外延結構及其制備方法

專利名稱：外延結構及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種外延結構及其制備方法。
背景技術：
外延結構，尤其異質外延結構為制作半導體器件的主要材料之一。例如，近年來， 制備發光二極管(LED)的氮化鎵外延片成為研究的熱點。所述氮化鎵外延片是指在一定條件下，將氮化鎵材料分子，有規則排列，定向生長在藍寶石基底上。然而，高質量氮化鎵外延片的制備一直是研究的難點。由于氮化鎵和藍寶石基底的晶格常數以及熱膨脹系數的不同，從而導致氮化鎵外延層存在較多位錯缺陷。而且，氮化鎵外延層和藍寶石基底之間存在較大應力，應力越大會導致氮化鎵外延層破裂。這種異質外延結構普遍存在晶格失配現象，且易形成位錯等缺陷。現有技術提供一種改善上述不足的方法，其采用非平整的藍寶石基底外延生長氮化鎵。然而，現有技術通常采用光刻等微電子工藝在藍寶石基底表面形成溝槽從而構成非平整外延生長面。該方法不但工藝復雜，成本較高，而且會對藍寶石基底外延生長面造成污染，從而影響外延結構的質量。

發明內容
綜上所述，確有必要提供一種工藝簡單，成本低廉，且不會對基底表面造成污染的外延結構的制備方法以及一種高質量的外延結構。一種外延結構，其包括一基底，該基底具有一外延生長面，以及一外延層形成于所述基底的外延生長面，其中，進一步包括一碳納米管層設置于所述外延層與基底之間。一種外延結構，其包括一基底，該基底具有一外延生長面，以及一異質外延層形成于所述基底的外延生長面，其中，進一步包括一圖形化的碳納米管層設置于所述異質外延層與基底之間，且該圖形化的碳納米管層具有多個開口，使異質外延層滲透碳納米管層的多個開口與所述基底的外延生長面接觸。一種外延結構的制備方法，其包括以下步驟提供一基底，該基底具有一支持外延層生長的外延生長面；在所述基底的外延生長面設置一碳納米管層；以及在基底的外延生長面生長外延層。與現有技術相比，由于在所述基底的外延生長面設置一碳納米管層而獲得圖形化的掩模的方法工藝簡單、成本低廉，大大降低了外延結構的制備成本，同時降低了對環境的污染。進一步，所述包括碳納米管層的外延結構使得外延結構具有廣泛用途。


圖1為本發明實施例提供的異質外延結構的制備方法的工藝流程圖。圖2為本發明實施例中采用的碳納米管膜的掃描電鏡照片。圖3為圖2中的碳納米管膜中的碳納米管片段的結構示意圖。
圖4為本發明實施例中采用的多層交叉設置的碳納米管膜的掃描電鏡照片。圖5為本發明實施例中采用的非扭轉的碳納米管線的掃描電鏡照片。圖6為本發明實施例中采用的扭轉的碳納米管線的掃描電鏡照片。圖7為本發明實施例中異質外延層生長過程示意圖。圖8為本發明第一實施例制備的異質外延結構截面的掃描電鏡照片。圖9為本發明第一實施例制備的異質外延結構界面處的透射電鏡照片。圖10為本發明第一實施例提供的異質外延結構的立體結構示意圖。圖11為圖10所示的異質外延結構沿線XI-XI的剖面示意圖。圖12為本發明第二實施例提供的異質外延結構的立體結構示意圖。圖13為本發明第三實施例提供的異質外延結構的立體結構示意圖。主要元件符號說明異質外延結構10，20，30
基底100，200，300
外延生長面101
碳納米管層102,202,302
孔洞103
異質外延層104，204，304
開口105
異質外延晶粒1042
異質外延薄膜1044
碳納米管片段143
碳納米管14具體實施例方式以下將結合附圖詳細說明本發明實施例提供的外延結構及其制備方法。為了便于理解本發明的技術方案，本發明首先介紹一種異質外延結構的制備方法。請參閱圖1，本發明實施例提供一種異質外延結構10的制備方法，其具體包括以下步驟SlO 提供一基底100，且該基底100具有一支持異質外延層104生長的外延生長面 101 ；S20 在所述基底100的外延生長面101設置一碳納米管層102 ；S30 在基底100的外延生長面101生長異質外延層104。請參閱圖1，本發明實施例提供一種異質外延結構10的制備方法，其具體包括以下步驟SlO 提供一基底100，且該基底100具有一支持異質外延層104生長的外延生長面 101 ；S20 在所述基底100的外延生長面101設置一碳納米管層102 ；S30 在基底100的外延生長面101生長異質外延層104。步驟SlO中，所述基底100提供了異質外延層104的外延生長面101。所述基底100的外延生長面101是分子平滑的表面，且去除了氧或碳等雜質。所述基底100可以為單層或多層結構。當所述基底100為單層結構時，該基底100可以為一單晶結構體，且具有一晶面作為異質外延層104的外延生長面101。所述單層結構的基底100的材料可以為GaAs、 GaN、Si、SOI、A1N、SiC、MgO, ZnO, LiGaO2, LiAlO2 或 Al2O3 等。