專利名稱：氮化物半導(dǎo)體層分離方法、半導(dǎo)體器件和晶片及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體層的分離方法、半導(dǎo)體器件及其制造方法。本發(fā)明還涉及半導(dǎo)體晶片及其制造方法。
背景技術(shù)：
作為半導(dǎo)體器件的常規(guī)制造方法，專利文獻No. 1公開了一種LED(發(fā)光二極管) 的制造方法，其中在藍寶石襯底上依次生長緩沖層、η型氮化物半導(dǎo)體層、有源層、P型氮化 物半導(dǎo)體層、η型接觸層，從而形成半導(dǎo)體晶片。進一步地，蝕刻這些層以部分地除去η型 接觸層、P型氮化物半導(dǎo)體層和有源層，并且暴露η型氮化物半導(dǎo)體層。然后，使用沉積方 法在η型氮化物半導(dǎo)體層的暴露的表面上以及在η型接觸層的表面上形成Al (鋁)電極。 其后，執(zhí)行熱處理以確保充分接觸。使用MOCVD (金屬有機化學(xué)汽相沉積)方法執(zhí)行上述各層(即各半導(dǎo)體外延層) 的生長。使用這種方法，制造具有高發(fā)光效率的氮化物L(fēng)ED。近來，需要集成由不同材料形成的LED或者集成具有不同功能的半導(dǎo)體器件。為 此，優(yōu)選的是將外延半導(dǎo)體層與藍寶石襯底(稱為第一襯底)分離，并且將半導(dǎo)體外延層固 定到另一襯底(稱為第二襯底)。常規(guī)地，提出了一種激光剝離方法，其中激光束被照射到藍寶石襯底的背面上，由 此分解藍寶石襯底附近的氮化物半導(dǎo)體層，通過該方法可以將半導(dǎo)體外延層與藍寶石襯底 分離。更具體地說，照射到藍寶石襯底背面上的激光束使得GaN(氮化鎵)在藍寶石襯底和 氮化物半導(dǎo)體層的界面處分解成Ga(鎵)和N(氮)。由于Ga的熔點在室溫下，因此可以將 半導(dǎo)體外延層與藍寶石襯底分離。然而，在該方法中，與藍寶石襯底分離的半導(dǎo)體外延層的分離表面不具有足夠的 平整度(即在納米級)。為了利用分子間力將氮化物半導(dǎo)體外延層接合(join)到不同于第一襯底(藍寶 石襯底)的第二襯底，優(yōu)選的是半導(dǎo)體外延層的分離表面具有納米級的平整度。如果(與 第一襯底分離的)半導(dǎo)體外延層的分離表面不具有納米級的平整度，則不能獲得足夠的分 子間力(即接合力)。因此，在專利文獻No. 1公開的方法中，需要在上述使用剝離方法的分離過程之后 執(zhí)行表面處理來增強半導(dǎo)體外延層的分離表面的平整度。同時，已經(jīng)主要針對在晶格匹配襯底上生長半導(dǎo)體層開發(fā)了半導(dǎo)體晶體生長技 術(shù)。近來，已經(jīng)針對在晶格失配襯底上生長半導(dǎo)體層開發(fā)了非平衡外延生長技術(shù)，例如 MBE (分子束外延)或MOCVD (金屬有機化學(xué)汽相沉積)。在這點上，例如，專利文獻No. 2公 開了一種氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法，其中在藍寶石襯底的表面上形成非晶氮化物層和 GaN緩沖層的疊層，然后在該疊層上生長氮化物半導(dǎo)體層。然而，在專利文獻No. 2公開的方法中，在氮化物半導(dǎo)體層和藍寶石襯底之間存在 約10%的晶格失配。當(dāng)進行晶體生長同時保持與襯底的共價結(jié)合(bonding)時，由于在界面處的這種晶格失配可能形成晶體缺陷。因此，在生長的氮化物半導(dǎo)體層的晶體特性增強 方面存在限制。在這點上，高質(zhì)量和大直徑的氮化物半導(dǎo)體晶片仍舊處于開發(fā)過程中。因此，對于 在晶格失配襯底上的高質(zhì)量和大直徑單晶體氮化物半導(dǎo)體的晶體生長技術(shù)已經(jīng)存在需求。專利文獻No. 1 日本特開專利公開物No. 2006-135311。專利文獻No. 2 日本特開專利公開物No. H09-18053。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種氮化物半導(dǎo)體層的分離方法、半導(dǎo)體器件及其制造方法，該 制造方法能夠有助于氮化物半導(dǎo)體層與襯底的分離。進一步地，本發(fā)明旨在提供一種半導(dǎo)體晶片及其制造方法，該制造方法能夠通過 在晶格失配襯底上的晶體生長來產(chǎn)生基本上沒有晶體缺陷的高質(zhì)量的單晶體氮化物半導(dǎo) 體。本發(fā)明提供一種氮化物半導(dǎo)體層的分離方法。該分離方法包括以下步驟在第一 襯底的表面上生長單層或者兩層或更多層形式的石墨烯(graphene)層，在該石墨烯層上 形成氮化物半導(dǎo)體層使得氮化物半導(dǎo)體層利用由于其間界面處的原子級電勢(potential) 的規(guī)則性產(chǎn)生的結(jié)合力而不是利用共價結(jié)合被結(jié)合到石墨烯層，以及利用大于氮化物半導(dǎo) 體層與石墨烯層之間的結(jié)合力的力或者利用大于石墨烯層的各層之間的結(jié)合力的力將氮 化物半導(dǎo)體層與第一襯底分離。本發(fā)明還提供一種氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法。該制造方法包括上述氮化物半 導(dǎo)體層的分離方法。該制造方法還包括將氮化物半導(dǎo)體層接合到第二襯底的表面的步驟。本發(fā)明還涉及一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該制造方法包括以下步驟在第一襯 底的表面上生長單層或者兩層或更多層形式的石墨烯層，在該石墨烯層上形成氮化物半導(dǎo) 體層使得氮化物半導(dǎo)體層利用由于其間界面處的原子級電勢的規(guī)則性產(chǎn)生的結(jié)合力而不 是利用共價結(jié)合被結(jié)合到石墨烯層，將氮化物半導(dǎo)體層的表面接合到第二襯底的表面，以 及利用大于氮化物半導(dǎo)體層與石墨烯層之間的結(jié)合力的力將氮化物半導(dǎo)體層與第一襯底 分離。本發(fā)明還提供一種包括氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件，該氮化物半導(dǎo)體層是通過 下述步驟形成的在第一襯底上的單層或者兩層或更多層形式的石墨烯層上生長氮化物半 導(dǎo)體層使得氮化物半導(dǎo)體層利用由于其間界面處的原子級電勢的規(guī)則性產(chǎn)生的結(jié)合力而 不是利用共價結(jié)合被結(jié)合到石墨烯層，利用大于氮化物半導(dǎo)體層與石墨烯層之間的結(jié)合力 的力或者利用大于石墨烯層的各層之間的結(jié)合力的力將氮化物半導(dǎo)體層與第一襯底分離， 以及將氮化物半導(dǎo)體層接合到第二襯底的表面。本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體晶片的制造方法，其中在半導(dǎo)體襯底的表面上生長單晶 體半導(dǎo)體層。該制造方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底的表面上提供石墨烯層，以單晶體半 導(dǎo)體層的晶體的一個構(gòu)成元素被吸附到石墨烯層的碳原子的蜂窩結(jié)構(gòu)的中心部分并且該 晶體的另一構(gòu)成元素被結(jié)合到該一個構(gòu)成元素的方式在石墨烯層上形成單晶體半導(dǎo)體層 的第一層，以及在該第一層的表面上生長單晶體半導(dǎo)體層。本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體晶片，其中單晶體半導(dǎo)體層被生長在襯底的表面上。該半導(dǎo)體晶片包括襯底、在襯底的表面上提供的石墨烯層、以及在石墨烯層的表面上生長的 單晶體半導(dǎo)體層。該單晶體半導(dǎo)體層以這樣的方式形成即單晶體半導(dǎo)體層的晶體的一個 構(gòu)成元素被吸附到石墨烯層的碳原子的蜂窩結(jié)構(gòu)的中心部分，并且該晶體的另一構(gòu)成元素 被結(jié)合到該一個構(gòu)成元素。由下文給出的詳細描述，本發(fā)明的進一步的適用范圍將變得明顯。然而，應(yīng)當(dāng)理 解，詳細描述和具體實施例盡管表示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是僅被提供用于說明目的， 因為在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的多種改變和變型將由該詳細描述而對于本領(lǐng)域技術(shù)人員 變得明顯。
