[发明专利]半导体同质衬底及其制备方法、同质外延层的制备方法

说明书

本发明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，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选择性去除外延阻挡层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。利用本发明的可重复使用的半导体同质衬底实行同质外延生长，直接获得可剥离转移的、厚度可控的同质外延层。该技术可以避免传统的单晶晶锭提拉和切片过程，从而实现低成本、高材料利用效率制作同质外延晶片。

技术领域

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。

发明内容

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；