當所述基底 100 為多層結構時，其需要包括至少一層上述單晶結構體，且該單晶結構體具有一晶面作為異質外延層104 的外延生長面101。所述基底100的材料可以根據所要生長的異質外延層104來選擇，優選地，使所述基底100與異質外延層104具有相近的晶格常數以及熱膨脹系數。所述基底 100的厚度、大小和形狀不限，可以根據實際需要選擇。所述基底100不限于上述列舉的材料，只要具有支持異質外延層104生長的外延生長面101的基底100均屬于本發明的保護范圍。步驟S20中，所述碳納米管層102為包括多個碳納米管的連續的整體結構。所述碳納米管層102中多個碳納米管沿著基本平行于碳納米管層102表面的方向延伸。當所述碳納米管層102設置于所述基底100的外延生長面101時，所述碳納米管層102中多個碳納米管的延伸方向基本平行于所述基底100的外延生長面101。所述碳納米管層的厚度為1 納米 100微米，或1納米 1微米，或1納米 200納米，優選地厚度為10納米 100納米。所述碳納米管層102為一圖形化的碳納米管層102。所述“圖形化”是指所述碳納米管層102具有多個開口 105，該多個開口 105從所述碳納米管層102的厚度方向貫穿所述碳納米管層102。當所述碳納米管層102覆蓋所述基底100的外延生長面101設置時，從而使所述基底100的外延生長面101對應該開口 105的部分暴露以便于生長異質外延層104。所述開口 105可以為微孔或間隙。所述開口 105的尺寸為10納米 500微米，所述尺寸是指所述微孔的孔徑或所述間隙的寬度方向的間距。所述開口 105的尺寸為10納米 300微米、或10納米 120微米、或10納米 80微米、或10納米 10微米。開口 105的尺寸越小，有利于在生長外延層的過程中減少位錯缺陷的產生，以獲得高質量的異質外延層104。 優選地，所述開口 105的尺寸為10納米 10微米。進一步地，所述碳納米管層102的占空比為 1 100 100 1，或 1 10 10 1，或 1 2 2 1，或 1 4 4 1。優選地，所述占空比為1 4 4 1。所謂“占空比”指該碳納米管層102設置于基底100 的外延生長面101后，該外延生長面101被碳納米管層102占據的部分與通過開孔105暴露的部分的面積比。進一步地，所述“圖形化”是指所述碳納米管層102中多個碳納米管的排列方式是有序的、有規則的。例如，所述碳納米管層102中多個碳納米管的軸向均基本平行于所述基底100的外延生長面101且基本沿同一方向延伸。或者，所述碳納米管層102中多個碳納米管的軸向可有規律性地基本沿兩個以上方向延伸。或者，所述碳納米管層102中多個碳納米管的軸向沿著基底100的一晶向延伸或與基底100的一晶向成一定角度延伸。上述碳納米管層102中沿同一方向延伸的相鄰的碳納米管通過范德華力首尾相連。在所述碳納米管層102具有如前所述的開口 105的前提下，所述碳納米管層102 中多個碳納米管也可無序排列、無規則排列。優選地，所述碳納米管層102設置于所述基底100的整個外延生長面101。所述碳納米管層102中的碳納米管可以為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管中的一種或多種，其長度和直徑可以根據需要選擇。
所述碳納米管層102用作生長異質外延層104的掩模。所謂“掩模”是指該碳納米管層102用于遮擋所述基底100的部分外延生長面101，且暴露部分外延生長面101，從而使得異質外延層104僅從所述外延生長面101暴露的部分生長。由于碳納米管層102具有多個開口 105，所以該碳納米管層102形成一圖形化的掩模。當碳納米管層102設置于基底100的外延生長面101后，多個碳納米管沿著平行于外延生長面101的方向延伸。由于所述碳納米管層102在所述基底100的外延生長面101形成多個開口 105，從而使得所述基底100的外延生長面101上具有一圖形化的掩模。可以理解，相對于光刻等微電子工藝，通過設置碳納米管層102掩模進行外延生長的方法工藝簡單、成本低廉，不易在基底100的延生長面101引入污染，而且綠色環保，可以大大降低了異質外延結構10的制備成本。可以理解，所述基底100和碳納米管層102共同構成了用于生長異質外延結構的襯底。該襯底可用于生長不同材料的異質外延層104，如半導體外延層、金屬外延層或合金外延層。該襯底也可用于生長同質外延層，從而得到一同質外延結構。所述碳納米管層102可以預先形成后直接鋪設在所述基底100的外延生長面101。 所述碳納米管層102為一宏觀結構，且所述碳納米管層102為一個自支撐的結構。所謂“自支撐”指該碳納米管層102不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身狀態，即將該碳納米管層102置于(或固定于)間隔特定距離設置的兩個支撐體上時，位于兩個支撐體之間的碳納米管層102能夠懸空保持自身狀態。