在附圖中圖IA是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的生長有石墨烯層的襯底的截面圖；圖IB是示出外延石墨烯層的結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法的流程圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有氮化物半導(dǎo)體層的生長有石墨烯層 的襯底的截面圖；圖4A、4B和4C是分別示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的氮化物半導(dǎo)體層的實例的 截面圖；圖5A和5B是分別示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的氮化物半導(dǎo)體層的實例的截面 圖；圖6A和6B是分別示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的氮化物半導(dǎo)體層的實例的截面 圖；圖7A是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有氮化物半導(dǎo)體層的生長有石墨烯層 的襯底的截面圖，其中支撐體粘附層被提供在氮化物半導(dǎo)體層上；圖7B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有氮化物半導(dǎo)體層的生長有石墨烯層 的襯底的截面圖，其中支撐體粘附層和支撐體被提供在氮化物半導(dǎo)體層上；圖8A是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的支撐體被拉伸以便引起在結(jié)合表面處各 石墨層之間分離的過程的截面圖；圖8B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的支撐體被拉伸以便引起氮化物半導(dǎo)體層 與外延石墨層在其間的結(jié)合表面處分離的過程的截面圖；圖9A和9B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的在氮化物半導(dǎo)體層和外延石墨層之 間的結(jié)合表面處的狀態(tài)的示意圖；圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的借助負壓吸引將氮化物半導(dǎo)體層與SiC 襯底分離的過程的截面圖；圖IlA和IlB是分別示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的將氮化物半導(dǎo)體層接合到第 二襯底的過程的截面圖；圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有形成于其上的接合層的第二襯底的 結(jié)構(gòu)的截面圖；圖13A和13B是分別示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有與其接合的氮化物半導(dǎo)體層的第二襯底的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖14A和14B是分別示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有通過接合層與其接合的 氮化物半導(dǎo)體層的第二襯底的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖15是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的被分成隔離島(isolated island)的氮 化物半導(dǎo)體層的平面圖；圖16A是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的被分成隔離島的氮化物半導(dǎo)體層的平 面圖；圖16B是示出具有沿圖16A中的線16B-16B被分成隔離島的氮化物半導(dǎo)體層的生 長有石墨烯層的襯底的截面圖；圖17是示出根據(jù)第二實施例的具有隔離島的氮化物半導(dǎo)體襯底的截面圖；圖18A和18B是分別示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的SiC襯底、外延石墨烯層和 氮化物半導(dǎo)體層的疊層被接合到第二襯底的過程的截面圖；圖19A和19B是分別示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的將SiC襯底與氮化物半導(dǎo)體 層分離的過程的截面圖；圖20A-20E是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的半導(dǎo)體襯底的制造過程的截面圖；圖21是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的單晶體氮化物半導(dǎo)體晶片的截面圖；圖22是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的單晶體氮化物半導(dǎo)體晶片的制造過程的 流程圖；圖23A是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的生長有石墨烯層的襯底的截面圖；以及圖23B是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的單晶體半導(dǎo)體晶片的截面圖。
