[发明专利]一种利用多层二维晶体掩膜制备氮化镓单晶衬底的方法

权利要求书

1.一种利用多层二维晶体掩膜技术制备低位错密度GaN单晶衬底的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)制备底层氮化物模板：

a)提供具有单晶纤锌矿结构的氮化物的基板；

b)将基板置于氢化物气相沉积系统中沉积层状结构的二维晶体分离层，层状结构的二维晶体分离层中层与层间采用范德华力连接，范德华力的作用强度小于氮化物中层与层间的共价键强度，在外力作用下层状结构的二维晶体分离层比为氮化物的基板更容易实现层与层之间的分离；二维晶体分离层采用单晶h-BN薄膜、二硫化钼薄膜或石墨烯薄膜；

c)采用氯化氢气体在氢化物气相沉积系统中原位活化二维晶体分离层，通过氯化氢气体和二维晶体分离层的化学反应，在二维晶体分离层的表面形成悬挂键，作为氮化物成核位点，二维晶体分离层和基板组成的氮化物模板；

2)制备中间氮化物功能层：

a)原位沉积单晶纤锌矿结构的GaN薄膜，通过控制氮源和金属源的流量，控制GaN薄膜的沉积速率，GaN薄膜的位错密度为5×10⁸cm^-2～5×10⁹cm^-2；

b)采用氯化氢和氢气的混合气体在氢化物气相沉积系统中原位刻蚀GaN薄膜，GaN薄膜中位错处化学活性高，GaN薄膜的位错处与氯化氢气体反应，在GaN薄膜的位错处形成六棱锥形刻蚀坑；

c)在已经形成有六棱锥形刻蚀坑的GaN薄膜上利用氢化物气相沉积系统原位沉积单晶纤锌矿结构的GaN厚膜，通过控制氮源和金属源的流量控制沉积速率，通过调节V/III比的方式改变GaN厚膜的纵向和横向生长速度，使得部分六棱锥形刻蚀坑对应的位错在GaN厚膜生长过程中被湮灭，导致GaN厚膜的位错密度降至1×10⁶cm^-2以下，一层GaN薄膜与一层GaN厚膜组成子复合结构；

d)在GaN厚膜上利用氢化物气相沉积系统原位沉积层状结构的厚膜分离层，厚膜分离层为二维晶体掩膜，采用氯化氢气体在氢化物气相沉积系统中原位活化厚膜分离层；厚膜分离层的材料为二硫化钼或石墨烯；

e)重复2)的a)～d)步骤n次后，n为≥1的正整数，重复2)的a)和c)步骤一次，得到形成在氮化物模板上的(n+2)个子复合结构与(n+1)个厚膜分离层交叠组成的复合结构，称为中间氮化物功能层；

3)提升中间氮化物功能层的质量：

a)将具有中间氮化物功能层的氮化物模板的上下表面采用氢化物气相沉积系统沉积石墨烯薄膜，石墨烯薄膜为非二维晶体掩膜，在上下两层石墨烯薄膜的外表面分别再沉积单晶纤锌矿结构AlN薄膜作为上下盖层；

b)将具有上下盖层的中间氮化物功能层和氮化物模板置于反应釜中进行高温高压退火处理，高温高压处理导致GaN厚膜中的原子晶格进行重构，晶格重构趋向于形成低位错密度的退火GaN厚膜，位错密度低于5×10⁵cm^-2；

c)采用激光刻蚀技术刻蚀除去上下盖层内的石墨烯薄膜，由于可见光激光和红外光激光的波长对应的光子能量小于GaN和AlN的禁带宽度且大于石墨烯的禁带宽度，使得可见光激光和红外光激光仅被石墨烯薄膜吸收，导致石墨烯薄膜温度升高后自分解，实现作为上下盖层的AlN薄膜与中间氮化物功能层和氮化物模板的分离；

4)分离得到GaN单晶衬底：

a)将中间氮化物功能层和氮化物模板置于清洗溶液中，加热并静置，待清洗溶液中的氢氧根离子与二维晶体分离层以及中间氮化物功能层的厚膜分离层充分反应，破坏二维晶体分离层和厚膜分离层的层间范德华力连接，实现中间氮化物功能层与基板的分离以及n+2个GaN薄膜和GaN厚膜组成的子复合结构的逐个分离，得到n+2个位错密度低于5×10⁵cm^-2的GaN单晶衬底即子复合结构和可重复使用的基板；

b)超声处理除去GaN单晶衬底表面的二维晶体分离层或厚膜分离层残留后，将GaN单晶衬底置于退火炉中，除去清洗溶液处理过程中在GaN单晶衬底表面形成的氧化层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)的a)中，基板为厚度大于300μm的单晶GaN衬底，或者具有100nm～2000nm厚的单晶GaN薄膜的单晶衬底，厚度大于300μm。