由于碳納米管層102為自支撐結構，所述碳納米管層102不必要通過復雜的化學方法形成在基底 100的外延生長面101。進一步優選地，所述碳納米管層102為多個碳納米管組成的純碳納米管結構。所謂“純碳納米管結構”是指所述碳納米管層在整個制備過程中無需任何化學修飾或酸化處理，不含有任何羧基等官能團修飾。所述碳納米管層102還可以為一包括多個碳納米管以及添加材料的復合結構。所述添加材料包括石墨、石墨稀、碳化硅、氮化硼、氮化硅、二氧化硅、無定形碳等中的一種或多種。所述添加材料還可以包括金屬碳化物、金屬氧化物及金屬氮化物等中的一種或多種。 所述添加材料包覆于碳納米管層102中碳納米管的至少部分表面或設置于碳納米管層102 的開口 105內。優選地，所述添加材料包覆于碳納米管的表面。由于，所述添加材料包覆于碳納米管的表面，使得碳納米管的直徑變大，從而使碳納米管之間的開口 105減小。所述添加材料可以通過化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、磁控濺射等方法形成于碳納米管的表面。將所述碳納米管層102鋪設在所述基底100的外延生長面101后還可以包括一有機溶劑處理的步驟，以使碳納米管層102與外延生長面101更加緊密結合。該有機溶劑可選用乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一種或者幾種的混合。本實施例中的有機溶劑采用乙醇。該使用有機溶劑處理的步驟可通過試管將有機溶劑滴落在碳納米管層102表面浸潤整個碳納米管層102或將基底100和整個碳納米管層102 —起浸入盛有有機溶劑的容器中浸潤。所述碳納米管層102也可以通過化學氣相沉積(CVD)等方法直接生長在所述基底100的外延生長面101或先生長在硅基底表面，然后轉印到所述基底100的外延生長面 101。具體地，所述碳納米管層102可以包括碳納米管膜或碳納米管線。所述碳納米管層102可以為一單層碳納米管膜或多個層疊設置的碳納米管膜。所述碳納米管層102可包括多個平行設置的碳納米管線或多個交叉設置的碳納米管線。當所述碳納米管層102為多個層疊設置的碳納米管膜時，碳納米管膜的層數不宜太多，優選地，為2層 100層。當所述碳納米管層102為多個平行設置的碳納米管線時，相鄰兩個碳納米管線之間的距離為0. 1 微米 200微米，優選地，為10微米 100微米。所述相鄰兩個碳納米管線之間的空間構成所述碳納米管層102的開口 105。相鄰兩個碳納米管線之間的間隙長度可以等于碳納米管線的長度。所述碳納米管膜或碳納米管線可以直接鋪設在基底100的外延生長面101構成所述碳納米管層102。通過控制碳納米管膜的層數或碳納米管線之間的距離，可以控制碳納米管層102中開口 105的尺寸。所述碳納米管膜是由若干碳納米管組成的自支撐結構。所述若干碳納米管為沿同一方向擇優取向延伸。所述擇優取向是指在碳納米管膜中大多數碳納米管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數碳納米管的整體延伸方向基本平行于碳納米管膜的表面。進一步地，所述碳納米管膜中多數碳納米管是通過范德華力首尾相連。具體地，所述碳納米管膜中基本朝同一方向延伸的大多數碳納米管中每一碳納米管與在延伸方向上相鄰的碳納米管通過范德華力首尾相連。當然，所述碳納米管膜中存在少數隨機排列的碳納米管，這些碳納米管不會對碳納米管膜中大多數碳納米管的整體取向排列構成明顯影響。所述自支撐為碳納米管膜不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態，即將該碳納米管膜置于(或固定于)間隔特定距離設置的兩個支撐體上時，位于兩個支撐體之間的碳納米管膜能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐主要通過碳納米管膜中存在連續的通過范德華力首尾相連延伸排列的碳納米管而實現。具體地，所述碳納米管膜中基本朝同一方向延伸的多數碳納米管，并非絕對的直線狀，可以適當的彎曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以適當的偏離延伸方向。因此，不能排除碳納米管膜的基本朝同一方向延伸的多數碳納米管中并列的碳納米管之間可能存在部分接觸。請參閱圖2及圖3，具體地，所述碳納米管膜包括多個連續且定向延伸的碳納米管片段143。該多個碳納米管片段143通過范德華力首尾相連。每一碳納米管片段143包括多個相互平行的碳納米管145，該多個相互平行的碳納米管145通過范德華力緊密結合。該碳納米管片段143具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。所述碳納米管膜可通過從一碳納米管陣列中選定部分碳納米管后直接拉取獲得。