一種石墨烯上自組織成核外延GaN材料的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種石墨烯上自組織成核外延GaN材料的方法，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括以下步驟：在襯底在生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜；采用MOCVD技術(shù)，并在MOCVD反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行高溫退火；通入NH3，在石墨烯薄膜上形成自組織成核點(diǎn)；生長(zhǎng)形核層；退火，實(shí)現(xiàn)形核層結(jié)晶；變溫后，自組織形核層上外延生長(zhǎng)氮化鎵材料。本發(fā)明能夠提高石墨烯上成核點(diǎn)，利于石墨烯上形核層的形成，并進(jìn)一步提高石墨烯上氮化鎵材料的晶體質(zhì)量，提高器件的使用效率和使用壽命。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種石墨烯上自組織成核外延GaN材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種石墨烯上自組織成核外延GaN材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為第三代半導(dǎo)體的典型代表，氮化鎵材料由于具有寬的禁帶寬度，高電子速度等特點(diǎn)，氮化鎵基器件在微波、毫米波頻段廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、雷達(dá)等電子系統(tǒng)，在光電子和微電子領(lǐng)域發(fā)展前景十分廣闊。
[0003]石墨烯是由碳原子緊密排列的二維蜂窩狀晶體薄膜，石墨烯的這種特殊的層狀結(jié)構(gòu)使得它與氮化鎵之間只存在分子間范德華力，因而容易剝離和轉(zhuǎn)移，方便轉(zhuǎn)移到其他襯底，例如玻璃及柔性襯底上，實(shí)現(xiàn)柔性的光電器件、自支撐的GaN材料以及替代ITO成為GaN基LED的透明電極，意義十分重大。
[0004]由于石墨烯二維平面薄膜表面能非常低，直接在石墨烯上生長(zhǎng)GaN難以成核，易形成三維團(tuán)簇，所制備出的GaN材料晶體質(zhì)量較差，很難有實(shí)用價(jià)值。目前在石墨烯上外延生長(zhǎng)氮化鎵的主要方法是在石墨烯上先生長(zhǎng)一層氧化鋅的納米墻，然后再進(jìn)行GaN外延材料的生長(zhǎng)。但是這種方法有工藝復(fù)雜，并且由于氧化鋅納米墻引入了氧雜質(zhì)，形成淺埋電荷層，進(jìn)而影響石墨烯上氮化鎵基器件的使用壽命和使用效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種石墨烯上自組織成核外延GaN材料的方法，能夠促進(jìn)石墨烯上成核點(diǎn)的產(chǎn)生，利于石墨烯上形核層的形成，提高石墨烯上氮化鎵材料的晶體質(zhì)量，提高器件的使用效率和使用壽命。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種石墨烯上自組織成核外延GaN材料的方法，包括以下步驟:
步驟一:在襯底在生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜；
步驟二:采用MOCVD技術(shù)，在MOCVD反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行退火；
步驟三:通入NH3，在石墨稀薄膜上形成自組織成核點(diǎn)；
步驟四:生長(zhǎng)形核層；
步驟五:退火，實(shí)現(xiàn)形核層結(jié)晶；
步驟六:變溫后，自組織形核層上外延生長(zhǎng)氮化鎵材料。
[0007]步驟一中，所述襯底為氮化鎵、藍(lán)寶石、SiC、S1、AlN、Si02、金剛石中的一種，生長(zhǎng)石墨烯的方法為MOCVD或CVD，也可在其他襯底上生長(zhǎng)石墨烯后再進(jìn)行轉(zhuǎn)移。
[0008]步驟二中，步驟二中，采用MOCVD技術(shù)，在MOCVD反應(yīng)室內(nèi)將石墨烯進(jìn)行退火，在氫氣或者氮?dú)鈿夥障?，溫度維持在室溫?1350 °C，持續(xù)300 s到2000s，然后變溫；其中的MOCVD技術(shù)，是采用氨氣作為氮源，氫氣或氮?dú)庾鳛檩d氣，三甲基鎵或三乙基鎵、三甲基銦和三甲基鋁分別作為鎵源、銦源和鋁源。
