【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及半導(dǎo)體，尤其涉及一種磷化銦單晶薄膜的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法和剝離轉(zhuǎn)移方法。
技術(shù)介紹
1、磷化銦(inp)是iii-v族半導(dǎo)體的典型代表，inp材料及器件的電子遷移率高、噪聲低、增益高，是半導(dǎo)體激光器和接收器的關(guān)鍵材料。inp單晶與三元直接帶隙合金ingaas晶格相匹配，通過調(diào)節(jié)in的組分可以實(shí)現(xiàn)光響應(yīng)波長從0.87μm到3.5μm的連續(xù)變化，以適合光纖通訊所需的波長，這是光通訊的基礎(chǔ)。ingaasp/inp雙異質(zhì)結(jié)激光器可以完美滿足1.3～1.6μm的片上光通訊波長范圍要求，ingaas/inp光電探測器暗電流小、量子效率高，被廣泛的應(yīng)用于1～3μm短波紅外光纖通訊波段的高效率光電轉(zhuǎn)換。
2、需要說明的是，ingaas及ingaasp合金薄膜只能在單晶inp襯底上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量匹配外延生長，而目前大尺寸inp單晶襯底在技術(shù)和生產(chǎn)成本上都存在很大的問題，從而導(dǎo)致商業(yè)化的inp基光電子器件價(jià)格始終居高不下。而將inp半導(dǎo)體制造的光電子器件和si基平臺融合，在有效降低成本的同時(shí)，可以增強(qiáng)si基光電子技術(shù)的集成能力，具有顯著的成本優(yōu)勢和光明的發(fā)展前景。
3、inp的硅基異質(zhì)集成方案是將inp功能器件與si基cmos平臺直接進(jìn)行封裝集成。目前成熟的晶圓級inp-si異質(zhì)集成方案是將inp裸晶圓與si襯底直接鍵合，然后對inp晶圓表面進(jìn)行減薄、拋光等處理，從而獲得inp-si復(fù)合襯底。鍵合技術(shù)雖然可以忽略inp-si異質(zhì)結(jié)構(gòu)的晶格失配問題，但機(jī)械減薄處理極易造成表面質(zhì)量控制精度差、均勻性差、晶格損傷大等問
4、薄膜的剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)是指通過技術(shù)手段將位于襯底表面的薄膜乃至器件結(jié)構(gòu)從襯底上較為完整地分離并轉(zhuǎn)移至其他襯底。該類技術(shù)可對原襯底進(jìn)行反復(fù)利用，并能較為靈活地將薄膜材料與不同襯底進(jìn)行異質(zhì)集成。遠(yuǎn)程外延技術(shù)利用二維(2d)材料范德華層間作用力生成獨(dú)立式單晶膜。該方法通過2d材料輔助轉(zhuǎn)移與薄膜外延技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，其中常用的2d材料為石墨烯，石墨烯的弱范德華鍵合有助于外延生長的薄膜從基板上剝離，剝離后留下原始表面。美國mit(麻省理工學(xué)院)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了inp遠(yuǎn)程外延和剝離，但其中生長過程中為了保護(hù)石墨烯所用載氣為n2。然而，工業(yè)化生產(chǎn)中為了保證inp外延薄膜及超晶格的均勻性與重復(fù)性，載氣只用h2，因此，載氣使用n2不利于大規(guī)模工業(yè)化開展inp薄膜的外延和器件制備。但是，按照成熟的inp外延工藝，650℃，h2氛圍下，氫將破壞石墨烯的c-c鍵，具體來說sp2鍵合的石墨烯晶格被氫破壞，形成懸空鍵和金屬碳化物(in-c和/或p-c)，這些懸空鍵可以成為成核位點(diǎn)。由于襯底的晶體信息被受損的石墨烯屏蔽，使生長偏離了遠(yuǎn)程外延模式，這將使得外延膜在石墨烯界面處無法剝落。更重要的是，該工藝只針對inp外延薄膜進(jìn)行了剝離，受制于工藝條件，無法實(shí)現(xiàn)inp外延薄膜的可控剝離和轉(zhuǎn)移，極大了限制inp器件和硅基cmos平臺的集成自由度和應(yīng)用領(lǐng)域。
5、綜上所述，目前尚無有效技術(shù)和方法手段，能夠?qū)崿F(xiàn)特定取向inp異質(zhì)結(jié)薄膜和器件陣列的高質(zhì)量遠(yuǎn)程外延、剝離轉(zhuǎn)移以及硅基異質(zhì)集成。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本專利技術(shù)提供了一種磷化銦單晶薄膜的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法和剝離轉(zhuǎn)移方法。本專利技術(shù)提供的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法在進(jìn)行磷化銦外延生長時(shí)能夠避免石墨烯膜的破壞，無需采用氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣，且能夠得到特定取向的磷化銦單晶薄膜；本專利技術(shù)提供的剝離轉(zhuǎn)移方法能夠?qū)崿F(xiàn)磷化銦單晶薄膜的無損可控剝離以及與硅基底的異質(zhì)集成。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述專利技術(shù)目的，本專利技術(shù)提供以下技術(shù)方案：
3、一種磷化銦單晶薄膜的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，包括以下步驟：
4、在磷化銦單晶襯底表面覆蓋單層石墨烯膜，得到帶有單層石墨烯膜的磷化銦單晶襯底；
5、在帶有單層石墨烯膜的磷化銦單晶襯底的單層石墨烯膜一面進(jìn)行氣相外延，得到磷化銦單晶薄膜；所述氣相外延包括依次生長磷化銦種子層和磷化銦外延層，所述生長磷化銦種子層的襯底溫度為400～500℃，載氣為h2；所述生長磷化銦外延層的襯底溫度為600～700℃，載氣為h2。
6、優(yōu)選的，所述磷化銦單晶襯底的晶面為(100)，(110)或(111)。
7、優(yōu)選的，所述氣相外延的方法為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法。
8、優(yōu)選的，所述生長磷化銦種子層的條件包括：壓力為50～150torr，磷源中磷元素和銦源中銦元素的摩爾比為200～350；所述磷化銦種子層的厚度為1～3nm。
9、優(yōu)選的，所述生長磷化銦外延層的條件包括：壓力為50～150torr，磷源中磷元素和銦源中銦元素的摩爾比為150～250；所述磷化銦外延層的厚度為300～500nm。
