CN102903631B - 一种GaN衬底转移石墨烯的退火工艺及制作的器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN衬底转移石墨烯的退火工艺，采用高温退火的方式，修复衬底转移过程中产生的石墨烯缺陷，进一步去除转移过程中没能去除或是新引进的杂质。同时，高温退火还可以使衬底与石墨烯接触得到改善，接触均匀性大大提高，为GaN衬底和石墨烯两者的优势结合提供保障。最终使转移石墨烯表面更洁净，缺陷更少，石墨烯平整与GaN衬底接触更好。本发明由于采用在Ar气气氛中较低温度退火，有效的去除石墨烯表面吸附的水分子和其他杂质分子，由于采用高于700℃的高退火温度，得以形成衬底上附着石墨烯与GaN衬底的有效接触。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及III-IV族半导体衬底的石墨烯转移退火方法，特别是一种基于GaN衬底的退火方法，可用GaN衬底转移的石墨烯材料及GaN与石墨烯结合制作器件。
背景技术
石墨烯材料是一种碳基二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，单层仅原子厚度，它具有极其优异的物理化学性质，比如极高的载流子迁移率(理论估计超过200000cm2V-1s-1，是Si的数百倍)，超强的机械性能(杨氏模量约1000GP)，极高的比表面积和极好的气敏特性，极高的透明性和柔韧性，而且它与衬底不存在失配问题，可以与Si基器件工艺完全兼容，具有突出的产业优势。因此，石墨烯的出现为产业界和科技界带来曙光，它是最被看好的替代S i成为下一代基础半导体材料的新材料。
GaN材料是第三代半导体材料的代表，由A1N、GaN、InN及其合金A1GaN、InGaN等构成的III族氮化物是直接带隙半导体，且其带隙宽度可以从InN的0.7eV到GaN的3.4eV再到A1N的6.2eV连续可调，相应波长涵盖红、黄、绿直至紫外光谱范围，而且大的禁带差使得利用III族氮化物制备出的异质结、量子阱、超晶格等具有先进的特性，对于制造新型半导体器件有重要意义。
GaN材料已经被成功用于制作高频高功率器件以及LED等光电器件，然而由于最常用的蓝宝石上异质外延生长GaN热导率很低，大大限制了GaN器件的应用范围。与此对应的是石墨烯的热导率实验值约为5000Wm□1K□1，是室温下铜的热导率(401Wm□1K□1)的10倍多，因此石墨烯可以帮助GaN组成的微波功率电路的散热。同时，石墨烯的可见光透过率为97.7％，且与波长无关，凭借其良好的导电特性方便用于LED互连。
然而，使用常规转移方法转移到GaN衬底上的石墨烯缺陷多接触差，因此急需发明一种合适的转移后处理方法。
发明内容
本发明的目的在于克服使用常规转移方法转移到GaN衬底上的石墨烯缺陷多与衬底接触差，提供一种改善衬底接触的转移后退火方法。
本发明实施例是这样实现的，一种GaN衬底转移石墨烯的退火工艺，所述退火工艺步骤如下：
(1)将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理；
(2)向反应室通入Ar和CH4；
(3)在Fe(NO4)3水溶液中浸泡30-60min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150-200℃；
(4)放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA；
(5)分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干；
(6)反应室抽真空，再通入Ar气，气压0.01-0.1Torr，温度上升到100-200℃，保持30-40min；
(7)再通入Ar和H2的混合气，混合比例为10∶1-1∶1，气压维持在0.01-0.1Torr，退火温度为700-900℃，退火时间1-2h。
用上述方退火得到的转移石墨烯样品其特征在于：最终使转移石墨烯表面更洁净，缺陷更少，石墨烯平整与GaN衬底接触更好。
进一步，将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量1-20sccm，温度900-1000℃，时间20-60min，气压1-50Torr。
进一步，向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为10∶1-2∶1，Ar流量20-200sccm，CH4流量1-20sccm，气压维持在0.1-1Torr，温度900-1100℃，升温和保持时间共20-60min。
进一步，在0.05g/ml-0.15g/ml Fe(NO4)3水溶液中浸泡30-60min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150-200℃。
进一步，反应室抽真空，再通入Ar气，气压0.01-0.1Torr，温度上升到100-200℃，保持30-40min；
进一步，再通入Ar和H2的混合气，混合比例为10∶1-1∶1，气压维持在0.01-0.1Torr，退火温度为700-900℃，退火时间1-2h。
本发明的目的在于提供一种利用上述的GaN衬底转移的石墨烯材料及GaN与石墨烯结合制作的器件。
本发明具有如下优点：
1.由于采用在Ar气气氛中较低温度退火，有效的去除石墨烯表面吸附的水分子和其他杂质分子。
2.由于采用高于700℃的高退火温度，得以形成衬底上附着石墨烯与GaN衬底的有效接触。