具體實施例方式在下文將參考附圖來描述本發(fā)明的實施例。本發(fā)明不限于下面描述的實施例，并 且在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對本發(fā)明進行變型和改進。第一實施例圖1A-13B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的半導(dǎo)體層(即半導(dǎo)體薄膜)的分離 方法和氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法的視圖。圖IA示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的生長有石墨烯層的襯底200(即具有外延 石墨烯層的襯底)。該生長有石墨烯層的襯底200包括作為第一襯底(即半導(dǎo)體襯底)的 SiC襯底101和形成在襯底101上的外延石墨烯層110。外延石墨烯層110為單層形式，或 者為兩層或更多層的形式。在該實例中，外延石墨烯層Iio包括三個石墨烯層IllaUllb 和 111c。圖IB示意性地示出外延石墨烯層110的結(jié)構(gòu)。外延石墨烯層110包括層疊的三 個石墨烯層IllaUllb和111c。這些石墨烯層11 la、11 Ib和Illc不是共價接合的，而是通 過弱作用力(例如范德華力)彼此接合。石墨烯層IllaUllb和Illc中的每一個形成由 碳(C)原子構(gòu)成的二維片(sheet)，所述碳原子被結(jié)合成六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)。在圖IB中，石 墨烯片Illa的碳原子用黑圖示出，石墨烯片Illb的碳原子用帶點的圖示出，石墨烯片Illc 的碳原子用白圖示出。石墨烯是一種具有獨特的帶結(jié)構(gòu)的新材料，它被描述為無質(zhì)量費米子。石墨烯基本上具有類似于具有圓柱形狀的碳納米管(CNT)的電特性的電特性(例如彈道輸運)。與 CNT不同的是，石墨烯具有片狀結(jié)構(gòu)，并且因此與微制造工藝(用于常規(guī)LSI)兼容，所述微 制造工藝有利于促進集成。接下來，將參考圖2描述將氮化物半導(dǎo)體層與SiC襯底分離并且將氮化物半導(dǎo)體 層接合到另一襯底的方法。圖2是示出根據(jù)第一實施例的氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法的 流程圖。首先，在SiC襯底101上生長石墨烯層111a、Illb和Illc (步驟Si)。然后，在石 墨烯層IllaUllb和Illc的表面上生長氮化物半導(dǎo)體層114(步驟S2)。然后，將氮化物半 導(dǎo)體層114分成多個區(qū)域(步驟S3)。然后，將已經(jīng)被分成多個區(qū)域的氮化物半導(dǎo)體層114 與SiC襯底101分離(步驟S4)。然后，將氮化物半導(dǎo)體層114接合到另一襯底，即不同于 SiC襯底101的第二襯底(步驟S5)。氮化物半導(dǎo)體層114(尤其是GaN)具有對稱性接近 于外延石墨烯層110的對稱性的六邊形晶體結(jié)構(gòu)，并且因此僅借助物理結(jié)合將氮化物半導(dǎo) 體層114接合到石墨烯層110。為此，在將氮化物半導(dǎo)體層114與外延石墨烯層110分離之 后，在氮化物半導(dǎo)體層114的分離表面上沒有產(chǎn)生晶體缺陷。也就是，氮化物半導(dǎo)體層114 的分離表面具有納米級的平整度。因此，可以借助分子間力將氮化物半導(dǎo)體層114(已經(jīng)與 石墨烯層110分離)接合到第二襯底130 (稍后將描述)。在步驟Sl中，在SiC襯底101上生長外延石墨烯層110(即石墨烯層IllaUllb 和111c)，因此獲得生長有石墨烯層的襯底200 (圖1A)。通過對SiC襯底101的表面執(zhí) 行高溫氫蝕刻工藝和高溫加熱工藝來形成外延石墨烯層110(參見日本特開專利公開物 No. 2009-62247)。這里，將參考圖3來描述用于在生長有石墨烯層的襯底200的表面上生長氮化物 半導(dǎo)體層114的過程(步驟S2)。這里的描述是在假定氮化物半導(dǎo)體是GaN的情況下進行 的。將生長有石墨烯層的襯底200放置在晶體生長設(shè)備中，例如MBE(分子束外延)設(shè)備或 MOCVD(金屬有機化學(xué)汽相沉積)設(shè)備。然后，在晶體生長設(shè)備中加熱生長有石墨烯層的襯 底200，并且將鎵(Ga)和活性氮供應(yīng)到晶體生長設(shè)備。通過電子回旋共振(ECR)或高頻激 發(fā)自由基源(high frequency excited radical source)來供應(yīng)活性氮。在該過程中，鎵(Ga)被吸附到石墨烯層的碳原子的蜂窩結(jié)構(gòu)的中心部分，因此形 成具有六重對稱性的第一層。進一步地，活性氮(N)被結(jié)合到鎵(Ga)的第一層，因此形成 六邊形GaN(h-GaN)的第一層。鎵(Ga)沒有與外延石墨烯層110 (石墨烯層IllaUllb和 Illc)共價結(jié)合，并且因此沒有出現(xiàn)由于晶格失配導(dǎo)致的晶體缺陷。為此，可以將氮化物半 導(dǎo)體層114與石墨烯層IllaUllb和Illc分離而不會導(dǎo)致產(chǎn)生晶體缺陷。分離的氮化物 半導(dǎo)體層114具有平整度在納米級的分離表面，并且因此可以利用分子間力將氮化物半導(dǎo) 體層114接合到另一襯底(即稍后將描述的第二襯底130)。通過在第一GaN層上生長第二和第三GaN層(以及隨后的GaN層，如果需要的話)， 形成具有預(yù)定數(shù)目的層的單晶體GaN層。由于GaN的第一層不具有(由于晶格失配導(dǎo)致產(chǎn) 生的)晶體缺陷，因此所得到的氮化物半導(dǎo)體(GaN)層基本上不具有晶體缺陷。由此，獲得 高質(zhì)量的單晶體半導(dǎo)體層。利用上述過程，在外延石墨烯層110的表面上形成具有預(yù)定結(jié) 構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體層114，如圖3所示。結(jié)果，形成如圖3所示的氮化物半導(dǎo)體層/生長有 石墨烯層的襯底150。
圖4A和4B示出構(gòu)成發(fā)光元件的氮化物半導(dǎo)體層114的實例。圖4A中所示的氮化物半導(dǎo)體層114A包括η型GaN層502、n型AlsGai_sN(l≥s≥0) 層503、多量子阱層504、p型AltGai_tN(l≥t≥0)層505和ρ型GaN層506，這些層以上述 順序?qū)盈B。η型GaN層502和η型AlsGa1J(1≥s≥彡0)層503被摻雜了 Si。ρ型AltGa^N 層505和ρ型GaN層506被摻雜了 Mg。多量子阱層504由例如GayIni_yN/GaxIni_xN/. . . / GaJnhN/GaJnhN/GaJrihNa (1≥ y ≥ χ ≥ 0)構(gòu)成。圖4Β中所示的氮化物半導(dǎo)體層114Β包括在外延石墨烯層110 (圖3Α)和氮化物 半導(dǎo)體層114Α的η型GaN層502 (圖4Α)之間的緩沖層501。緩沖層501至少包含Ga。緩 沖層501由例如GaiIrviNd(1≥i≥0)或≥j≥0)構(gòu)成。圖4C中所示的氮化物半導(dǎo)體層114C包括緩沖層601 (例如，GaiIrviNd(1≥i≥0) 或 AljGahjNd(1 ≥ j ≥ 0))、η 型 GaN 層 602、η 型 GaxIrvxNd(1 ≥ χ ≥ 0)層 603、ρ 型 AlyGa1^yNd(1≥y≥0)層604和ρ型GaN層605，這些層以上述順序?qū)盈B。η型GaN層602被 摻雜了 Si。ρ型AlyG&1_yN層604和ρ型GaN層605被摻雜了 Mg。必要時可以省略緩沖層 601。圖5A、5B、6A和6B示出了構(gòu)成除發(fā)光元件以外的其它元件的氮化物半導(dǎo)體層的實例。圖5A中所示的氮化物半導(dǎo)體層114D被用作例如光電二極管。氮化物半導(dǎo) 體層114D包括緩沖層701 (例如，GaiInwNd(1≥i≥0)或AljGa1^jNd(1≥j≥0))、 η型AlxGa^Nd(1≥χ≥0)層702、i型(本征)AlyGa^yN (1彡y彡0)層703和ρ型 AlxGa1^xNd(1≥χ≥0)層704，這些層以上述順序?qū)盈B。必要時可以省略緩沖層701。圖5Β中所示的氮化物半導(dǎo)體層114Ε被用作例如HB型(異質(zhì)-雙極型)光 電晶體管。