所述碳納米管膜的厚度為1納米 100微米，寬度與拉取出該碳納米管膜的碳納米管陣列的尺寸有關，長度不限。所述碳納米管膜中相鄰的碳納米管之間存在微孔或間隙從而構成開口 105，且該微孔的孔徑或間隙的尺寸小于10微米。優選地，所述碳納米管膜的厚度為100納米 10微米。該碳納米管膜中的碳納米管145沿同一方向擇優取向延伸。所述碳納米管膜及其制備方法具體請參見申請人于 2007年2月9日申請的，于2010年5月沈日公告的第CN101239712B號中國公開專利“碳納米管膜結構及其制備方法”。為節省篇幅，僅引用于此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。請參閱圖4，當所述碳納米管層包括層疊設置的多層碳納米管膜時，相鄰兩層碳納米管膜中的碳納米管的延伸方向形成一交叉角度α，且α大于等于0度小于等于90度 (0° < α < 90° )。
為減小碳納米管膜的厚度，還可以進一步對該碳納米管膜進行加熱處理。為避免碳納米管膜加熱時被破壞，所述加熱碳納米管膜的方法采用局部加熱法。其具體包括以下步驟局部加熱碳納米管膜，使碳納米管膜在局部位置的部分碳納米管被氧化；移動碳納米管被局部加熱的位置，從局部到整體實現整個碳納米管膜的加熱。具體地，可將該碳納米管膜分成多個小的區域，采用由局部到整體的方式，逐區域地加熱該碳納米管膜。所述局部加熱碳納米管膜的方法可以有多種，如激光加熱法、微波加熱法等等。本實施例中，通過功率密度大于0.1 X IO4瓦特/平方米的激光掃描照射該碳納米管膜，由局部到整體的加熱該碳納米管膜。該碳納米管膜通過激光照射，在厚度方向上部分碳納米管被氧化，同時，碳納米管膜中直徑較大的碳納米管束被去除，使得該碳納米管膜變薄。可以理解，上述激光掃描碳納米管膜的方法不限，只要能夠均勻照射該碳納米管膜即可。激光掃描可以沿平行碳納米管膜中碳納米管的排列方向逐行進行，也可以沿垂直于碳納米管膜中碳納米管的排列方向逐列進行。具有固定功率、固定波長的激光掃描碳納米管膜的速度越小，碳納米管膜中的碳納米管束吸收的熱量越多，對應被破壞的碳納米管束越多，激光處理后的碳納米管膜的厚度變小。但是，如果激光掃描速度太小，碳納米管膜將吸收過多熱量而被燒毀。本實施例中，激光的功率密度大于0. 053X IO12瓦特/平方米， 激光光斑的直徑在1毫米 5毫米范圍內，激光掃描照射時間小于1. 8秒。優選地，激光器為二氧化碳激光器，該激光器的功率為30瓦特，波長為10. 6微米，光斑直徑為3毫米，激光裝置140與碳納米管膜的相對運動速度小于10毫米/秒。所述碳納米管線可以為非扭轉的碳納米管線或扭轉的碳納米管線。所述非扭轉的碳納米管線與扭轉的碳納米管線均為自支撐結構。具體地，請參閱圖5，該非扭轉的碳納米管線包括多個沿平行于該非扭轉的碳納米管線長度方向延伸的碳納米管。具體地，該非扭轉的碳納米管線包括多個碳納米管片段，該多個碳納米管片段通過范德華力首尾相連， 每一碳納米管片段包括多個相互平行并通過范德華力緊密結合的碳納米管。該碳納米管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該非扭轉的碳納米管線長度不限，直徑為0. 5納米 100微米。非扭轉的碳納米管線為將碳納米管膜通過有機溶劑處理得到。具體地，將有機溶劑浸潤所述碳納米管膜的整個表面，在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，碳納米管膜中的相互平行的多個碳納米管通過范德華力緊密結合，從而使碳納米管膜收縮為一非扭轉的碳納米管線。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中采用乙醇。通過有機溶劑處理的非扭轉的碳納米管線與未經有機溶劑處理的碳納米管膜相比，比表面積減小，粘性降低。所述扭轉的碳納米管線為采用一機械力將所述碳納米管膜兩端沿相反方向扭轉獲得。請參閱圖6，該扭轉的碳納米管線包括多個繞該扭轉的碳納米管線軸向螺旋延伸的碳納米管。具體地，該扭轉的碳納米管線包括多個碳納米管片段，該多個碳納米管片段通過范德華力首尾相連，每一碳納米管片段包括多個相互平行并通過范德華力緊密結合的碳納米管。該碳納米管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該扭轉的碳納米管線長度不限，直徑為0.5納米 100微米。進一步地，可采用一揮發性有機溶劑處理該扭轉的碳納米管線。在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，處理后的扭轉的碳納米管線中相鄰的碳納米管通過范德華力緊密結合，使扭轉的碳納米管線的比表面積減小，密度及強度增大。
