CN102903617A - 基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法及制造的器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法，采用III-V族化合物半导体GaN作为衬底，通过对GaN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，实现了石墨烯生长的最优化，在GaN上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，便可以直接用于制造各种器件，为氮化镓-石墨烯结构器件提供了材料，提高了器件的电学特性，可靠性，降低了器件制造的复杂性。

Description

基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法及制造的器件
技术领域
本发明属于半导体材料与器件制造技术领域，涉及半导体材料的生长方法，特别是一种基于III-V族半导体氮化镓衬底的石墨烯CVD外延生长方法，可用于无需转移的大面积石墨烯材料的生长制备，并为氮化镓-石墨烯器件的制造提供材料。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，具有非常奇特的物理化学性质，具有突出的产业优势，有望替代Si成为下一代基础半导体材料的新材料。
过渡族金属催化化学气象沉积(CVD)外延是国际上广泛采用的大面积石墨烯制备的方法，它不受衬底尺寸的限制，设备简单，可以大批量生产。但是，CVD外延制备的原生石墨烯下方的金属衬底导电性使得其无法直接应用，必须依赖衬底转移技术，将金属衬底去除然后转移至合适的衬底上，而在转移过程中不可避免地会对石墨烯薄膜产生污染和损坏，影响石墨烯材料和器件的性能。
氮化镓(GaN)作为一种宽禁带材料，具有良好的多种性能，成为电子、光电研究领域的热门研究课题。可用于制备高电子迁移率晶体管、太阳能电池、紫外探测器、发光器件等。特别是石墨烯发现之后，作为六方纤锌矿晶体，氮化镓和石墨烯的结合能够有效减少晶格失配、提高石墨烯的质量和面积，具有独特的优势。氮化镓-石墨烯器件结构已经成为研究热点。因此，在氮化镓衬底上直接利用CVD方法外延生长石墨烯，能够减小晶格失配，避免转移过程中残胶引起的性能退化，提高石墨烯和氮化镓衬底接触质量，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术问题，提供一种基于氮化镓衬底的石墨烯气相化学沉积(CVD)方法，以在氮化镓衬底上直接生长石墨烯薄膜，为氮化镓-石墨烯结构器件提供材料。
实现本发明的技术关键是：采用III-V族化合物半导体GaN作为衬底，通过对GaN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，实现了石墨烯生长的最优化，在GaN上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，便可以直接用于制造各种器件，为氮化镓-石墨烯结构器件提供了材料，提高了器件的电学特性，可靠性，降低了器件制造的复杂性。其生长步骤包括如下：
(1)将GaN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间5～10min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999％)吹干。
(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10-5～10-6Torr，以去除反应室内的残留气体；
(3)向反应室内通入高纯Ar，温度150～250℃，保持10～30min，然后抽真空至10-510-6Torr，排出衬底表面吸附气体。
(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量1～20sccm，反应室真空度0.1～1Torr，衬底温度900～1000℃，处理时间1～10min；
(5)向反应室中通入H2和CH4，保持H2和CH4的流量比为10∶1～2∶1，H2流量20～200sccm，CH4流量1～20sccm，气压维持在0.1～1atm，温度1000～1200℃，升温时间20～60min，保持时间20～60min；
(6)自然降温，保持工序(5)中的H2和CH4流量不变，气压0.1～1atm，完成石墨烯的生长。
(7)温度降至100℃以下，关闭CH4、H2，通入Ar，打开反应室，取出样品。
本发明具有如下优点：
1.由于采用基于氮化镓衬底的常压无催化金属的石墨烯CVD外延生长方法，无需在后续步骤中对石墨烯进行转移，避免了对石墨烯材料的破坏。
2.由于采用于氮化镓衬底的石墨烯CVD外延生长方法，可以直接在氮化镓衬底上制造石墨烯器件，为氮化镓-石墨烯器件提供材料基础。
附图说明
图1是本发明的氮化镓衬底上石墨烯薄膜化学气相沉积(CVD)生长流程图；
图2是本发明的氮化镓衬底上石墨烯薄膜化学气相沉积(CVD)生长结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
具体实施方式
实施例1在氮化镓衬底上制备石墨烯薄膜。
(1)将GaN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间10min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999％)吹干。
(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10-5Torr，以去除反应室内的残留气体；
(3)向反应室内通入高纯Ar，温度150℃，保持10min，然后抽真空至10-5Torr，排出衬底表面吸附气体。
(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量1sccm，反应室真空度0.1Torr，衬底温度900℃，处理时间1min；