氮化物半導(dǎo)體層114Ε包括緩沖層801(例如，GaiIn1^iNd彡i彡0)或 AljGa1^Nd (1≥ j ≥ 0))、n+ 型 AlxGai_xN(l≥ χ ≥ 0)層 802、rT 型 AlyGa^yN(1 ≥ y ≥ 0)層 803、ρ型GaN層804和p+型GaN層805，這些層以上述順序?qū)盈B。必要時可以省略緩沖層 801。圖6A中所示的氮化物半導(dǎo)體層114F被用作例如HEMT(高電子遷移率晶體管)。 氮化物半導(dǎo)體層114F包括未摻雜的GaN層902、未摻雜的AlxGai_xN(l≥χ≥0)層903和 η型GaN層904，這些層以上述順序?qū)盈B。圖6Α中所示的氮化物半導(dǎo)體層114G被用作例如MESFET (金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶 體管)。氮化物半導(dǎo)體層114G包括未摻雜的GaN層1002和η型GaN層1003，這些層以 上述順序?qū)盈B。在圖6Α和6Β中示出的氮化物半導(dǎo)體層114F和114G中，還可以在未摻雜 的GaN層902或未摻雜的GaN層1002下面提供緩沖層(例如，GaiInwNd≥i≥0)或 AljGa1^Nd ≥ j ≥ 0))。在該實施例中可以省略用于將氮化物半導(dǎo)體層114分成多個區(qū)域(具有預(yù)定形 狀)的步驟S3 (圖2)。接下來，將描述氮化物半導(dǎo)體層114與SiC襯底101的分離(圖2中的步驟S4)。首先，在SiC襯底101上的外延石墨烯層110和氮化物半導(dǎo)體層114的疊層上形 成支撐體粘附層122。支撐體粘附層122表現(xiàn)出與氮化物半導(dǎo)體層114的高度粘附。支撐體粘附層122的表面和氮化物半導(dǎo)體層114的表面之間的粘附力(即粘合強度)優(yōu)選大于氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層111之間的分子間力。支撐體粘附層122優(yōu) 選由具有粘性的材料構(gòu)成，所述材料例如是可以使用去除液(removing liquid)去除(剝 落)的有機涂覆材料，或者是在被施加熱、紫外線等時表現(xiàn)出可除去性的粘合劑。另外，如圖7B所示，支撐體124被粘附到支撐體粘附層122的表面，用于在氮化物 半導(dǎo)體層114(或氮化物半導(dǎo)體層114和外延石墨烯層110的疊層)的分離過程期間支撐 氮化物半導(dǎo)體層114 (或氮化物半導(dǎo)體層114和外延石墨烯層110的疊層)。支撐體124具 有在分離之后支撐氮化物半導(dǎo)體層114 (或氮化物半導(dǎo)體層114和外延石墨烯層110的疊 層)的作用。支撐體124優(yōu)選具有以大于各石墨烯層IllaUllb和Illc之間的分子間力 的粘合強度粘附到支撐體粘附層122的粘附表面。支撐體124優(yōu)選由玻璃襯底、陶瓷襯底、 石英襯底、半導(dǎo)體襯底(例如Si等)構(gòu)成。圖8A和8B示出支撐體124被向上拉伸以便將氮化物半導(dǎo)體層114與SiC襯底 101分離的過程(圖2中的步驟S4)。在形成外延石墨烯層110、氮化物半導(dǎo)體層114、支撐體粘附層122和支撐體124 的疊層之后，利用大于石墨烯層IllaUllb和Illc之間的分子間力的力F將支撐體124從 SiC襯底101拉開，如圖8A所示，因此石墨烯層Illa和石墨烯層11 Ib彼此分離?；蛘撸绻?利用大于氮化物半導(dǎo)體層114和外延石墨烯層110(即最上面的石墨烯層Illa)之間的分 子間力的力F將支撐體124從SiC襯底101拉開，則氮化物半導(dǎo)體層114與石墨烯層Illa 分離，如圖8B所示。在這點上，圖8A示出了氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa與SiC襯底101分 離的狀態(tài)。然而，還可以是氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa和Illb與SiC襯底101 分離。圖9A和9B是示出氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa之間的分子間力的示意 圖。圖9A示出了氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層11 Ia之間的界面。圖9B示出了例如SiC 襯底101與石墨烯層Illc彼此直接接合的狀態(tài)。氮化物半導(dǎo)體層114 (尤其是GaN)具有六方柱(hexagonal colum)的晶體結(jié)構(gòu)。 在該六方柱的每一個端表面上，氮(N)原子以六邊形形狀彼此二維地結(jié)合。在石墨烯層 Illa中，碳(C)原子以六邊形形狀彼此二維地結(jié)合(參見圖1B)。因此，如圖9A所示，氮原 子(排列成六邊形)被布置在碳原子之間。因此，氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa沒 有彼此共價結(jié)合，而是由于在表面處的電勢的規(guī)則性(即在其間的界面處的原子級的電勢 的規(guī)則性)而彼此物理地結(jié)合。圖9B示出了例如SiC襯底101與石墨烯層Illc彼此直接接合的狀態(tài)。SiC襯底 101具有四面體晶體結(jié)構(gòu)。如果SiC層被堆疊使得兩個層形成一個堆疊周期，則SiC襯底 101具有六邊形對稱性。因此，SiC襯底101在具有六邊形對稱性方面類似于石墨烯層111c。 然而，SiC襯底101在接合表面(即單層)處不具有六邊形對稱性。因此，SiC襯底101與 石墨烯層IllC彼此共價結(jié)合。換句話說，SiC襯底101和石墨烯層Illc不僅借助由于電 勢規(guī)則性產(chǎn)生的弱作用力彼此結(jié)合，而且還借助通過鍵的強作用力彼此結(jié)合。更具體地說，氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa之間的結(jié)合以及石墨烯層Illa 和Illb之間的結(jié)合是相對弱的。相比之下，SiC襯底101和石墨烯層Illc之間的結(jié)合是強 的。在這點上，變形層(metamorphic layer)形成在氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa之
10間，并且因此氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa之間的結(jié)合強于石墨烯層Illa和Illb 之間的結(jié)合。相應(yīng)地，例如，當(dāng)如圖10所示通過真空吸附向上拉伸支撐襯底124時，石墨烯層 11 Ia和11 Ib可以彼此分離，或者氮化物半導(dǎo)體層103可以與石墨烯層11 Ia分離，而不會在 分離表面上形成晶體缺陷。因此，分離表面具有納米級的平整度。在氮化物半導(dǎo)體層114與SiC襯底101分離(參見圖8B)之后，使氮化物半導(dǎo)體 層114與另一襯底(即第二襯底130)的表面直接接觸，如圖IlA所示，并且氮化物半導(dǎo)體層 114被固定到第二襯底130的表面?；蛘?，在氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa與SiC 襯底101分離(參見圖8A)之后，使氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa與另一襯底(即 第二襯底130)的表面直接接觸，如圖IlB所示，并且氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa 被固定到第二襯底130的表面。