所述碳納米管線及其制備方法請參見申請人于2002年9月16日申請的，于2008 年8月20日公告的第CN100411979C號中國公告專利“一種碳納米管繩及其制造方法”，申請人清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司，以及于2005年12月16日申請的，于 2009年6月17日公告的第CN100500556C號中國公告專利“碳納米管絲及其制作方法”，申請人清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司。步驟S30中，所述異質外延層104的生長方法可以通過分子束外延法(MBE)、化學束外延法(CBE)、減壓外延法、低溫外延法、選擇外延法、液相沉積外延法(LPE)、金屬有機氣相外延法(MOVPE)、超真空化學氣相沉積法(UHVCVD)、氫化物氣相外延法(HVPE)、以及金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)等中的一種或多種實現。所述異質外延層104指通過外延法生長在基底100的外延生長面101的單晶結構體，其材料不同于基底100，所以稱異質外延層104。所述異質外延層104的生長的厚度可以根據需要制備。具體地，所述異質外延層104的生長的厚度可以為0. 5納米 1毫米。 例如，所述異質外延層104的生長的厚度可以為100納米 500微米，或200納米 200微米，或500納米 100微米。所述異質外延層104可以為一半導體外延層，且該半導體外延層的材料為 GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAs、SiGe、hP、Si、A1N、feiN、feJnN、AUnN、GaAlN 或 AlGaInN0所述異質外延層104可以為一金屬外延層，且該金屬外延層的材料為鋁、鉬、銅或銀。所述異質外延層104可以為一合金外延層，且該合金外延層的材料為MnGa、CoMnGa或 Co2MnGa。請參閱圖7，具體地，所述異質外延層104的生長過程具體包括以下步驟S31 沿著基本垂直于所述基底100的外延生長面101方向成核并外延生長形成多個異質外延晶粒1042 ；S32 所述多個異質外延晶粒1042沿著基本平行于所述基底100的外延生長面 101方向外延生長形成一連續的異質外延薄膜1044 ；S33 所述異質外延薄膜1044沿著基本垂直于所述基底100的外延生長面101方向外延生長形成一異質外延層104。步驟S31中，所述多個異質外延晶粒1042在所述基底100的外延生長面101通過該碳納米管層102的開口 105暴露的部分開始生長，且其生長方向基本垂直于所述基底100 的外延生長面101，即該步驟中多個異質外延晶粒1042進行縱向外延生長。步驟S32中，通過控制生長條件使所述多個異質外延晶粒1042沿著基本平行于所述基底100的外延生長面101的方向同質外延生長并連成一體將所述碳納米管層102覆蓋。即，該步驟中所述多個異質外延晶粒1042進行側向外延生長直接合攏，并最終在碳納米管周圍形成多個孔洞103將碳納米管包圍。優選地，碳納米管與包圍該碳納米管的異質外延層104間隔設置。所述孔洞的形狀與碳納米管層102中的碳納米管的排列方向有關。 當碳納米管層102為單層碳納米管膜或多個平行設置的碳納米管線時，所述多個孔洞103 為基本平行設置的溝槽。當碳納米管層102為多層交叉設置的碳納米管膜或多個交叉設置的碳納米管線時，所述多個孔洞103為交叉設置的溝槽網絡。步驟S33中，由于所述碳納米管層102的存在，使得異質外延晶粒1042與基底100 之間的晶格位錯在形成連續的異質外延薄膜1044的過程中停止生長。因此，該步驟的異質外延層104相當于在沒有缺陷的異質外延薄膜1044表面進行同質外延生長。所述異質外延層104具有較少的缺陷。本發明第一實施例中，所述基底100為一藍寶石(Al2O3)基片，所述碳納米管層102為一單層碳納米管膜。本實施采用MOCVD工藝進行外延生長。其中，采用高純氨氣(NH3)作為氮的源氣，采用氫氣(H2)作載氣，采用三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵 (TEfei)、三甲基銦(TMh)、三甲基鋁(TMAl)作為( 源Jn源和Al源。具體包括以下步驟。 首先，將藍寶石基底100置入反應室，加熱到1100°C 1200°C，并通入H2、N2或其混合氣體作為載氣，高溫烘烤200秒 1000秒。其次，繼續同入載氣，并降溫到500°C 650°C，通入三甲基鎵或三乙基鎵以及氨氣，生長GaN低溫緩沖層，其厚度10納米 50納米。然后，停止通入三甲基鎵或三乙基鎵，繼續通入氨氣和載氣，同時將溫度升高到1100°C 1200°C， 并恒溫保持30秒 300秒，進行退火。最后，將基底100的溫度保持在1000°C 1100°C， 繼續通入氨氣和載氣，同時重新通入三甲基鎵或三乙基鎵，在高溫下完成GaN的側向外延生長過程，并生長出高質量的GaN外延層。