无缺陷单晶薄层的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种单晶薄层及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 氮化镓是一种具有纤锌矿型晶体结构（Wurtzitecrystalstructure)的化合物， 并具有3. 4eV的宽带隙。它在许多领域中具有重要的应用，例如光电子学、大功率和高频电 子器件、固态器件、超大功率光伏器件等。独立籽晶/衬底氮化镓层的缺失代表氮化镓技术 中的重大挑战。
【发明内容】
[0003] 总的来说，III-V族半导体膜，例如氮化镓膜，可以是无位错单晶硅。III-V族半导 体膜，例如氮化镓膜，可以具有10纳米和1微米之间的厚度，或例如10纳米和200纳米之 间，或20纳米和50纳米之间，并可以通过表面辐照和化学蚀刻的组合来制备。
[0004] 在一方面中，一种制备III-V族半导体膜的方法可以包括辐照包括III-V族半导 体的衬底的表面，并在辐照的同时用含有蚀刻液的溶液接触该衬底的表面以在衬底上形成 膜。
[0005] 在一些实施例中，该III-V族半导体可以从砷化铟、磷化铟、砷化镓、磷化镓、锑化 镓、氮化铝、锑化铟、砷化铝、磷化铝、锑化铝、砷化铟镓、磷砷化镓、磷砷化铟、磷砷化镓铟、 砷化镓铝铟、氮化镓铟和氮化镓铝中选择。在一些实施例中，该III-V族半导体可以是氮化 镓。
[0006] 在一些实施例中，衬底可以包括蓝宝石上的硅掺杂、η掺杂、未掺杂（或未故意掺 杂）、或者Ρ掺杂的氮化镓。在一些实施例中，衬底可以包括块状氮化镓。在一些实施例中， 衬底可以包括碳化硅上的氮化镓。在一些实施例中，衬底可以包括硅上的氮化镓。还可以 使用含有氮化镓的其他种类的衬底。
[0007] 在一些实施例中，蚀刻液可以包括氢氟酸和过氧化氢。在一些实施例中，蚀刻液可 以包括氢氧化钾。在一些实施例中，衬底的表面可以包括多个位错。在一些实施例中，蚀刻 液可以选择性地蚀刻该位错处。
[0008] 在一些实施例中，衬底的表面可通过辐照源来辐照，其中该辐照源可以具有比该 m-v族半导体的带隙宽度高的能量，或者比该半导体材料的带隙宽度低的波长。
[0009] 在一些实施例中，衬底的表面可以通过紫外光源来辐照，其中该紫外光源的能量 高于该III-V族半导体的带隙宽度。在一些实施例中，衬底的表面可以通过X射线辐照。在 一些实施例中，衬底的表面可以通过伽马射线辐照。
[0010] 辐照源在衬底表面上的辐照波长和辐照密度都会影响蚀刻工艺。在一些实施例 中，该方法可以包括控制辐照源的强度。在一些实施例中，衬底的表面的一部分可以涂有电 极。在一些实施例中，该电极的材料可以从钛、铂、银和金中选择。在一些实施例中，该方法 可以包括施加电场于衬底的表面。在一些实施例中，该方法可以包括干燥该衬底。
[0011] 在一些实施例中，该III-V族半导体膜的厚度可以在10纳米和1微米之间，例如 在10纳米和200纳米之间，或者20纳米和50纳米之间。
[0012] 在一些实施例中，该方法可以包括转移该III-V族半导体膜至第二衬底。
[0013] 在另一方面中，该膜可以包括无位错的单晶III-V族半导体，其中该无位错的单 晶ΙΠ-ν族半导体可以具有10纳米和1微米之间的厚度，例如在10纳米和200纳米之间， 或者20纳米和50纳米之间。
[0014] 在一些实施例中，该膜可以包括多个孔隙。在一些实施例中，该ΙΙΙ-ν族半导体可 以是氮化镓。在一些实施例中，多个氮化镓引线可以通过该无位错单晶氮化镓突出。在一 些实施例中，该膜可以包括在该无位错单晶氮化镓下面的多孔氮化镓层。
[0015] 在另一方面中，一种结构可以包括衬底上的无位错单晶III-V族半导体，其中该 衬底可以是聚合物衬底、铜衬底、硅衬底、玻璃衬底、碳化硅衬底、蓝宝石衬底、石英衬底、瓷 衬底、磷化铟衬底、氮化镓衬底、砷化镓衬底、氧化铍衬底、氮化铝衬底、氧化铝衬底、塑料衬 底、或陶瓷衬底。
[0016] 在另一方面中，一种用于生长III-V族半导体的装置可以包括膜，其中该膜包括 无位错单晶III-V族半导体，且该膜可以具有10纳米和1微米之间的厚度，例如在10纳米 和200纳米之间，或者20纳米和50纳米之间。在转移该膜后，氮化镓、氮化铟镓、氮化铝、 氧化锌、铟锡氧化物或其它材料可以过生长于该膜上，由此可以形成晶体管、调制器、发光 二极管、激光二极管。
[0017] 在一些实施例中，该III-V族半导体是氮化镓。
[0018] 其它的方面、实施例和特征将通过下述说明、附图和权利要求变得更加明晰易懂。
【附图说明】