利用上述過程，第二襯底130的表面和氮化物半導(dǎo)體層114 的表面(或者石墨烯層Illa的表面)借助分子間力彼此結(jié)合(參見步驟S5(圖2))。在這點上，可以使氮化物半導(dǎo)體層114(或氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa) 與形成在第二襯底130上的接合層132的表面直接接觸，如圖12所示，以便氮化物半導(dǎo)體 層114(或氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa)借助分子間力與接合層132的表面直接 接合。如果氮化物半導(dǎo)體層114(或氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa)借助分子間 力接合到第二襯底130，則優(yōu)選的是氮化物半導(dǎo)體層114(或石墨烯層Illa)的表面具有納 米級的平整度。在這點上，“納米級的平整度”指的是使用原子力顯微鏡(AFM)測量的表面 粗糙度(更具體地說是最大凹谷深度，Rrv，即最大峰-谷差)小于lOnm。更優(yōu)選的是，形 成在第二襯底130上的接合層132的表面的表面粗糙度Rrv小于或等于3nm。第二襯底130優(yōu)選是例如Si襯底、陶瓷襯底(諸如AlN襯底)、玻璃襯底、石英襯 底、塑料襯底或金屬襯底。形成在第二襯底130上的接合層132優(yōu)選由選自例如Si02、SiN、 SiON、PSG、BSG、SOG、金屬和有機物質(zhì)的材料構(gòu)成。使用例如等離子體CVD法、CVD法或濺射 法形成接合層132。在這點上，還可以借助通過界面的原子擴散或化合物形成(而不是借助分子間 力)來將氮化物半導(dǎo)體層114 (或石墨烯層Illa)接合到第二襯底130 (或接合層132)。在氮化物半導(dǎo)體層114 (或氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa)接合到第二襯 底130 (或第二襯底130上的接合層132)之后，從氮化物半導(dǎo)體層114的表面去除支撐體 粘附層122和支撐體124，如圖13A和13B所示。可以通過使用去除液、熱或紫外線去除支 撐體粘附層122來執(zhí)行支撐體粘附層122和支撐體124的去除。在使用去除液(蝕刻液) 去除支撐體粘附層122和支撐體124的情況下，支撐體124由具有抵抗去除液腐蝕性的材 料制成將是有利的，因為支撐體124可以被再利用。圖13A示出了氮化物半導(dǎo)體襯底160A，其中氮化物半導(dǎo)體層114接合到第二襯底 130的表面。圖13B示出了氮化物半導(dǎo)體襯底160B，其中氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層 Illa的疊層接合到第二襯底130的表面。圖14A示出了氮化物半導(dǎo)體襯底160C，其中氮化 物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa的疊層通過接合層132接合到第二襯底130的表面。圖 14B示出了氮化物半導(dǎo)體襯底160D，其中氮化物半導(dǎo)體層114通過接合層132接合到第二 襯底130的表面。
在圖13A所示的氮化物半導(dǎo)體襯底160A中，氮化物半導(dǎo)體層114借助分子間力接 合到第二襯底130。在圖13B所示的氮化物半導(dǎo)體襯底160B中，氮化物半導(dǎo)體層114和石 墨烯層Illa的疊層借助分子間力接合到第二襯底130。在圖14A所示的氮化物半導(dǎo)體襯底 160C中，氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa的疊層借助分子間力通過接合層132接合 到第二襯底130。在圖14B所示的氮化物半導(dǎo)體襯底160D中，氮化物半導(dǎo)體層114借助分 子間力通過接合層132接合到第二襯底130。使用氮化物半導(dǎo)體襯底160B和160C(圖13B 和14A)，其中氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa的疊層被接合到第二襯底130，可以制 造諸如石墨烯晶體管的功能器件。根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，在已經(jīng)生長在SiC襯底101 (第一襯底)上的外延石墨 烯層110上生長氮化物半導(dǎo)體層114，并且使用大于石墨烯層IllaUllb和Illc之間的分 子間力的力或者使用大于石墨烯層Illa和氮化物半導(dǎo)體層114之間的分子間力的力將氮 化物半導(dǎo)體層114與SiC襯底101分離。因此，可以容易地將氮化物半導(dǎo)體層114與SiC 襯底101分離。進一步地，氮化物半導(dǎo)體層114或石墨烯層Illa的分離表面具有納米級的平整度 (即表面粗糙度小于lOnm)，并且因此可以借助分子間力等將氮化物半導(dǎo)體層114(或者氮 化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa)容易地接合到第二襯底130。變型在上述第一實施例中，還可以將支撐體粘附層122與支撐體124整體地形成。第二實施例在本發(fā)明的第二實施例中，將描述將氮化物半導(dǎo)體層114分成具有預(yù)定形狀的多 個區(qū)域的過程。必要時在這里會引用第一實施例的圖。如第一實施例中所描述的，在SiC襯底101 (即第一襯底)上生長外延石墨烯層 110，以及在外延石墨烯層110上生長氮化物半導(dǎo)體層114。氮化物半導(dǎo)體層114被配置為 例如圖 4A-6F 中所示的 114A、114B、114C、114D、114E、114F 或 114G。氮化物半導(dǎo)體層114被制造成預(yù)定元件形狀，使得在氮化物半導(dǎo)體層114上形成 多個元件。在圖15中，氮化物半導(dǎo)體層114被分成多個元件形成區(qū)域214和非元件形成區(qū)域 216。所述元件形成區(qū)域214分別被形成為隔離島314。非元件形成區(qū)域216被形成為包括 將各隔離島314隔離的隔離凹槽。在該實例中，各隔離島314具有細長的矩形形狀，并且排 列成兩行六列。通過光刻工藝和干法蝕刻工藝來形成隔離島314。圖16A是示出氮化物半導(dǎo)體層 114的平面圖。圖16B是沿圖16A中的線16B-16B的示出具有氮化物半導(dǎo)體層114的生長 有石墨烯層的襯底的截面圖。在圖16B中，隔離凹槽316被示為到達外延石墨烯層110的上表面。然而，隔離凹 槽316可以被形成為到達SiC襯底101的表面(或內(nèi)部)。進一步地，隔離凹槽316不限于 垂直延伸的凹槽。在形成氮化物半導(dǎo)體層的隔離島314之后，在其上形成如第一實施例中所描述的 支撐體粘附層122和支撐體124。其后，利用大于石墨烯層Illa和Illb之間的分子間力的 力將隔離島314(氮化物半導(dǎo)體層114)與SiC襯底101分離(參見圖8A)。或者，利用大于石墨烯層Illa和氮化物半導(dǎo)體層114之間的分子間力的力將隔離島314(氮化物半導(dǎo)體層 114)與SiC襯底101分離(參見圖8B)。利用上述過程，隔離島314與SiC襯底101分離。在隔離島314 (氮化物半導(dǎo)體層114)與SiC襯底101分離之后，將隔離島314接 合到如第一實施例中所描述的另一襯底(即第二襯底130)的表面上的預(yù)定位置，以便形 成氮化物半導(dǎo)體襯底160E?