樣品生長完畢后，分別用掃描電子顯微鏡(SEM) 和透射電子顯微鏡(TEM)對樣品進行觀察和測試。請參閱圖8和圖9，本實施例制備的異質外延結構中，異質外延層僅從基底的外延生長面沒有碳納米管層的位置開始生長，然后連成一體。所述異質外延層與基底接觸的表面形成多個孔洞，所述碳納米管層設置于該孔洞內，且與異質外延層間隔設置。具體地，從所述圖8中可以清楚其看到GaN外延層和藍寶石基底之間的界面，其中，深色部分為GaN外延層，淺色部分為藍寶石基底。所述GaN外延層與藍寶石基底接觸的表面具有一排孔洞。從所述圖9中可以看到，每個孔洞內設置有碳納米管。所述孔洞內的碳納米管設置于藍寶石基底表面，且與形成孔洞的GaN外延層間隔設置。請參閱圖10與圖11，為本發明第一實施例制備獲得的一種異質外延結構10，其包括一基底100，一碳納米管層102以及一異質外延層104。所述基底100具有一外延生長面101。所述碳納米管層102設置于所述基底100的外延生長面101，該碳納米管層102具有多個開口 105，所述基底100的外延生長面101對應所述碳納米管層102的開口 105的部分暴露。所述異質外延層104設置于所述基底100的外延生長面101，并覆蓋所述碳納米管層102。所述碳納米管層102設置于所述異質外延層104與基底100之間。所述異質外延層104將所述碳納米管層102覆蓋，并滲透所述碳納米管層102的多個開口 105與所述基底100的外延生長面101接觸，即所述碳納米管層102的多個開口 105中均滲透有所述異質外延層104。所述異質外延層104與其覆蓋的碳納米管層102在微觀上間隔設置，即所述異質外延層104與基底100接觸的表面形成多個孔洞103，所述碳納米管層102設置于該孔洞103內，具體地，所述碳納米管層102中的碳納米管分別設置在多個孔洞103內。所述孔洞103形成在異質外延層104與所述基底100接觸的表面，在所述異質外延層104的厚度方向該孔洞103均為盲孔。在每個孔洞103內，碳納米管均基本不與所述異質外延層104接觸。所述碳納米管層102為一自支撐結構。該碳納米管層包括碳納米管膜或碳納米管線。本實施例中，所述碳納米管層102為一單層碳納米管膜，該碳納米管膜包括多個碳納米管，該多個碳納米管的軸向沿同一方向擇優取向延伸，延伸方向相同的相鄰的碳納米管通過范德華力首尾相連。在垂直于延伸方向的相鄰的碳納米管之間部分間隔設置存在微孔或間隙，從而構成開口 105。請參閱圖12，為本發明第二實施例制備獲得的一種異質外延結構20，其包括一基底200，一碳納米管層202以及一異質外延層204。本發明第二實施例中的異質外延結構 20的基底200和異質外延層204的材料，以及基底200、碳納米管層202與異質外延層204 的位置關系與第一實施例的異質外延結構10基本相同，其區別在于，碳納米管層202為多個平行且間隔設置的碳納米管線，相鄰的碳納米管線之間形成微孔。所述碳納米管線可以為非扭轉的碳納米管線或扭轉的碳納米管線。具體地，所述非扭轉的碳納米管線包括多個沿該非扭轉的碳納米管線長度方向延伸的碳納米管。所述扭轉的碳納米管線包括多個繞該扭轉的碳納米管線軸向螺旋延伸的碳納米管。本發明第二實施例中，所述基底100為一絕緣體上的硅(SOI silicon on insulator)基片，所述碳納米管層102為多個平行且間隔設置的碳納米管線。本實施采用 MOCVD工藝進行外延生長。其中，分別采用三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)作為( 和Al 的源物質，氨氣(NH3)作為氮的源物質，氫氣(H2)作載氣，使用臥式水平反應爐加熱。具體地，首先在SOI基底100的外延生長面101鋪設多個平行且間隔設置的碳納米管線。然后在基底100的外延生長面101外延生長GaN外延層，生長溫度1070°C，生長時間450秒，主要是進行GaN的縱向生長；接著保持反應室壓力不變，升高溫度到1110°C，同時降低( 源流量，而保持氨氣流量不變，以促進側向外延生長，生長時間為4900秒；最后，降低溫度至 1070°C，同時增加( 源流量繼續縱向生長10000秒。請參閱圖13，本發明第三實施例提供一種異質外延結構30，其包括一基底300， 一碳納米管層302以及一異質外延層304。本發明第三實施例中的異質外延結構30的基底 300和異質外延層304的材料，以及基底300、碳納米管層302與異質外延層304的位置關系與第二實施例的異質外延結構20基本相同，其區別在于，碳納米管層302為多個交叉且間隔設置的碳納米管線，交叉且間相鄰的四個碳納米管線之間形成微孔。具體地，該多個碳納米管線分別沿第一方向與第二方向平行設置，所述第一方向與第二方向交叉設置。交叉且間相鄰的四個碳納米管線之間形成一開口。