[0009]步驟三中，通入NH3流量>0 sccm,通入NH3時(shí)間>1 s，溫度維持在室溫?1350 °C。
[0010]步驟四中，生長(zhǎng)形核層的溫度為室溫?1350 °(:，形核層可以為411六16&16&~中的一種、兩種或三種，厚度為O?200 nm0
[0011]步驟五中，退火溫度為500 °C?1350 °C，退火時(shí)間O?1000 S。
[0012]步驟六中，其中生長(zhǎng)形核層的溫度結(jié)晶后生長(zhǎng)氮化鎵的溫度為室溫?1300°C，厚度約O?10 um。
[0013]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:本發(fā)明是在對(duì)石墨烯進(jìn)行高溫退火后，通入順3，利用NH3對(duì)石墨烯進(jìn)行刻蝕，在石墨烯中引入點(diǎn)缺陷，利用點(diǎn)缺陷表面勢(shì)較低且化學(xué)活性高的特點(diǎn)，以點(diǎn)缺陷為成核點(diǎn)，再生長(zhǎng)形核層，形成自組織成核的形核層。自組織成核點(diǎn)的引入有利于石墨烯上形核層的形成，并進(jìn)一步提升氮化鎵的晶體質(zhì)量，有效解決石墨烯上生長(zhǎng)GaN形核密度低的問(wèn)題，提高器件的使用效率和使用壽命，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明的流程圖；
圖2是本發(fā)明在石墨烯上外延生長(zhǎng)氮化鎵材料的典型溫度曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0016]本發(fā)明在高溫退火后，通入NH3對(duì)石墨烯進(jìn)行刻蝕，在石墨烯中引入點(diǎn)缺陷，利用點(diǎn)缺陷表面勢(shì)較低且化學(xué)活性高的特點(diǎn)，以點(diǎn)缺陷為成核點(diǎn)，再生長(zhǎng)形核層，形成自組織成核的形核層。本發(fā)明利用NH3刻蝕自組織成核法制備GaN材料，能有效解決石墨烯上生長(zhǎng)GaN形核密度低的問(wèn)題，提高石墨烯上GaN材料的晶體質(zhì)量，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。本發(fā)明的具體步驟如下:
步驟一，在襯底上生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜:采用CVD技術(shù)，在襯底上生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜，采用CH4作為碳源，采用氫氣和氬氣作為載氣，石墨烯生長(zhǎng)溫度在800 °C?1600 V，生長(zhǎng)壓力為10?9OO mbar0
[0017]步驟二，高溫退火:采用MOCVD技術(shù)，在MOCVD反應(yīng)室內(nèi)將石墨烯進(jìn)行熱處理，在氫氣或者氮?dú)鈿夥障?，溫度維持在600 °C?1350 °C，持續(xù)300 s到2000s，然后變溫；其中的MOCVD技術(shù)，是采用氨氣作為氮源，氫氣或氮?dú)庾鳛檩d氣，三甲基鎵或三乙基鎵、三甲基銦和三甲基鋁分別作為鎵源、銦源和鋁源。
[0018]步驟三，通入氨氣，形成自組織成核點(diǎn):其中通入NH3流量500?30000 sccm，通入NH3時(shí)間I s?5000 S，溫度維持在室溫?1350 °C。
[0019]步驟四，在石墨烯上生長(zhǎng)自組織形核層:其中形核層可以為AlN、GaN以及AlGaN等中的一種或幾種，形核層的生長(zhǎng)溫度為20 °C?1350 °C，反應(yīng)室壓力為10?900mbar，V族元素/ ΙΠ族元素的摩爾比約O?30000，形核層厚度為O?200 nm。
[0020]步驟五，退火，實(shí)現(xiàn)形核層結(jié)晶:反應(yīng)室溫度升高到退火溫度500 °C?1350 °C，退火時(shí)間為O?1000 S，使氮化鎵形核層在退火后剩余少量晶核。
[0021]步驟六，變溫后在退火后的形核層上生長(zhǎng)一層氮化鎵:其中生長(zhǎng)溫度在室溫?1300 °C，反應(yīng)室壓力為10mbar?1000 mbar，V族元素/ ΙΠ族元素的摩爾比約I?40000。
