本发明涉及氮化物半导体异质结构的制备技术，具体涉及一种金刚石复合衬底上单晶氮化物半导体异质结构的制备方法。
背景技术：
1、氮化物半导体禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子迁移率高以及抗辐照能力强，是研制射频功率器件的优选材料，在射频通信、感知探测、电力管理、消费电子等领域具有重要应用。由于缺乏反演对称中心，纤锌矿结构的氮化物半导体沿c轴方向具有两种不同的晶格排列方式，分别对应金属晶格极性和氮晶格极性。金属晶格极性和氮晶格极性氮化物半导体对应不同的生长窗口、器件特性和应用区间，是制备氮化镓（gan）基异质结构的主要材料选择。异质外延在蓝宝石、碳化硅或硅等单晶衬底上的gan基异质结构是研制大功率和高频率电子器件的核心材料，提高器件热管理能力是提高gan基电子器件功率密度和工作频率等性能的关键所在。提高器件热管理能力的一种有效方案即采用高散热能力多晶功能衬底。例如，多晶金刚石热导率（≥1500 w/m·k）是碳化硅（约400w/m·k）、氮化镓（约150 w/m·k）和蓝宝石（约35w/m·k）等传统单晶衬底的4倍以上，如能改变gan基半导体与多晶金刚石间的外延关系，在多晶金刚石上制备出低位错密度的单晶gan薄膜，则可大幅提高gan基电子器件的热管理能力，研制出大功率且高频率的gan基高电子迁移率晶体管或肖特基势垒二极管等电子器件。
技术实现思路
1、针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种金刚石基氮化物半导体异质结构的制备方法。
2、本发明的金刚石基氮化物半导体异质结构的制备方法用来制备氮晶格极性氮化物半导体异质结构或者用来制备金属晶格极性氮化物半导体异质结构。
3、本发明的金刚石基氮化物半导体异质结构的制备方法，制备氮晶格极性氮化物半导体异质结构，包括以下步骤：
4、1）提供准范德华外延衬底，准范德华外延衬底包括底层单晶衬底以及位于底层单晶衬底上的多层单晶二维材料，多层单晶二维材料的层间采用范德华力耦合；多层单晶二维材料的表面为准范德华外延衬底的生长面；
5、2）在准范德华外延衬底的生长面沉积金属晶格极性的氮化物半导体成核层；
6、3）制备具有位错阻挡层的金属晶格极性的单晶氮化物半导体薄膜：
7、在氮化物半导体外延层的表面沉积下层氮化物半导体外延层；
8、在下层氮化物半导体外延层的表面沉积氧化硅或氮化硅，再采用酸溶液在室温下刻蚀氧化硅或氮化硅，调节刻蚀时间使得氧化硅或氮化硅的缺陷聚集区被刻穿，非缺陷聚集区结构得到保留，使得在氧化硅或氮化硅的缺陷聚集区形成多孔结构，从而得到具有多孔结构的位错阻挡层；
9、在位错阻挡层的表面继续沉积碳掺杂半绝缘的上层氮化物半导体外延层；
10、位错阻挡层阻止下层氮化物半导体外延层中的位错向上扩展，减小位错阻挡层上的上层氮化物半导体外延层的位错密度；
11、下层氮化物半导体外延层、位错阻挡层和上层氮化物半导体外延层均为金属晶格极性，三者构成单晶氮化物半导体薄膜；
12、4）在单晶氮化物半导体薄膜的表面沉积金刚石成核层；
13、5）制备金刚石复合衬底：
14、在金刚石成核层的表面沉积多晶金刚石层；
15、在多晶金刚石层的表面沉积高散热能力支撑层；
16、多晶金刚石层和高散热能力支撑层构成金刚石复合衬底；
17、单晶氮化物半导体薄膜、金刚石成核层和金刚石复合衬底构成氮晶格极性氮化物半导体外延用复合结构；
18、6）对多层单晶二维材料的上下表面分别施加方向相反的平行于多层单晶二维材料所在平面的力，破坏准范德华外延衬底中多层单晶二维材料的层间范德华力耦合，使得准范德华外延衬底中的底层单晶衬底与氮晶格极性氮化物半导体外延用复合结构的界面分离，实现单晶氮化物半导体薄膜与底层单晶衬底界面分离的同时不破坏单晶氮化物半导体薄膜；
