底101表面和周期结构的各个周期结构单元103表面(包括上表面和侧壁表面)形成厚度均匀的SiO2层，利用PE-ALD的低温生长特性(低于300℃)避免母衬底101在高温环境下被氧化性气氛破坏。

步骤S4，于每个周期结构单元的顶部对应形成外突型籽晶，从而形成至少由若干个外突型籽晶构成的籽晶阵列，最终得到半导体同质衬底，如图8～图15所示。

在步骤S4中，具体方法为：

步骤S41，于外延阻挡层104上及周期结构的各个周期结构单元103之间填充熔体105，并进行固化，如图8～图12所示。其中，至少包括如下步骤：

步骤S411，将形成外延阻挡层104后的衬底结构浸没于一熔体105中，然后取出倾斜放置，并保持环境温度高于熔体物质105熔点，使外延阻挡层104上及周期结构的各个周期结构单元103之间的空隙被熔体105填满，且使多余的熔体105自动流淌离开衬底结构表面，如图8～图10所示。具体地说，把形成外延阻挡层104后的衬底结构浸没于一熔体105中，其中，熔体105为采用熔融温度小于等于300℃且能够溶解于有机溶剂的疏水有机固体物质，进行熔融后得到的液体，例如：石蜡、热熔胶等，熔体105即为该类物质的熔融液体；然后把衬底结构取出倾斜放置，可以采用一倾斜支架，将取出的衬底结构放置在倾斜支架上，并保持环境温度高于熔体物质105熔点，使周期结构单元103间空隙被熔体105填满而多余的熔体105自动流淌离开衬底结构表面。另外，还可以通过调节倾斜支架的角度，来调节从熔体105中取出后的衬底结构倾斜放置的角度，从而控制多余的熔体105自动流淌离开衬底结构表面的速度。

需要解释的是，在高于熔体物质105熔点温度的环境下，把具有周期结构的衬底结构浸没于熔体105中，熔体105可自发排除空气填充周期结构单元103间的空隙，填充的实施没有衬底尺寸限制，只需要熔体105面积大于母衬底101面积尺寸，适用于任何尺寸的母衬底101；同时，在高于熔体物质105熔点的温度环境下，熔体105具有充分的流动性，当倾斜放置衬底结构(当周期结构单元103为条状或者带状时，衬底结构倾斜方向与条、带方向垂直)时，高于周期结构单元103顶部的熔体105会自动流淌离开衬底结构表面，而周期结构单元103间的熔体105，由于周期结构的阻挡作用和熔体物质105的粘性而被保留下来。

步骤S412，将填满熔体105的衬底结构水平放置，并仍保持环境温度高于熔体物质熔点，静置以使熔体105在周期结构的各个周期结构单元103之间均匀填充，如图11所示。具体地说，把填满熔体105的衬底结构从倾斜支架上取下，放置在相同环境下的水平位置处，并静置一段时间，从而保证熔体105能够均匀填充在周期结构的各个周期结构单元103之间。

步骤S413，将静置后的衬底结构冷却至室温，以使熔体105固化，如图12所示。

作为示例，采用石蜡作为熔体物质105，石蜡熔点约为57℃，打开加热恒温系统，使环境温度保持在60℃。

作为示例，形成外延阻挡层104后的衬底结构浸没于熔体105中的时间为10min。

作为示例，从熔体105中取出的衬底结构以60°角度倾斜放置60min。

作为示例，将填满熔体105的衬底结构水平放置，在60℃环境温度下静置60min，使石蜡熔体105在周期结构单元103间空隙填充均匀。

作为示例，关闭加热恒温系统，使静置60min后的衬底结构自然冷却到室温，石蜡熔体105冷却固化并发生一定量的体积收缩，使周期结构单元105顶端部分呈现凸出状态，如图12所示。

需要说明的是，由于熔体105的流动性，熔体物质105的填充具有自平整性，没有衬底尺寸的限制，适用于各种尺寸的母衬底，如传统电子工业所有4英寸、6英寸、8英寸标准晶片面积的母衬底。

另外，对于熔体105的选择，要求所选择的熔体105与外延阻挡层104浸润，且熔体105固化后体积收缩比较小，熔体固化物质韧性比较好或者比较松软，从而不会因为从液态到固态的物理相变产生的体积变化而导致熔体固化物质105开裂或与外延阻挡层104分离，因此确保熔体固化物质105与外延阻挡层104紧密粘结，可为其包覆的外延阻挡层104提供充分的抗湿法刻蚀保护作用。