；蛘?，將隔離島314接合到如第一實施例中所描述的第二襯底 130的接合層132的表面上的預(yù)定位置，以便形成氮化物半導(dǎo)體襯底160E。圖17示出了氮 化物半導(dǎo)體襯底160E，其中隔離島314被接合到形成在第二襯底130上的接合層132的表 面。如同在第一實施例中，當(dāng)使用原子力顯微鏡(AFM)測量時，隔離島314的分離表面具有 小于IOnm的表面粗糙度(更具體地說是最大凹谷深度，Rrv，即最大峰-谷差)。由于隔離 島314具有這樣平整的分離表面，因此可以在隔離島314和第二襯底130 (或接合層132) 的分離表面之間獲得極好的接合。在這點上，當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體層114(通過分離凹槽316被分成隔離島314)被描述 成形成了諸如發(fā)光元件或電子元件的元件時，其意味著隔離島314被完成為可操作的元 件。當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體層114被描述為處于形成元件(例如發(fā)光元件或電子元件)的過程中 時，其意味著隔離島314還沒有被完成為元件，并且其還意味著氮化物半導(dǎo)體層114還沒有 被制造成預(yù)定元件。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，除了根據(jù)第一實施例的過程之外，還通過形 成凹槽316將氮化物半導(dǎo)體層114制造成具有預(yù)定形狀的隔離島314。因此，可以容易地將 氮化物半導(dǎo)體層114 (其形成了元件或者其處于形成元件的過程中)與SiC襯底101分離。第三實施例本發(fā)明的第三實施例在下列方面不同于第一和第二實施例。在已經(jīng)生長在SiC襯 底101 (即第一襯底)上的外延石墨烯層110上生長氮化物半導(dǎo)體層114，以便形成生長有 氮化物半導(dǎo)體層/石墨烯層的襯底400。然后，生長有氮化物半導(dǎo)體層/石墨烯層的襯底 400的表面(即氮化物半導(dǎo)體層114的與石墨烯層Illa側(cè)相對的表面)被接合到另一襯底 (即第二襯底130)(或形成在第二襯底130的表面上的接合層432)的表面。其后，將SiC 襯底101與氮化物半導(dǎo)體層114分離。在下文將參考圖18A、18B、19A和19B來描述第三實 施例。圖18A示出了生長有氮化物半導(dǎo)體層/石墨烯層的襯底400 (其中在SiC襯底101 上形成外延石墨烯層110和氮化物半導(dǎo)體層114)利用接合層432被接合到第二襯底130 的過程。接合層432具有利用大于分離SiC襯底101所需的力(稍后描述，圖19A)的力將 第二襯底130和氮化物半導(dǎo)體層114彼此接合的作用。圖18B示出了將氮化物半導(dǎo)體層114的表面接合到接合層432的過程。在該狀態(tài) 下，第二襯底130、接合層432、外延石墨烯層110和SiC襯底101從底部到頂部以上述順序?qū)又?。如圖19A所示，利用大于石墨烯層Illa和Illb之間的分子間力的力F或者利用 大于石墨烯層Illa和氮化物半導(dǎo)體層114之間的分子間力的力F將SiC襯底101從第二 襯底130拉開，以便將SiC襯底101與第二襯底130分離。在這點上，所述力F小于SiC襯 底101和石墨烯層Illc之間的接合力。圖19B示出了在將SiC襯底101與第二襯底130分離后的狀態(tài)，因此形成氮化物半導(dǎo)體襯底160F。氮化物半導(dǎo)體襯底160F包括第二襯底130、接合層432和氮化物半導(dǎo)體層114，這 些層從底部到頂部以上述順序?qū)盈B。如第二實施例中所描述的，氮化物半導(dǎo)體層114可以 被分成多個區(qū)域。氮化物半導(dǎo)體層114可以被配置為發(fā)光元件或電子元件。根據(jù)本發(fā)明的第三實施例，在已經(jīng)生長在SiC襯底101上的外延石墨烯層110的 表面上形成氮化物半導(dǎo)體層114，以便形成生長有氮化物半導(dǎo)體層/石墨烯層的襯底400， 并且將氮化物半導(dǎo)體層114的與石墨烯層Illa相對的表面接合到第二襯底130 (或形成在 第二襯底130上的接合層432)。其后，將SiC襯底101與氮化物半導(dǎo)體層114分離。因此， 除了第一和第二實施例的優(yōu)點之外，還可以省略用于形成支撐體(用于在分離過程期間支 撐氮化物半導(dǎo)體層)的過程。第四實施例接下來，將參考圖20A-22描述根據(jù)第四實施例的石墨烯襯底100和使用石墨烯襯 底100的單晶體氮化物半導(dǎo)體晶片300的制造方法。圖20A-20E是示出根據(jù)第四實施例的石墨烯襯底100的制造方法的示意圖。圖21 示出了單晶體氮化物半導(dǎo)體晶片300，其中氮化物半導(dǎo)體層114被形成在石墨烯襯底100的 表面上。圖22是示出使用石墨烯襯底100的單晶體氮化物半導(dǎo)體晶片300的制造過程的 流程圖。首先，在SiC襯底101的表面上形成外延石墨烯層110 (包括石墨烯層IllaUllb 和11 Ic)，以便形成生長有石墨烯層的襯底200 (步驟Sl 1)。然后，如圖20A所示，在SiC襯 底101上的外延石墨烯層110的表面上形成金屬粘附層120(步驟S12)。金屬粘附層120 由易于從外延石墨烯層110的表面擴散到外延石墨烯層110內(nèi)部的材料構(gòu)成。金屬粘附層 120用于將石墨烯層Illa與其它石墨烯層Illb和Illc分離(稍后描述)。金屬粘附層 120由例如鈦(Ti)層構(gòu)成，并且通過真空沉積被形成在晶片的整個表面上(即形成在SiC 襯底101上的外延石墨烯層110上)。金屬粘附層(即Ti層)120的鈦(Ti)擴散到石墨烯 層Illa中，結(jié)果金屬粘附層120和石墨烯層Illa由于粘附作用(例如錨定作用)而彼此 強烈接合。換句話說，金屬粘附層120和石墨烯層Illa以強于石墨烯層111a、Illb和Illc 之間的分子間力的力彼此接合。然后，如圖20B所示，在金屬粘附層120的表面上形成支撐體粘附層122(步驟
513)。支撐體粘附層122表現(xiàn)出與金屬粘附層120的高粘性。進一步地，支撐體124被粘 附到支撐體粘附層122的表面。支撐體124被提供用于在將石墨烯層Illa與其它石墨烯 層Illb和Illc分離(稍后描述)時支撐石墨烯層111a。然后，如圖20C所示，利用大于石墨烯層IllaUllb和Illc之間的分子間力的力 F將支撐體124從SiC襯底101拉開，以便將石墨烯層Illa與石墨烯層Illb分離(步驟