19、与底层单晶衬底界面分离的氮晶格极性氮化物半导体外延用复合结构进行翻转，以金刚石复合衬底为新的衬底，以氮化物半导体成核层为顶面，金刚石成核层、单晶氮化物半导体薄膜和氮化物半导体成核层均属于纤锌矿结构的氮化物半导体，纤锌矿结构的氮化物半导体缺乏反演对称中心，沿着c轴方向具有两种不同的晶格排列方式，分别对应金属晶格极性和氮晶格极性，纤锌矿结构的氮化物半导体的上下发生翻转导致晶格极性沿着c面发生翻转，金刚石复合衬底上的金刚石成核层、单晶氮化物半导体薄膜和氮化物半导体成核层展现出氮晶格极性；
20、7）采用腐蚀溶液腐蚀除去氮晶格极性的氮化物半导体成核层和下层氮化物半导体外延层，同时一起除去残留的多层单晶二维材料；刻蚀除去位错阻挡层，得到由碳掺杂半绝缘的上层氮化物半导体外延层、金刚石成核层和金刚石复合衬底构成的氮晶格极性氮化物半导体单晶模板；
21、8）在氮晶格极性氮化物半导体单晶模板上依次沉积非故意掺杂的氮化镓单晶薄膜和氮化镓基异质结构，得到金刚石复合衬底上的氮晶格极性氮化物半导体异质结构。
22、其中，在步骤1）中，底层单晶衬底为蓝宝石、碳化硅和硅中的一种，或者表面具有厚度厚的氮化镓或氮化铝单晶薄膜的蓝宝石、碳化硅和硅中的一种；多层单晶二维材料采用石墨烯、氮化硼和过渡金属硫族化合物中的一种或多种，厚度区间为2个原子层至50个原子层。多层单晶二维材料层间的范德华力耦合的结合强度不足共价键1/10。
23、在步骤2）中，氮化物半导体成核层的沉积方法采用金属有机物化学气相沉积、氢化物气相外延、物理气相沉积、脉冲激光沉积和磁控溅射中的一种；氮化物半导体成核层采用氮化铝、氮化镓、铝镓氮、铝铟镓氮和钪铝氮中的一种或两种，具有金属晶格极性，沉积温度区间为500 ℃至1100 ℃，厚度为10 nm ~100 nm。
24、在步骤3）中，下层和上层氮化物半导体外延层的沉积方法采用金属有机物化学气相沉积、氢化物气相外延、物理气相沉积、脉冲激光沉积和磁控溅射中的一种；下层氮化物半导体外延层沉积的厚度为；位错阻挡层的厚度2 nm ~10 nm，材料采用氧化硅或氮化硅。上层氮化物半导体外延层的厚度为，方阻≥1×106欧姆每方。位错阻挡层使得上层氮化物半导体外延层的位错密度≤2×108cm-2。缺陷聚集区为畴界或晶界，非缺陷聚集区为畴内部或晶粒内部。刻蚀氧化硅或氮化硅的时间为10秒~300秒。
25、在步骤4）中，金刚石成核层采用氮化铝和/或氮化硅，厚度为10 nm~100 nm；沉积方式为磁控溅射、物理气相沉积、等离子体增强化学气相沉积和原子层沉积中的一种。
26、在步骤5）中，沉积多晶金刚石层的沉积方法为化学气相沉积，沉积温度为300℃~800℃，厚度为。高散热能力支撑层采用由磁控溅射或物理气相沉积制备的无定形石墨，或者采用由电镀、磁控溅射和物理气相沉积中的一种方式制备的铜，热导率≥400 w/m·k，厚度为；多晶金刚石层和高散热能力支撑层的总厚度为。
27、在步骤7）中，腐蚀溶液采用氢氧根溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、过氧化氢溶液和光刻胶显影液中的一种；采用电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀除去位错阻挡层。
28、在步骤8）中，沉积方法为金属有机物化学气相沉积或磁控溅射，沉积温度为700℃~1350℃，沉积速率为3 nm/min~30 nm/min，非故意掺杂氮化镓单晶薄膜的厚度为、方阻为1×10-2欧姆每方~1×103欧姆每方，氮化镓基异质结构为氮化镓/铝镓氮、氮化镓/铝铟镓氮、铝镓氮/氮化铝和氮化镓/氮化铝中的一种。
29、本发明的金刚石基氮化物半导体异质结构的制备方法，制备金属极性氮化物半导体异质结构，包括以下步骤：
30、1）提供准范德华外延衬底，准范德华外延衬底包括底层单晶衬底以及位于底层单晶衬底上的多层单晶二维材料，多层单晶二维材料的层间采用范德华力耦合；多层单晶二维材料的表面为准范德华外延衬底的生长面；