另外，熔体105的填充厚度由衬底结构的倾斜角度、所处的环境温度、倾斜放置的时间共同决定。一般而言，熔体105的粘性越小，衬底结构的倾斜角度越大、所处的环境温度越高、倾斜放置的时间越长，熔体105的填充厚度就越小；反之亦然。并且，由于在高于熔点温度的环境下，衬底结构中所有位置的熔体物质105都处于液态，具有流动性；在熔体105的流动方向上，周期结构单元103间填充的熔体105厚度存在微量差异，在高于熔体熔点温度的环境温度下，由于熔体105的自平整性，即自动均匀性，适当时间地静置衬底结构即可消除这种厚度差异。以石蜡熔融液体为例，其熔点为57℃，放置的环境温度选择为60℃，衬底结构浸没石蜡熔液中10min，即可使周期结构单元103间的空隙充分填充，然后以60°角度倾斜放置60min，即可充分流淌去除衬底表面多余的石蜡液体；最后，将衬底结构水平静置环境温度为60℃，放置60min，即可使熔体105自平整，消除周期结构单元103间填充的熔体105厚度的微量差异。

另外，熔体105冷却固化保持了液态熔体物质填充的均匀性，同时，由于熔体物质从液态到固态的物相变化，熔体物质发生少量体积收缩，在熔体105固化后使各个周期结构单元103的顶端部位呈现凸出之态，便于后续的周期结构单元103顶端熔体固化物质105的去除。

步骤S42，去除周期结构的各个周期结构单元顶部的熔体固化物质和相应的外延阻挡层，以暴露周期结构的各个周期结构单元的顶部，如图13和图14所示。其中，至少包括如下步骤：

步骤S421，将固化熔体105后的衬底结构放置在低溶解性溶剂中，使熔体固化物质105微溶，去除周期结构的各个周期结构单元103顶部的熔体固化物质，以暴露出周期结构的各个周期结构单元103顶部的外延阻挡层，如图13所示。其中，低溶解性溶剂为可操控熔体固化物质105的溶解速度，以慢速溶解周期结构的各个周期结构单元103顶部的熔体固化物质的有机溶剂，例如：对石蜡微溶的丙酮。

值得一提的是，由于熔体105的粘性，除了在各个周期结构单元103之间填充有熔体物质105外，各个周期结构单元103顶部也会存留一定厚度的熔体物质薄膜。使用微溶熔体物质的低溶解性溶剂，可通过控制溶解时间或者溶剂的量，实现比较精确地控制去除熔体物质的量，从而仅使周期结构单元103顶部的熔体物质105被去除，使周期结构单元顶端的外延阻挡层104显露，而其它部分的外延阻挡层104仍然被熔体物质105包覆。

作为示例，采用丙酮微溶石蜡，溶解去除各个周期结构单元103顶部的石蜡薄层，仅使周期结构单元103顶部的SiO2层显露，其它部分的SiO2层仍然被石蜡包覆。

步骤S422，去除周期结构的各个周期结构单元103顶部的外延阻挡层104，以暴露出周期结构的各个周期结构单元103的顶部，如图14所示。

在本实施方式中，采用湿法刻蚀选择性去除周期结构单元103顶端的外延阻挡层104，仅使周期结构单元103顶部的目标半导体材料裸露。需要说明的是，用于刻蚀外延阻挡层104的腐蚀液不与熔体物质105发生化学反应，也不使熔体物质105发生溶胀物理变化，从而使熔体固化物质105能够为其包覆的外延阻挡层104提供充分的抗刻蚀保护，使外延阻挡层104的刻蚀去除仅发生在周期结构单元103的顶端部位，而外延阻挡层104沿周期结构单元103轴向的刻蚀深度由刻蚀时间控制。当然，在其他实施方式中，也可以采用其他工艺去除周期结构单元103顶端的外延阻挡层104。

作为示例，采用BOE刻蚀液(HF:NH4F＝1:6)选择性刻蚀去除周期结构单元103顶部的SiO2层，刻蚀时间为3min。

此外，在其他实施方式中，对于步骤S3，在母衬底101及周期结构表面与外延阻挡层104之间，还可以形成一用于阻止氧元素向半导体内部扩散的扩散阻止层；对于步骤S42，在去除周期结构的各个周期结构单元103顶部的熔体固化物质105和相应的外延阻挡层104时，还去除相应位置的扩散阻止层，以暴露周期结构的各个周期结构单元的顶部。作为示例，扩散阻止层为SiNx，同样采用等离子增强原子层沉积方法在母衬底101及周期结构表面形成。