10、優(yōu)選的，所述在磷化銦單晶襯底表面覆蓋單層石墨烯膜的方法包括：提供帶有單層石墨烯膜的銅基底，將銅基底表面的單層石墨烯膜轉(zhuǎn)移到所述磷化銦單晶襯底表面。
11、優(yōu)選的，得到所述磷化銦單晶薄膜后，還包括在所述磷化銦單晶薄膜上制備其他iii-v族化合物半導(dǎo)體，得到磷化銦異質(zhì)結(jié)薄膜。
12、優(yōu)選的，得到所述磷化銦單晶薄膜或磷化銦異質(zhì)結(jié)薄膜后，還包括在所述磷化銦單晶薄膜或磷化銦異質(zhì)結(jié)薄膜上制備光電器件結(jié)構(gòu)。
13、本專利技術(shù)還提供了一種外延片或器件，所述外延片包括磷化銦單晶襯底、覆在所述磷化銦單晶襯底表面的單層石墨烯膜以及覆在所述單層石墨烯膜表面的外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)為磷化銦單晶薄膜或磷化銦異質(zhì)薄膜；所述磷化銦單晶薄膜和磷化銦異質(zhì)薄膜由上述方案所述的方法制備得到；
14、所述器件包括所述外延片和設(shè)置在所述外延片表面的光電器件結(jié)構(gòu)；所述光電器件結(jié)構(gòu)由上述方案所述的方法制備得到。
15、本專利技術(shù)還提供了一種磷化銦單晶薄膜的剝離轉(zhuǎn)移方法，包括以下步驟：
16、提供上述方案所述的外延片或器件；
17、在所述外延片的外延結(jié)構(gòu)表面沉積金屬應(yīng)力層，或在所述器件的光電器件結(jié)構(gòu)表面沉積金屬應(yīng)力層；
18、在所述金屬應(yīng)力層表面粘貼膠帶，之后揭起膠帶，使磷化銦單晶薄膜和單層石墨烯薄膜分離，得到分離結(jié)構(gòu)；所述分離結(jié)構(gòu)包括依次層疊的外延結(jié)構(gòu)、金屬應(yīng)力層和膠帶，或包括依次層疊的外延結(jié)構(gòu)、光電器件結(jié)構(gòu)、金屬應(yīng)力層和膠帶；
19、將所述分離結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至硅基底表面，使磷化銦單晶薄膜與硅基底表面接觸，之后去除膠帶和金屬應(yīng)力層。
20、優(yōu)選的，所述金屬應(yīng)力層為ni金屬層，所述金屬應(yīng)力層的厚度為1～3μm；所述膠帶為熱釋放膠帶。
21、優(yōu)選的，所述去除膠帶的方法為加熱處理，所述加熱處理的溫度為90～140℃，時(shí)間為10～20min；
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1.一種磷化銦單晶薄膜的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，其特征在于，所述磷化銦單晶襯底的晶面為(100)，(110)或(111)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，其特征在于，所述氣相外延的方法為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，其特征在于，所述在磷化銦單晶襯底表面覆蓋單層石墨烯膜的方法包括：提供帶有單層石墨烯膜的銅基底，將銅基底表面的單層石墨烯膜轉(zhuǎn)移到所述磷化銦單晶襯底表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，其特征在于，得到所述磷化銦單晶薄膜后，還包括在所述磷化銦單晶薄膜上制備其他III-V族化合物半導(dǎo)體，得到磷化銦異質(zhì)結(jié)薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，其特征在于，得到所述磷化銦單晶薄膜或磷化銦異質(zhì)結(jié)薄膜后，還包括在所述磷化銦單晶薄膜或磷化銦異質(zhì)結(jié)薄膜上制備光電器件結(jié)構(gòu)。
7.一種外延片或器件，其特征在于，所述外延片包括磷化銦單晶襯底、覆在所
8.一種磷化銦單晶薄膜的剝離轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，包括以下步驟：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的剝離轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，所述金屬應(yīng)力層為Ni金屬層，所述金屬應(yīng)力層的厚度為1～3μm；所述膠帶為熱釋放膠帶。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的剝離轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，所述去除膠帶的方法為加熱處理，所述加熱處理的溫度為90～140℃，時(shí)間為10～20min；
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種磷化銦單晶薄膜的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，其特征在于，所述磷化銦單晶襯底的晶面為(100)，(110)或(111)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，其特征在于，所述氣相外延的方法為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，其特征在于，所述在磷化銦單晶襯底表面覆蓋單層石墨烯膜的方法包括：提供帶有單層石墨烯膜的銅基底，將銅基底表面的單層石墨烯膜轉(zhuǎn)移到所述磷化銦單晶襯底表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，其特征在于，得到所述磷化銦單晶薄膜后，還包括在所述磷化銦單晶薄膜上制備其他iii-v族化合物半導(dǎo)體，得到磷化銦異質(zhì)結(jié)薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的高質(zhì)量定向遠(yuǎn)程外延方法，其特征在于，得...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：徐成彥，秦敬凱，岳琳清，史艷磊，
申請(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳科技創(chuàng)新研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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