本實施例中，相鄰的兩個碳納米管線平行設置，相交叉的兩個碳納米管線相互垂直。可以理解，所述碳納米管線也可采用任意交叉方式設置，只需使碳納米管層302形成多個開口，從而使基底300的外延生長面部分暴露即可。本發明第三實施例的異質外延結構30可以采用與第一實施例或第二實施例相同的方法制備。本發明第四實施例提供一種同質外延結構，其包括一基底，一碳納米管層以及一外延層。本發明第四實施例中的碳納米管層可采用上述第一實施例至第三實施例的碳納米管層，基底、碳納米管層與外延層的材料及位置關系與第一實施例基本相同，其區別在于， 所述基底與外延層的材料相同，從而構成一同質外延結構。具體地，本實施例中，所述基底與外延層的材料均為GaN。本發明第四實施例進一步提供一種同質外延結構的制備方法，其具體包括以下步驟SlOO 提供一基底，且該基底具有一支持同質外延層生長的外延生長面；S200:在所述基底的外延生長面設置一碳納米管層，該基底與碳納米管層共同構成一襯底；以及S300 在基底的外延生長面生長同質外延層。本發明第四實施例的同質外延層的生長方法與第一實施例的異質外延層的生長方法基本相同，其區別在于，所述基底與外延層的材料相同，從而構成一同質外延結構。本發明采用一碳納米管層作為掩模設置于所述基底外延生長面生長外延層具有以下有以效果第一，所述碳納米管層為一自支撐結構，可直接鋪設在基底的外延生長面，相對于現有技術通過沉積后光刻等工藝形成掩模，本發明工藝簡單，成本低廉，有利于量產。第二，所述碳納米管層為圖形化結構，其厚度、開口尺寸均可達到納米級，所述襯底用來生長外延層時形成的異質外延晶粒具有更小的尺寸，有利于減少位錯缺陷的產生， 以獲得高質量的異質外延層。第三，所述碳納米管層的開口尺寸為納米級，所述外延層從與納米級開口對應的暴露的外延生長面生長，使得生長的外延層與基底之間的接觸面積減小，減小了生長過程中外延層與襯底之間的應力，從而可以生長厚度較大的異質外延層，可進一步提高異質外延層的質量。另外，本領域技術人員還可在本發明精神內作其它變化，當然這些依據本發明精神所作的變化，都應包含在本發明所要求保護的范圍內。
權利要求
1.一種外延結構的制備方法，其包括以下步驟提供一基底，該基底具有一支持外延層生長的外延生長面； 在所述基底的外延生長面設置一碳納米管層；以及在基底的外延生長面生長外延層。
2.如權利要求1所述的外延結構的制備方法，其特征在于，所述外延層為一異質外延層。
3.如權利要求2所述的外延結構的制備方法，其特征在于，所述基底為一單晶結構體， 且所述基底的材料為 GaAs、GaN、Si、SOI、A1N、SiC、MgO、SiO、LiGa02、LiAlO2 或 A1203。
4.如權利要求2所述的外延結構的制備方法，其特征在于，所述在基底的外延生長面設置一碳納米管層的方法為將碳納米管膜或碳納米管線直接鋪設在所述基底的外延生長面作為碳納米管層。
5.如權利要求2所述的外延結構的制備方法，其特征在于，所述碳納米管層中具有多個開口，所述異質外延層從所述基底的外延生長面通過該開口暴露的部分生長。
6.如權利要求2所述的外延結構的制備方法，其特征在于，所述異質外延層的生長方法具體包括以下步驟沿著基本垂直于所述基底的外延生長面方向成核并外延生長形成多個異質外延晶粒；所述多個異質外延晶粒沿著基本平行于所述基底的外延生長面方向外延生長形成一連續的異質外延薄膜；以及所述異質外延薄膜沿著基本垂直于所述基底的外延生長面方向外延生長形成一異質外延層。
7.如權利要求2所述的外延結構的制備方法，其特征在于，所述外延層的生長方法包括分子束外延法、化學束外延法、減壓外延法、低溫外延法、選擇外延法、液相沉積外延法、 金屬有機氣相外延法、超真空化學氣相沉積法、氫化物氣相外延法、以及金屬有機化學氣相沉積法中的一種或多種。
8.如權利要求2所述的外延結構的制備方法，其特征在于，所述異質外延層在所述碳納米管層周圍形成多個孔洞將所述碳納米管層中的碳納米管包圍。
9.如權利要求1所述的外延結構的制備方法，其特征在于，所述外延層為一同質外延層。
10.一種外延結構，其包括一基底，該基底具有一外延生長面，以及一外延層形成于所述基底的外延生長面，其特征在于，進一步包括一碳納米管層設置于所述外延層與基底之間。
11.如權利要求10所述的外延結構，其特征在于，所述外延層為一異質外延層。
12.如權利要求11所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層為一自支撐結構直接鋪設在所述基底的外延生長面。
13.如權利要求11所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層具有多個開口，所述異質外延層覆蓋所述碳納米管層設置并滲透碳納米管層的開口與所述基底的外延生長面接觸。
14.如權利要求13所述的外延結構，其特征在于，所述開口的尺寸為10納米 500微米。