步骤S43，去除剩余的熔体固化物质105，以使每个周期结构单元103被暴露的顶部作为一个外突型籽晶106，同时使每个周期结构单元103被外延阻挡层104包覆的部分作为外突型籽晶106的支撑部，从而形成至少由若干个外突型籽晶106构成的籽晶阵列，如图15所示。其中，在去除剩余的熔体固化物质时，采用高溶解性溶剂溶解去除剩余的熔体固化物质；高溶解性溶剂为可快速溶解完全去除剩余的熔体固化物质105的有机溶剂，例如：对石蜡而言采用四氢呋喃、甲苯等，其既不与外延阻挡层104产生化学反应，也不与目标半导体材料产生化学反应，仅用于去掉周期结构单元103间空隙内的熔体固化物质105，进而实现既定的外突型籽晶阵列制作。

作为示例，采用四氢呋喃溶解去除各个周期结构单元103之间的石蜡。

经过上述步骤S1～步骤S4，最终完整实现半导体同质衬底的制备。

需要说明的是，由于感应耦合等离子干法刻蚀技术已经广泛应用于Si、Ge、GaAs基、GaN基等半导体材料的刻蚀加工，而SiO2又是这些半导体晶体常用的实现选择性外延生长的外延阻挡层材料，同时，ALD生长SiO2或者SiNx方法也常用在种类半导体材料，本实施方式的半导体同质衬底的制备方法具有一定普适性，适用于所有三代半导体材料(Si、Ge、GaAs基、GaN基)。且由于感应耦合等离子干法刻蚀的高度准直性，可以对任意晶体取向的晶片或者外延单晶薄膜进行准直刻蚀，因此本实施方式的半导体同质衬底的制备方法中无晶体取向限制。而当采用湿法刻蚀的方法进行周期结构的制备时，虽然可以降低成本，但需要考虑到不同晶向的限制，而且GaN材料不适合进行湿法刻蚀加工。

另外，通过控制半导体同质衬底中周期结构单元103的尺寸，使周期结构单元103的高度与其端面最小维度尺寸相当或者更小，这样使周期结构具有足够的力学强度，因而得到的半导体同质衬底能够经历传统晶片清洗过程而不易损坏。

另外，由于熔体105填充的自平整性和无衬底尺寸的限制，以及通过微溶溶剂高度可控地去除周期结构单元103顶端的熔体固化物质105薄膜，通过上述技术方案，易于实现当前电子工业标准晶片面积的半导体同质衬底制作(无论4英寸晶片、6英寸晶片，还是8英寸晶片)，而且工艺简便、稳定、可靠，高度可控，重复性好，同时又适合规模化制作，非常适合工业化规模应用。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

请参阅图15，本发明第二实施方式涉及一种半导体同质衬底，其至少包括：

母衬底101；

形成于母衬底101表面的至少由若干个周期结构单元103组成的周期结构；

形成于母衬底101及周期结构表面的用于实现选择性外延生长的外延阻挡层104；

对应形成于每个周期结构单元103的顶部的外突型籽晶106，从而形成的至少由若干个外突型籽晶106构成的籽晶阵列。

如图15所示，外突型籽晶106、周期结构单元103以及母衬底101为一体结构。每个周期结构单元103裸露的顶部即为外突型籽晶106，外突型籽晶106的上表面和侧壁表面均未被选择性外延生长掩膜层104覆盖。

另外，周期结构单元103为柱状、条状、带状、波浪状、锥状，或者其它规则形状和不规则形状。母衬底101为单晶晶片或者生长在异质单晶片上的目标半导体外延单晶薄膜。

本实施方式的半导体同质衬底，可以直接在其上进行选择性同质气相外延生长。当于其上实施气相外延生长时，由于外延阻挡层104的阻挡作用，晶体外延生长仅发生在周期结构单元103的顶部，即外部性籽晶106。因所有外部性籽晶106都来源于同一母衬底101单晶片或者异质外延单晶薄膜，具有完全相同的晶体取向，随着每一个外部性籽晶106的生长长大，所有的外部性籽晶106会长大合并为一个单一的单晶薄膜外延层107，通过生长时间的控制可获得单晶晶片或者具有预定厚度的单晶薄膜外延层107。