31、2）在准范德华外延衬底的生长面沉积金属晶格极性的氮化物半导体成核层；
32、3）制备具有位错阻挡层的金属晶格极性的单晶氮化物半导体薄膜：
33、在氮化物半导体外延层的表面沉积下层氮化物半导体外延层；
34、在下层氮化物半导体外延层的表面沉积氧化硅或氮化硅，再采用酸溶液在室温下刻蚀氧化硅或氮化硅，调节刻蚀时间使得氧化硅或氮化硅的缺陷聚集区被刻穿，非缺陷聚集区结构得到保留，使得在氧化硅或氮化硅的缺陷聚集区形成多孔结构，从而得到具有多孔结构的位错阻挡层；
35、在位错阻挡层的表面继续沉积碳掺杂半绝缘的上层氮化物半导体外延层；
36、位错阻挡层阻止下层氮化物半导体外延层中的位错向上扩展，减小位错阻挡层上的上层氮化物半导体外延层的位错密度；
37、下层氮化物半导体外延层、位错阻挡层和上层氮化物半导体外延层均为金属晶格极性，三者构成单晶氮化物半导体薄膜；
38、4）以上层氮化物半导体外延层的表面为键合面，将单晶氮化物半导体薄膜、氮化物半导体成核层和准范德华外延衬底与临时衬底键合；临时衬底、单晶氮化物半导体薄膜和氮化物半导体成核层构成临时复合结构；
39、5）对多层单晶二维材料的上下表面施加方向相反的平行于多层单晶二维材料所在平面的力，破坏准范德华外延衬底中多层单晶二维材料的层间范德华力结合，实现准范德华外延衬底中的底层单晶衬底与临时复合结构的界面机械分离；
40、刻蚀除去临时复合结构中氮化物半导体成核层上残留的多层单晶二维材料；
41、与底层单晶衬底界面分离的临时复合结构中以临时衬底为新的衬底，以氮化物半导体成核层为顶面，单晶氮化物半导体薄膜和氮化物半导体成核层均属于氮化物半导体，氮化物半导体缺少反演对称中心，沿着c轴方向具有两种不同的晶格排列方式，分别对应金属晶格极性和氮晶格极性，在准范德华外延衬底上制备的单晶氮化物半导体薄膜和氮化物半导体成核层具有金属晶格极性，转移至临时衬底后，单晶氮化物半导体薄膜和氮化物半导体成核层的晶格极性沿着c面发生翻转，临时衬底上的单晶氮化物半导体薄膜和氮化物半导体成核层展现出氮晶格极性；
42、6）在氮化物半导体成核层的表面沉积金刚石成核层；
43、7）制备金刚石复合衬底：
44、在金刚石成核层的表面沉积多晶金刚石层；
45、在多晶金刚石层的表面低温沉积高散热能力支撑层；
46、多晶金刚石层和高散热能力支撑层构成金刚石复合衬底；
47、8）采用化学腐蚀法破坏单晶氮化物半导体薄膜与临时衬底的键合，从而分离临时衬底，原临时衬底上的单晶氮化物半导体薄膜和氮化物半导体成核层沿c面发生翻转，晶格极性从氮晶格极性变回金属晶格极性，得到由单晶氮化物半导体薄膜、氮化物半导体成核层、金刚石成核层和金刚石复合衬底构成的金属晶格极性氮化物半导体单晶模板；
48、9）在金属晶格极性氮化物半导体单晶模板上依次沉积非故意掺杂氮化镓单晶薄膜和氮化镓基异质结构，得到金刚石复合衬底上的金属晶格极性氮化物半导体异质结构。
49、其中，在步骤4）中，临时衬底为硅、石英、刚玉、玻璃或蓝宝石，键合方式为金属键合、石蜡键合或胶键合，键合温度为室温~300 ℃。
50、在步骤5）中，采用电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀除去临时复合结构中氮化物半导体成核层上残留的多层单晶二维材料。
51、在步骤6）中，金刚石成核层采用氮化铝和/或氮化硅，厚度为；沉积方式为磁控溅射、物理气相沉积、等离子体增强化学气相沉积和原子层沉积中的一种。
52、在步骤7）中，多晶金刚石层的沉积方法为化学气相沉积，沉积温度为300℃~800℃，厚度为；高散热能力支撑层采用磁控溅射或物理气相沉积中制备的无定形石墨，或者采用电镀、磁控溅射和物理气相沉积中的一种方式制备的铜，热导率≥400 w/m·k，厚度为；多晶金刚石层和高散热能力支撑层的总厚度为。