[0019] 图1是示出了形成无位错氮化镓层于块状氮化镓衬底上的示意图。
[0020] 图2示出了制造氮化镓层的典型的紫外辅助无电极蚀刻装置。
[0021] 图3a是俯视扫描电子显微镜（SEM)的显微照片，其示出了形成在表面上的六角蚀 刻坑；图3b是新生空隙域的SEM显微照片的横截面，纳米引线被观察到位于孔隙域的中间， 该区域的边界被标记为黑色；图3c是示出了相对老的孔隙域的图像，该孔隙域包围由主孔 隙和次级孔隙形成的多孔氮化硅，垂直和水平方向的箭头分别代表快速各向异性蚀刻工艺 和慢速各向同性蚀刻工艺；图3d是示出了在该区域合并后由几个圆柱支撑的纳米层的图 像；图3e是示出了位于块状氮化镓顶部上的多孔氮化镓层之上的纳米层的图像；以及图3f 是示出了在机械移除该氮化镓纳米层后孔隙域被暴露的图像，其中该区域的中心被黑点标 记，而一个区域的边界被曲线标记。
[0022] 图4是位于多孔氮化镓之上的氮化镓纳米层的一系列横截面图像。
[0023] 图5是示出了在多孔氮化镓（右下）之上的纳米层（左上）的俯视图。
[0024] 图6a是示出了表面蚀刻坑下面的纳米引线（NW)的末端的SHM图像；图6b是示出 了位于多孔氮化镓顶部的氮化镓纳米层的示意图，其中NW由正好位于六角蚀刻坑下面的 TD形成；图6c是横截面图像；以及图6d是通过氮化镓层中的蚀刻坑突出的纳米引线的俯 视SEM图像。
[0025] 图7a是在t分钟的紫外辅助无电极蚀刻后的氩离子的轰击样品的横截面Sffl图 像，其中虚线代表蚀刻锋面，其起初垂直传播而后放射状传播；以及图7b是示出了嵌入多 孔蚀刻区域的纳米引线的SEM图像。
[0026] 图8a是转移到涂覆碳的铜透射电子显微镜栅格之后的氮化镓层的透射电子显 微镜图像；图8b是氮化镓层的高清晰度透射电子显微镜（HRTEM)，其沿[0001]晶带轴拍 照，其示出了纳米层的完美的六角晶体结构；而图9b的插图是电子衍射（ED)图案，其沿
[0001]晶带轴记录，并标记有衍射光斑(l〇j〇) (0丨10)和(il()〇);图8c是由氮化镓纳米层测得 的EDS光谱。
[0027] 图9a是与纳米引线末端直接接触的表面蚀刻坑的SEM图像；图9b是存在于纳米 层中的表面蚀刻坑的TEM图像；以及图9c是坑的中心的HRTEM图像，其示出了完美的单晶 结构。
[0028] 图10是测得的来自氮化镓纳米层的显微微光UPL)发射信号，其示出了 3. 4eV 的强烈峰值；插图（a)示出了通过光学显微镜观察到的转移到蓝宝石衬底上的氮化镓层； 而插图（b)示出了由物镜聚焦的紫外激光探测的蓝宝石上的氮化镓纳米层的原理图。
【具体实施方式】
[0029] -种无位错单晶III-V族半导体，例如氮化镓层（或纳米层、或膜、或纳米膜），具 有10纳米至1微米的厚度，例如10纳米和200纳米之间，或20纳米和50纳米之间，其可以 通过辐照制备，例如是紫外（UV)辅助无电极化学蚀刻，一种具有成本效益和高效的技术。 该无位错单晶III-V族半导体，例如氮化镓层可以通过例如剥离原晶来形成，该原晶在所 有的螺位错（TD)被选择性地蚀刻掉后具有10scm2的位错密度（TDD)。该III-V族半导体， 例如氮化镓薄膜可以随后被转移至另一衬底，以后续外延生长高质量的氮化镓及其相关的 材料。图1是示出了形成无位错氮化镓膜于块状氮化镓衬底上的示意图，该层可以由多个 氮化镓纳米引线支撑，其中一些氮化镓纳米引线通过表面突出。
[0030] 扫描和透射电子显微镜法（SEM和TEM)观测可以帮助解释形成氮化镓纳米层背后 的物理过程。进一步的，电子显微镜法和光谱学技术揭示了氮化镓纳米层的单晶性质。该 无位错氮化镓可以被转移至多种刚性或柔性衬底，并作为后续的外延过生长无位错、高质 量氮化镓的籽晶层。该衬底可以是聚合物衬底、铜衬底、硅衬底、玻璃衬底、碳化硅衬底、蓝 宝石衬底、石英衬底、瓷衬底、磷化铟衬底、氮化镓衬底、砷化镓衬底、氧化铍衬底、氮化铝衬 底、氧化铝衬底、塑料衬底、或陶瓷衬底。
[0031] 该薄膜可以使用已开发的印制/冲压转移技术来转移。Yuan,H.C.，etal.Appl. Phys.Lett. 2009, 94, 013102 ;Sun,L.，etal.Small2010, 6, 2553-2557,其中每个的全部内 容都通过引用结合至此。该薄膜可以容易地转移至硅电子器件，并因此允许硅和高质量氮 化镓（或类似材料）之间的快速集成。
[0032] 该技术为高质量低成本的光电子和大功率电子器件的应用铺平了道路，并促进高 质量氮化镓和其它材料系统例如硅或塑料之间的快速集成。
[0033] 无位错单晶III-V族半导体层（或纳米层、或膜）可以具有10纳米至1微米的厚 度，