514)。盡管在圖20C中將金屬粘附層120和石墨烯層Illa與SiC襯底101分離，但是還可 以將金屬粘附層120和多個石墨烯層(例如，石墨烯層Illa和Illb)與SiC襯底101分離。如第一實施例中所描述的，SiC襯底101具有四面體晶體結(jié)構(gòu)。如果SiC層被堆疊 使得兩個層形成一個堆疊周期，則SiC襯底101具有六邊形對稱性。因此，SiC襯底101在 具有六邊形對稱性方面類似于石墨烯層111c。然而，SiC襯底101在接合表面(即單層) 處不具有六邊形對稱性。因此，SiC襯底101與石墨烯層Illc彼此共價結(jié)合。換句話說，SiC襯底101和石墨烯層Illc不僅借助由于電勢規(guī)則性產(chǎn)生的弱作用力彼此結(jié)合，而且還 借助通過鍵的強作用力彼此結(jié)合。更具體地說，石墨烯層IllaUllb和Illc之間的結(jié)合是 相對弱的。相比之下，SiC襯底101和石墨烯層Illc之間的結(jié)合是強的。然后，如圖20D所示，在另一襯底(即第二襯底130)的表面上形成接合層132 (步 驟S14)。其后，使石墨烯層Illa與接合層132的表面直接接觸，因此石墨烯層Illa被固定 到接合層132的表面(步驟S15)。接合層132的表面和石墨烯層Illa的表面借助分子間 力彼此接合。接合層132為第二襯底130和石墨烯層Illa提供了極好接合。在這點上，“極 好接合”指的是接合強度在整個接合表面中是均勻的，在接合界面處沒有產(chǎn)生空隙，并且在 接合表面處沒有出現(xiàn)裂縫。第二襯底130例如是Si襯底。接合層132例如是Si02層。然后，如圖20E所示，從石墨烯層Illa的表面除去金屬粘附層120、支撐體粘附層 122和支撐體124 (步驟S16)。更具體地說，通過使用諸如氫氟酸的酸進行化學(xué)蝕刻來去除 金屬粘附層120，結(jié)果去除了金屬粘附層120、支撐體粘附層122和支撐體124。利用上述過 程，獲得石墨烯襯底100，其中在第二襯底130上形成石墨烯層111a。然后，如圖21所示，在石墨烯襯底100的表面上生長單晶體半導(dǎo)體層114，以便形 成單晶體氮化物半導(dǎo)體晶片300 (步驟S18)。形成在第二襯底130上的接合層132和石墨 烯層Illa借助分子間力彼此接合，并且石墨烯層Illa和氮化物半導(dǎo)體層114借助分子間 力彼此接合。由于氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa借助分子間力彼此接合，因此優(yōu)選的是 石墨烯層Illa的表面具有納米級的平整度。在這點上，“納米級的平整度”指的是使用原子 力顯微鏡(AFM)測量的表面粗糙度(更具體地說是最大凹谷深度，Rrv，即最大峰-谷差) 小于lOnm。更優(yōu)選的是，形成在第二襯底130上的接合層132的表面粗糙度Rrv小于或等 于 3nm。第二襯底130優(yōu)選是例如Si襯底、陶瓷襯底(諸如AlN襯底)、玻璃襯底、石英襯 底、塑料襯底或金屬襯底。形成在第二襯底130上的接合層132優(yōu)選由選自例如Si02、SiN、 SiON、PSG、BSG、SOG、金屬和有機物質(zhì)的材料構(gòu)成。使用例如等離子體CVD法、CVD法或濺射 法形成接合層132。在這點上，還可以借助通過界面的原子擴散或化合物形成(而不是借助分子間 力)來將接合層132與石墨烯層Illa (或者石墨烯層11 Ia和氮化物半導(dǎo)體層114)彼此接合 O在下文，將描述氮化鎵薄膜的晶體生長。將石墨烯襯底100放置在晶體生長設(shè)備 中，例如MBE(分子束外延)設(shè)備或MOCVD(金屬有機化學(xué)汽相沉積)設(shè)備。然后，在晶體生 長設(shè)備中加熱石墨烯襯底100，并且將鎵(Ga)和活性氮供應(yīng)到晶體生長設(shè)備。通過電子回 旋共振(ECR)或高頻激發(fā)自由基源來供應(yīng)活性氮。氮化物半導(dǎo)體層114(尤其是GaN)具有六方柱的晶體結(jié)構(gòu)。在該六方柱的每一個 端表面上，氮(N)原子以六邊形形狀彼此二維地結(jié)合。在石墨烯層Illa中，碳(C)原子以 六邊形形狀彼此二維地結(jié)合(參見圖1B)。氮原子(排列成六邊形)被布置在碳原子之間。 因此，氮化物半導(dǎo)體層114和石墨烯層Illa沒有彼此共價結(jié)合，而是由于在表面處的電勢 的規(guī)則性(即在其間的界面處的原子級的電勢的規(guī)則性)而彼此物理地結(jié)合。鎵(Ga)沒 有與石墨烯層Illa共價結(jié)合，并且因此沒有出現(xiàn)由于晶格失配導(dǎo)致的晶體缺陷。通過在第一 GaN層上生長第二和第三GaN層(以及隨后的GaN層，如果需要的話)，形成具有預(yù)定數(shù) 目的層的單晶體GaN層。由于在GaN的第一層中沒有出現(xiàn)(由于晶格失配導(dǎo)致產(chǎn)生的)晶體缺陷，因此所 得到的GaN層具有非常少的晶體缺陷，即獲得了高質(zhì)量的單晶體半導(dǎo)體層。利用上述過程， 獲得這樣的半導(dǎo)體晶片變得可能，即在該半導(dǎo)體晶片中在大直徑Si襯底的表面上形成基 本上不具有晶體缺陷的高質(zhì)量的單晶體氮化鎵(GaN)層。根據(jù)本發(fā)明的第四實施例，在石墨烯襯底100的表面上生長單晶體氮化物半導(dǎo)體 層114，其中借助分子間力將石墨烯層Illa接合到第二襯底130的表面。這提供了以下優(yōu)占.由于在石墨烯層Illa和氮化物半導(dǎo)體層114的表面處的比勢(specific potential)的規(guī)則性而在石墨烯層Illa上生長氮化物半導(dǎo)體層114。由于沒有涉及共價 結(jié)合，因此可以防止(由于晶格失配導(dǎo)致的)晶體缺陷。低成本、大直徑的Si襯底可以用作第二襯底130，并且因此可以獲得低成本、大直 徑的單晶體氮化物半導(dǎo)體層生長晶片。第二襯底130可以選自多種選擇，并且因此可以選擇最適于應(yīng)用的最佳襯底。變型在上述第四實施例中，已經(jīng)描述了在石墨烯層Illa的表面上形成氮化鎵(GaN) 層的實例。然而，第四實施例可以應(yīng)用于其它氮化物半導(dǎo)體層114的晶體生長，例如 AlxGa1^xNd 彡 χ 彡 0)、InxGa1^xNd 彡 χ 彡 0)和 AlxIrvxNd 彡 χ 彡 0)。進一步地，在第四實施例中，由于在石墨烯層Illa和氮化物半導(dǎo)體層114的表面 處的比勢的規(guī)則性而在沒有利用共價結(jié)合的情況下在石墨烯層Illa上生長氮化物半導(dǎo)體 層114。因此，第四實施例可以應(yīng)用于其它半導(dǎo)體層(即除了氮化物半導(dǎo)體層之外)的晶 體生長，例如III-V族化合物半導(dǎo)體層、II-VI族化合物半導(dǎo)體層或IV-IV族化合物半導(dǎo)體 層。第五實施例本發(fā)明的第五實施例不同于第四實施例之處在于，單晶體氮化物半導(dǎo)體層被生長 在其上已經(jīng)形成了外延石墨烯層的襯底上。將參考圖23Α和23Β描述第五實施例。圖23Α示出生長有石墨烯層的襯底200。如圖23Α所示，使用在第四實施例中已經(jīng) 描述的方法在SiC襯底101的表面上形成外延石墨烯層110，以便形成生長有石墨烯層的襯 底200。這里，外延石墨烯層110包括三個石墨烯層111a、Illb和111c。然后，將生長有石墨烯層的襯底200放置在晶體生長設(shè)備中，并且使用MBE法或 MOCVD法在生長有石墨烯層的襯底200的表面上形成氮化鎵(GaN)。通過將鎵(Ga)和活性 氮引入到晶體生長設(shè)備中，鎵(Ga)被吸附到石墨烯層Illa的碳原子的蜂窩結(jié)構(gòu)的中心部 分，因此形成具有六重對稱性的第一層。進一步地，活性氮被吸附到鎵(Ga)的第一層上，因 此形成六邊形GaN(h-GaN)的第一層。通過電子回旋共振(ECR)或高頻激發(fā)自由基源來供 應(yīng)活性氮。通過在第一GaN層上生長第二和第三GaN層(以及隨后的GaN層，如果需要的話)， 形成具有預(yù)定數(shù)目的層的單晶體GaN層。