15.如權利要求14所述的外延結構，其特征在于，所述開口的尺寸為10納米 120微米。
16.如權利要求15所述的外延結構，其特征在于，所述開口的尺寸為10納米 80微米。
17.如權利要求14至16中任一項所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層的占空比為1 100 100 1。
18.如權利要求14至16中任一項所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層的占空比為1 4 4 1。
19.如權利要求11所述的外延結構，其特征在于，所述異質外延層在與所述基底接觸的表面形成多個孔洞，所述碳納米管層設置于該孔洞內。
20.如權利要求11所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層的厚度為1納米 100微米。
21.如權利要求11所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層包括至少一碳納米管膜，該碳納米管膜包括多個碳納米管，且所述多個碳納米管的軸向沿同一方向擇優取向延伸。
22.如權利要求21所述的外延結構，其特征在于，所述軸向沿同一方向擇優取向延伸的相鄰的碳納米管通過范德華力首尾相連。
23.如權利要求21所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層包括多個碳納米管膜層疊設置。
24.如權利要求11所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層包括多個平行且間隔設置的碳納米管線。
25.如權利要求11所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層包括多個交叉設置的碳納米管線。
26.如權利要求M或25所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管線的直徑為0.5 納米 100微米，相鄰兩個平行設置的碳納米管線之間的距離為0. 1微米 200微米。
27.如權利要求11所述的外延結構，其特征在于，所述外延層為一半導體外延層、金屬外延層或合金外延層。
28.如權利要求11所述的外延結構，其特征在于，所述基底為一單晶結構體，且所述基底的材料為 GaAs, GaN, Si、SOI、A1N、SiC、MgO、ZnO, LiGaO2, LiAlO2 或 Al2O30
29.如權利要求11所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層為一連續的整體結構。
30.如權利要求11所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層包括多個碳納米管沿著平行于碳納米管層表面的方向延伸。
31.如權利要求11所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層為一包括多個碳納米管以及添加材料的復合結構。
32.如權利要求31所述的外延結構，其特征在于，所述添加材料為石墨、石墨稀、碳化硅、氮化硼、氮化硅、二氧化硅及無定形碳中的一種或多種。
33.如權利要求31所述的外延結構，其特征在于，所述添加材料為金屬碳化物、金屬氧化物及金屬氮化物中的一種或多種。
34.如權利要求31所述的外延結構，其特征在于，所述碳納米管層具有多個開口，所述添加材料包覆于碳納米管層的碳納米管的至少部分表面或設置于碳納米管層的開口內。
35.如權利要求10所述的外延結構，其特征在于，所述外延層為一同質外延層。
36.一種外延結構，其包括一基底，該基底具有一外延生長面，以及一異質外延層形成于所述基底的外延生長面，其特征在于，進一步包括一圖形化的碳納米管層設置于所述異質外延層與基底之間，且該圖形化的碳納米管層具有多個開口，使異質外延層滲透碳納米管層的多個開口與所述基底的外延生長面接觸。
全文摘要
本發明涉及一種外延結構及其制備方法。該外延結構包括一基底，該基底具有一外延生長面，以及一外延層形成于所述基底的外延生長面，其中，進一步包括一碳納米管層設置于所述外延層與基底之間。該外延結構的制備方法包括以下步驟提供一基底，該基底具有一支持外延層生長的外延生長面；在所述基底的外延生長面設置一碳納米管層；以及在基底的外延生長面生長外延層。
文檔編號H01L33/00GK102593272SQ20111002583
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月24日 優先權日2011年1月12日
發明者馮辰, 范守善, 魏洋 申請人:清華大學, 鴻富錦精密工業(深圳)有限公司