本实施方式的半导体同质衬底可重复利用，几乎对于所有三代半导体材料(包含Si、Ge、GaAs基、GaN基等)，都可以通过同质外延生长从气相反应物直接获得单晶晶片或者厚度可控的可转移单晶薄膜，这将推动传统晶片技术向低成本、高原料利用效率的、薄晶片技术方向发展，实现GaN单晶晶片技术；进而推动柔性、轻质、高效、低成本单晶硅太阳能电池技术的发展，推动基于同质衬底的GaN高性能LED技术的发展，推动包含Si、Ge、GaAs基、GaN基的机械叠层多结太阳能电池技术的发展。

不难发现，本实施方式的半导体同质衬底通过本发明第一实施方式的半导体同质衬底的制备方法来得到。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

请参阅图16～图19，本发明第三实施方式涉及一种同质外延层的制备方法。本实施方式需要在本发明第一实施方式的步骤S1～步骤S4的基础上进行实施，因此第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。

如图16所示，本实施方式的同质外延层的制备方法，至少包括如下步骤：

采用本发明第一实施方式的步骤S1～步骤S4，制备半导体同质衬底。

步骤S5，于半导体同质衬底上形成同质外延层107，如图16～图18所示，其中，同质外延层107为外延单晶晶片或者薄膜。

在步骤S5中，具体方法为：于半导体同质衬底上进行选择性同质外延生长，以使籽晶阵列中各离散的外突型籽晶106长大合并形成无孔连续的外延单晶晶片或薄膜，如图17所示，从而得到与外突型籽晶106化学组分相同的同质外延层107，如图18所示。其中，同质外延层107与母衬底101之间通过周期结构的各个周期结构单元103被外延阻挡层104包覆的部分连接。

需要说明的是，于半导体同质衬底上进行选择性同质外延生长时，需要通过合理调整外延生长方法和条件，使同质外延层107在各个外突型籽晶106上选择性生长。

作为示例，采用MOCVD金属有机化学气相沉积法，使用原料三甲基镓TMGa、砷烷AH3外延生长GaAs。

作为示例，采用低压化学气相沉积方法，使用原料GeH4外延生长Ge。

作为示例，采用MOCVD金属有机化学气相沉积法，使用原料三甲基镓TMGa、氨气NH3外延生长GaN。

作为示例，采用常压化学气相沉积方法，SiHCl3气体为源外延生长Si。

另外，值得一提的是，随着生长的进行，各个离散的外突型籽晶106逐渐长大，然后逐渐合并在一起，形成外延单晶晶片或薄膜，通过生长时间控制获得预定厚度的外延单晶晶片或薄膜，即获得与外突型籽晶106化学组分相同的半导体外延单晶晶片或薄膜同质外延层107。当实施选择性气相外延生长时，周期结构单元103顶部因外突型籽晶106的横向生长而合并，使各个周期结构单元103之间的空隙被保留下来，这样使得通过实施同质外延生长获得的外延单晶晶片或薄膜与母衬底101之间仅通过各个周期结构单元103连接，其它地方为空隙，从而形成均匀有序的空洞结构，这种空洞结构可以用作后续的一些加工工艺的气体通道或者化学溶液通道，便于在同质外延层107被转移前对同质外延层107的下表面进行化学刻蚀(湿法或者反应离子干法刻蚀)，实现剥离转移或者其它表面加工(例如表面绒面化、PE-ALD镀膜等)。因各个周期结构单元103的尺寸均匀，在母衬底101上的空间分布也均匀一致，这样能够为同质外延层107提供一种相对稳定的机械支撑，便于对同质外延层107依托于母衬底101进行各种器件加工而不易出现碎裂，从而大幅提高柔性器件制作的成品率。

并且，通过控制周期结构单元103的尺寸以及空间分布，以及控制周期结构端面所占母衬底101表面面积比率，使这一比率尽可能小，满足同质外延层107与周期结构单元103的接触处容易发生晶体解离，以实现同质外延层107的机械剥离转移。

步骤S6，从半导体同质衬底上剥离转移同质外延层107，如图19所示，从而实现同质外延层107的转移。

在步骤S6中，具体方法为：通过真空吸附机械剥离，或者湿法化学刻蚀剥离的方法，在外突型籽晶106的位置分离同质外延层107和半导体同质衬底，实现同质外延层107的转移。

作为示例，对GaN晶片，因湿法刻蚀困难，仅能通过真空吸附机械剥离。

作为示例，对于Si晶片、Ge晶片，可采用碱液刻蚀剥离，也可以真空吸附机械剥离.