53、在步骤8）中，化学腐蚀法顺次采用盐酸溶液、去离子水、丙酮溶液、乙醇溶液、去离子水、氢氧根溶液和去离子水清洗，破坏临时衬底与其上结构的界面键合，去离子水清洗时采用室温，其他溶液清洗时温度为50 ℃~100℃。
54、在步骤9）中，沉积方法为金属有机物化学气相沉积或磁控溅射中，沉积温度为700℃~1350℃，沉积速率为3 nm/min~30 nm/min，非故意掺杂氮化镓单晶薄膜的厚度为、方阻为1×10-2欧姆每方~1×103欧姆每方，氮化镓基异质结构为氮化镓/铝镓氮、氮化镓/铝铟镓氮、铝镓氮/氮化铝和氮化镓/氮化铝中的一种。
55、本发明的优点：
56、本发明通过将在单晶二维材料/单晶衬底上外延制备的单晶氮化物半导体结构剥离转移至多晶金刚石层/高散热能力支撑层，解决了金刚石复合衬底表面缺少单晶氮化物半导体结构外延所需长程有序界面的问题，能够按需制备出金属晶格极性或氮晶格极性的氮化物异质结构，得到高质量且低热阻的金刚石基氮化物半导体异质结构，同时精细的结构设计与工艺方案使得单晶氮化物半导体结构与多晶金刚石层/高散热能力支撑层间没有氧化硅或氮化硅等中间层具有陡峭界面，能够降低界面热阻，并提升单晶氮化物半导体结构热管理能力，具有材料晶体质量高和尺寸扩展能力强等优点，能够满足大功率且高频率电子器件研制的材料需求。
1.一种金刚石基氮化物半导体异质结构的制备方法，制备氮晶格极性氮化物半导体异质结构，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1）中，多层单晶二维材料采用石墨烯、氮化硼和过渡金属硫族化合物中的一种或多种，厚度区间为2个原子层至50个原子层。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2）中，氮化物半导体成核层采用氮化铝、氮化镓、铝镓氮、铝铟镓氮和钪铝氮中的一种或两种，沉积温度区间为500 ℃~1100℃。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤3）中，位错阻挡层的厚度2 nm ~10 nm；缺陷聚集区为畴界或晶界，非缺陷聚集区为畴内部或晶粒内部。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤5）中，高散热能力支撑层采用由磁控溅射或物理气相沉积制备的无定形石墨，或者采用由电镀、磁控溅射和物理气相沉积中的一种制备的铜。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤7）中，腐蚀溶液采用氢氧根溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、过氧化氢溶液和光刻胶显影液中的一种；采用电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀除去位错阻挡层。
7.一种金刚石基氮化物半导体异质结构的制备方法，制备金属极性氮化物半导体异质结构，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤4）中，临时衬底为硅、石英、刚玉、玻璃或蓝宝石中，键合方式为金属键合、石蜡键合或胶键合中，键合温度为室温~300 ℃。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤5）中，采用电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀除去临时复合结构中氮化物半导体成核层上残留的多层单晶二维材料。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤8）中，化学腐蚀法顺次采用盐酸溶液、去离子水、丙酮溶液、乙醇溶液、去离子水、氢氧根溶液和去离子水清洗，破坏临时衬底与其上结构的界面键合。