[0022]圖1是本發(fā)明的流程圖，圖2是在石墨烯上外延生長(zhǎng)氮化鎵材料的典型溫度曲線圖，圖2具體表示的是步驟二至步驟六中的溫度時(shí)間變化曲線，過(guò)程如下:把生長(zhǎng)石墨烯的襯底放入MOCVD反應(yīng)室，在MOCVD反應(yīng)室逐步升溫，在氫氣或者氮?dú)鈿夥障?，溫度維持在1200Γ，持續(xù)800s;通入氨氣，對(duì)石墨烯進(jìn)行刻蝕形成成核點(diǎn)；降溫至500°C，生長(zhǎng)形核層，持續(xù)時(shí)間700 s;隨后對(duì)形核層進(jìn)行退火結(jié)晶，溫度為500 °C?1200 °C;然后在1200 °(:高溫外延生長(zhǎng)氮化鎵材料。
[0023]本發(fā)明通過(guò)通入NH3，利用NH3對(duì)石墨烯進(jìn)行刻蝕，在石墨烯中引入點(diǎn)缺陷，利用點(diǎn)缺陷表面勢(shì)較低且化學(xué)活性高的特點(diǎn)，以點(diǎn)缺陷為成核點(diǎn)，再生長(zhǎng)形核層，提高了石墨烯上氮化鎵外延材料的晶體質(zhì)量，進(jìn)而提高石墨烯上氮化鎵基器件的使用壽命和使用效率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種石墨稀上自組織成核外延GaN材料的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:在襯底在生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜； 步驟二:采用MOCVD技術(shù)，并在MOCVD反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行退火； 步驟三:通入Mfe，在石墨稀薄膜上形成自組織成核點(diǎn)； 步驟四:生長(zhǎng)形核層； 步驟五:退火，實(shí)現(xiàn)形核層結(jié)晶； 步驟六:變溫后，自組織形核層上外延生長(zhǎng)氮化鎵材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯上自組織成核外延GaN材料的方法，其特征在于，步驟一中，所述襯底為氮化鎵、藍(lán)寶石、SiC、S1、AlN、Si02、金剛石中的一種，生長(zhǎng)石墨烯的方法為MOCVD或CVD，也可在其他襯底上生長(zhǎng)石墨烯后再進(jìn)行轉(zhuǎn)移。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯上自組織成核外延GaN材料的方法，其特征在于，步驟二中，采用MOCVD技術(shù)，在MOCVD反應(yīng)室內(nèi)將石墨烯進(jìn)行高溫退火，在氫氣或者氮?dú)鈿夥障拢瑴囟染S持在室溫?1350 °C，持續(xù)300 s到2000 S，然后變溫;其中MOCVD技術(shù)，是采用氨氣作為氮源，氫氣或氮?dú)庾鳛檩d氣，三甲基鎵或三乙基鎵、三甲基銦和三甲基鋁分別作為鎵源、銦源和鋁源。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯上自組織成核外延GaN材料的方法，其特征在于，步驟三中，通入NH3流量>0 sccm，通入NH3時(shí)間>1 s，溫度維持在室溫?1350 °C。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯上自組織成核外延GaN材料的方法，其特征在于，步驟四中，生長(zhǎng)形核層的溫度為室溫?1350 °C，形核層為AlN、AlGaN、GaN中的一種、兩種或三種，厚度為O?200 nm06.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯上自組織成核外延GaN材料的方法，其特征在于，步驟五中，退火溫度為500 °C?1350 °C，退火時(shí)間O?1000 S。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯上自組織成核外延GaN材料的方法，其特征在于，步驟六中，其中生長(zhǎng)形核層的溫度結(jié)晶后生長(zhǎng)GaN的溫度為室溫?1300 °C，厚度約O?10um0
【文檔編號(hào)】H01L21/02GK105914139SQ201610483196
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月28日
【發(fā)明人】王波, 房玉龍, 尹甲運(yùn), 郭艷敏, 李佳, 蘆偉立, 馮志紅
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所