作为示例，对于GaAs晶片，可采用真空吸附机械剥离，也可采用湿法刻蚀剥离，例如采用H2SO4+H2O2+H2O刻蚀。

在本实施方式中，剥离转移同质外延层107后的半导体同质衬底适于重复使用于形成所述同质外延层的步骤S5中。需要解释的是，当实施同质外延生长获得的同质外延层107的剥离转移后，周期结构单元103依然位于母衬底101上，其形态及其周边的外延阻挡层104俱保持完整，仅在周期结构单元103的顶端裸露半导体材质，即周期结构单元103顶部仍然保持外突型籽晶106品质，因此同质外延生长获得的同质外延层107剥离转移后，余留的结构化半导体同质衬底可直接重复利用。

另外，在本实施方式中，半导体同质衬底经过多次重复使用后，在从半导体同质衬底上剥离转移同质外延层107之前，对半导体同质衬底中包覆在每个周期结构单元103外的外延阻挡层104进行增厚，以恢复半导体同质衬底的重复使用性。考虑于半导体同质衬底实施同质气相外延生长时，气相反应物可能对外延阻挡层104产生一定量的侵蚀减薄(例如在SiO2层表面产生易蒸发的GaOx,GeOx,SiOx)，半导体同质衬底经历一定次数的重复使用后，在从半导体同质衬底上剥离转移同质外延层107之前，采用PE-ALD方法对外延阻挡层104进行增厚，可进一步保障半导体同质衬底的可重复利用性。

经过上述步骤S1～步骤S6，以及剥离后的衬底回到S5重新使用，最终完整实现同质外延层的生长和剥离转移。

由上可见，本实施方式的同质外延层的制备方法，在本发明第一实施方式的半导体同质衬底的制备方法的基础上，直接外延生长单晶晶片或薄膜，厚度仅通过生长时间简单控制，避免传统晶片切割工艺造成的材料损耗，充分利用材料资源；并且，可直接将晶片或薄膜通过快速、简便地机械或者化学刻蚀剥离转移。另外，可重复使用半导体同质衬底，节省材料资源。另外，得到的薄晶片或者薄膜由具有均匀分布的周期结构单元提供稳定的机械支撑，便于薄晶片或者薄膜依托于母衬底进行各种器件加工而不会出现碎裂。

综上所述，本发明的半导体同质衬底及其制备方法，具有以下有益效果：

本发明的半导体同质衬底，可利用气相反应物直接外延生长单晶晶片或薄膜，厚度仅通过生长时间简单控制，避免传统晶片切割工艺造成的材料损耗，充分利用材料资源；并且，可实施生长后晶片或薄膜的快速、简便地机械或者化学刻蚀剥离转移。另外，具有均匀分布的周期结构单元，能够为后续气相生长的薄晶片或者薄膜提供稳定的机械支撑，便于薄晶片或者薄膜依托于母衬底进行各种器件加工而不会出现碎裂。另外，能够经历传统晶片清洗过程而不易损坏，且可以重复利用。

本发明的半导体同质衬底技术的方法，可便利地利用薄晶片或者薄膜实现柔性、轻质器件的加工，并进一步节省材料资源；并且，从根本上解决了GaN基半导体技术因缺乏体单晶所遇到的晶格失配和热失配问题，获得高晶体质量GaN晶片或者薄膜，可对器件进行更合理的电学、光学等方面的设计；并且，能够便利地实现不同帯隙宽度的GaAs基单结柔性薄电池，进而可进行机械堆叠构成多结太阳能电池，避免传统外延堆叠产生的复杂工艺，而且还可以与Ge、Si、GaN系列柔性薄电池构成多结电池，为多结太阳能电池的设计提供更多的帯隙布局自由度，提升光伏转换效率，并降低多结太阳能电池成本。

本发明的同质外延层的制备方法，在本发明的半导体同质衬底的制备方法的基础上，直接外延生长单晶晶片或薄膜，厚度仅通过生长时间简单控制，避免传统晶片切割工艺造成的材料损耗，充分利用材料资源；并且，可直接将晶片或薄膜通过快速、简便地机械或者化学刻蚀剥离转移。另外，可重复使用半导体同质衬底，节省材料资源。另外，得到的薄晶片或者薄膜由具有均匀分布的周期结构单元提供稳定的机械支撑，便于薄晶片或者薄膜依托于母衬底进行各种器件加工而不会出现碎裂。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。