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圖23B示出半導(dǎo)體晶片400，其中在生長有石墨烯層的襯底200的表面上 形成氮化物半導(dǎo)體層114。氮化物半導(dǎo)體層114由選自例如AlxGai_xN(l彡x彡0)、 AlJn^Nd彡x彡0)和InxGai_xN(l彡x彡0)的半導(dǎo)體材料單獨地或者組合地構(gòu)成。進一 步地，氮化物半導(dǎo)體層114可以由包含氮的化合物半導(dǎo)體材料構(gòu)成。在本發(fā)明的第五實施例中，盡管與第四實施例相比可用的襯底受到限制，但是可 以在沒有石墨烯層111a的轉(zhuǎn)移(即分離和接合)過程的情況下來制造單晶體半導(dǎo)體晶片 400。因此，即使存在晶格失配，也可以制造基本上不具有晶體缺陷的高質(zhì)量的單晶體半導(dǎo) 體層(其中借助分子間力將外延石墨烯層110接合到SiC襯底101)。變型在上述第五實施例中，已經(jīng)使用了 SiC襯底101。然而，還可以使用Si襯底來代替 SiC襯底101，從而在Si襯底的表面上形成外延石墨烯層110，并且在其上執(zhí)行上述半導(dǎo)體 層的晶體生長。盡管已經(jīng)詳細說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是應(yīng)當(dāng)明白，在不脫離由所附權(quán)利 要求描述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對本發(fā)明進行變型和改進。
權(quán)利要求
一種氮化物半導(dǎo)體層的分離方法，所述分離方法包括以下步驟在第一襯底的表面上生長單層或者兩層或更多層形式的石墨烯層；在所述石墨烯層上形成氮化物半導(dǎo)體層使得所述氮化物半導(dǎo)體層借助由于其間界面處的原子級電勢的規(guī)則性產(chǎn)生的結(jié)合力而不是利用共價結(jié)合被結(jié)合到所述石墨烯層；以及利用大于所述氮化物半導(dǎo)體層與所述石墨烯層之間的所述結(jié)合力的力或者利用大于所述石墨烯層的各層之間的結(jié)合力的力將所述氮化物半導(dǎo)體層與所述第一襯底分離。
2.一種氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法，所述制造方法包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述 氮化物半導(dǎo)體層的所述分離方法，所述制造方法還包括以下步驟將所述氮化物半導(dǎo)體層接合到第二襯底的表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其中所述第一襯底是SiC襯底，并且其中所述氮化物半導(dǎo)體層包括多個層，所述多個層包括接合到所述石墨烯層的層，所 述接合到所述石墨烯層的層由氮化物層構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，還包括以下步驟 將所述氮化物半導(dǎo)體層分成多個區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其中所述氮化物半導(dǎo)體層具有發(fā)光元件或電子元 件的一部分或整體。
6.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，所述制造方法包括以下步驟在第一襯底的表面上生長單層或者兩層或更多層形式的石墨烯層； 在所述石墨烯層上形成氮化物半導(dǎo)體層，使得所述氮化物半導(dǎo)體層借助由于其間界面 處的原子級電勢的規(guī)則性產(chǎn)生的結(jié)合力而不是利用共價結(jié)合被結(jié)合到所述石墨烯層； 將所述氮化物半導(dǎo)體層的表面接合到第二襯底的表面；以及利用大于所述氮化物半導(dǎo)體層與所述石墨烯層之間的所述結(jié)合力的力將所述氮化物 半導(dǎo)體層與所述第一襯底分離。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造方法，還包括以下步驟 將所述氮化物半導(dǎo)體層分成多個區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造方法，其中所述氮化物半導(dǎo)體層具有發(fā)光元件或電子元 件的一部分或整體。
9.一種半導(dǎo)體器件，包括氮化物半導(dǎo)體層，所述氮化物半導(dǎo)體層是通過下述步驟形成的 在第一襯底上的單層或者兩層或更多層形式的石墨烯層上生長所述氮化物半導(dǎo)體層， 使得所述氮化物半導(dǎo)體層借助由于其間界面處的原子級電勢的規(guī)則性產(chǎn)生的結(jié)合力而不 是利用共價結(jié)合被結(jié)合到所述石墨烯層；利用大于所述氮化物半導(dǎo)體層與所述石墨烯層之間的所述結(jié)合力的力或者利用大于 所述石墨烯層的各層之間的結(jié)合力的力將所述氮化物半導(dǎo)體層與所述第一襯底分離；以及 將所述氮化物半導(dǎo)體層接合到第二襯底的表面。
10.一種半導(dǎo)體晶片的制造方法，其中在襯底的表面上生長單晶體半導(dǎo)體層，所述制造 方法包括以下步驟在所述襯底的所述表面上提供石墨烯層；以所述單晶體半導(dǎo)體層的晶體的一個構(gòu)成元素被吸附到所述石墨烯層的碳原子的蜂 窩結(jié)構(gòu)的中心部分并且所述晶體的另一構(gòu)成元素被結(jié)合到所述一個構(gòu)成元素的方式在所 述石墨烯層上形成所述單晶體半導(dǎo)體層的第一層；以及在所述第一層的表面上生長所述單晶體半導(dǎo)體層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，還包括以下步驟將所述石墨烯層與另一襯底分離；以及利用分子間力將所述石墨烯層接合到所述襯底。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，其中所述半導(dǎo)體層由包含選自In、Ga和Al的 至少一個元素的氮化物半導(dǎo)體層構(gòu)成。
13.一種半導(dǎo)體晶片，其中單晶體半導(dǎo)體層被生長在襯底的表面上，所述半導(dǎo)體晶片包括所述襯底；在所述襯底的表面上提供的石墨烯層；以及在所述石墨烯層的表面上生長的單晶體半導(dǎo)體層；其中所述單晶體半導(dǎo)體層以這樣的方式形成即所述單晶體半導(dǎo)體層的晶體的一個構(gòu) 成元素被吸附到所述石墨烯層的碳原子的蜂窩結(jié)構(gòu)的中心部分，并且所述晶體的另一構(gòu)成 元素被結(jié)合到所述一個構(gòu)成元素。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述石墨烯層借助分子間力被接合到所 述襯底的表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述半導(dǎo)體層由包含選自IruGa和Al的 至少一個元素的氮化物半導(dǎo)體層構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體層分離方法、半導(dǎo)體器件和晶片及制造方法。在氮化物半導(dǎo)體層的分離方法中，在第一襯底的表面上形成單層或者兩層或更多層的石墨烯層。在石墨烯層上形成氮化物半導(dǎo)體層，使得氮化物半導(dǎo)體層借助由于其間界面處的原子級電勢的規(guī)則性產(chǎn)生的結(jié)合力而不是利用共價結(jié)合被結(jié)合到石墨烯層。利用大于氮化物半導(dǎo)體層與石墨烯層之間的結(jié)合力的力或者利用大于石墨烯層的各層之間的結(jié)合力的力將氮化物半導(dǎo)體層與第一襯底分離。
文檔編號H01L23/00GK101931035SQ201010217359
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者佐久田昌明, 橋本明弘, 荻原光彥, 鷺森友彥 申請人:日本沖信息株式會社