(5)向反应室中通入H2和CH4，保持H2和CH4的流量比为10：1，H2流量20sccm，CH4流量2sccm，气压维持在0.1atm，温度1200℃，升温时间20min，保持时间50min；
(6)自然降温，保持工序(5)中的H2和CH4流量不变，气压0.1atm，完成石墨烯的生长。
(7)温度降至100℃以下，关闭CH4、H2，通入Ar，打开反应室，取出样品。
实施例2在氮化镓衬底上制备石墨烯薄膜。
(1)将GaN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间8min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999％)吹干。
(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10-6Torr，以去除反应室内的残留气体；
(3)向反应室内通入高纯Ar，温度250℃，保持30min，然后抽真空至10-6Torr，排出衬底表面吸附气体。
(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量20sccm，反应室真空度1Torr，衬底温度1000℃，处理时间10min；
(5)向反应室中通入H2和CH4，保持H2和CH4的流量比为2∶1，H2流量200sccm，CH4流量100sccm，气压维持在1atm，温度1100℃，升温时间60min，保持时间20min；
(6)自然降温，保持工序(5)中的H2和CH4流量不变，气压1atm，完成石墨烯的生长。
(7)温度降至100℃以下，关闭CH4、H2，通入Ar，打开反应室，取出样品。
实施例3在氮化镓衬底上制备石墨烯薄膜。
(1)将GaN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间5min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999％)吹干。
(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10-6Torr，以去除反应室内的残留气体；
(3)向反应室内通入高纯Ar，温度100℃，保持20min，然后抽真空至10-6Torr，排出衬底表面吸附气体。
(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量10sccm，反应室真空度0.5Torr，衬底温度950℃，处理时间10min；
(5)向反应室中通入H2和CH4，保持H2和CH4的流量比为5∶1，H2流量100sccm，CH4流量20sccm，气压维持在0.5atm，温度1100℃，升温时间40min，保持时间30min；
(6)自然降温，保持工序(5)中的H2和CH4流量不变，气压0.5atm，完成石墨烯的生长。
(7)温度降至100℃以下，关闭CH4、H2，通入Ar，打开反应室，取出样品。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于氮化镓衬底的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，
采用III-V族化合物半导体GaN作为衬底，通过对GaN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，实现了石墨烯生长的最优化，在GaN上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，为氮化镓-石墨烯结构器件提供了材料，可直接用于制造各种器件。
2.如权利要求1所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，其生长方法实现步骤包括如下：
(1)将GaN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间5～10min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气吹干；
(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10-5～10-6Torr，以去除反应室内的残留气体；
(3)向反应室内通入高纯Ar，排出衬底表面吸附气体；
(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理；
(5)向反应室中通入H2和CH4；
(6)自然降温，保持工序(5)中的H2和CH4流量不变，完成石墨烯的生长；
(7)温度降至100℃以下，关闭CH4、H2，通入Ar，打开反应室，取出样品。
3.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，向反应室内通入高纯Ar，排出衬底表面吸附气体时，温度150～250℃，保持10～30min，然后抽真空至10-5～10-6Torr。
4.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量1～20sccm，反应室真空度0.1～1Torr，衬底温度900～1000℃，处理时间1～10min。
5.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，向反应室中通入H2和CH4，保持H2和CH4的流量比为10∶1～2∶1，H2流量20～200sccm，CH4流量1～20sccm，气压维持在0.1～1atm，温度1000～1200℃，升温时间20～60min，保持时间20～60min。
6.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，自然降温，保持工序(5)中的H2和CH4流量不变，气压0.1～1atm，完成石墨烯的生长。
7.一种利用权利要求1所述的基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法制造的器件。
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