附图说明
图1是本发明的GaN衬底上石墨烯退火流程图；
图2是本发明的GaN衬底上石墨烯退火的退火管式炉。
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，并不用于限定本发明。
参照图1、2，本发明给出如下实施例：
实施例1：
本发明的实现步骤如下：
步骤1，高温处理铜箔。
将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量5sccm，温度900℃，时间60min，气压15Torr
步骤2，CVD成长石墨烯。
向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为10∶1，Ar流量200sccm，CH4流量20sccm，气压维持在1Torr，温度900℃，升温和保持时间共20min。
步骤3，腐蚀Cu衬底。
在Fe(NO4)3水溶液(0.15g/ml)中浸泡30min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150℃。
步骤4，去除表面有机物。
放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA。
步骤5，分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干。
步骤6，去除反应室水蒸气。
反应室抽真空，再通入Ar气，气压0.1Torr，温度上升到160℃，保持40min。
步骤7，高温退火。
再通入Ar和H2的混合气，混合比例为10∶1，气压维持在0.1Torr，退火温度为700℃，退火时间2h。
实施例2：
本发明的实现步骤如下：
步骤A，高温处理铜箔。
将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量10sccm，温度950℃，时间40min，气压25Torr
步骤B，CVD成长石墨烯。
向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为5∶1，Ar流量100sccm，CH4流量20sccm，气压维持在1Torr，温度950℃，升温和保持时间共40min。
步骤C，腐蚀Cu衬底。
在Fe(NO4)3水溶液(0.1g/ml)中浸泡40min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在200℃。
步骤D，去除表面有机物。
放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA。
步骤E，分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干。
步骤F，去除反应室水蒸气。
反应室抽真空，再通入Ar气，气压0.06Torr，温度上升到170℃，保持30min。
步骤G，高温退火。
再通入Ar和H2的混合气，混合比例为7∶1，气压维持在0.07Torr，退火温度为800℃，退火时间1.5h。
实施例3：
本发明的实现步骤如下：
步骤1，高温处理铜箔。
将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量20sccm，温度1000℃，时间20min，气压50Torr
步骤2，CVD成长石墨烯。
向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为3∶1，Ar流量180sccm，CH4流量60sccm，气压维持在1Torr，温度1100℃，升温和保持时间共20min。
步骤3，腐蚀Cu衬底。
在Fe(NO4)3水溶液(0.15g/ml)中浸泡30min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在160℃。
步骤4，去除表面有机物。
放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA。
步骤5，分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干。
步骤6，去除反应室水蒸气。
反应室抽真空，再通入Ar气，气压0.1Torr，温度上升到200℃，保持30-40min。
步骤7，高温退火。
再通入Ar和H2的混合气，混合比例为3∶1，气压维持在0.1Torr，退火温度为900℃，退火时间2h。
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 (1)
1.一种GaN衬底转移石墨烯的退火工艺，其特征在于，
采用高温退火的方式，修复衬底转移过程中产生的石墨烯缺陷，进一步去除转移过程中没能去除或是新引进的杂质，同时进行高温退火；
所述退火工艺步骤如下：
(1)将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理；
(2)向反应室通入Ar和CH4；
(3)在Fe(NO4)3水溶液中浸泡30-60min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150-200℃；
(4)放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA；
(5)分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干；
(6)反应室抽真空，再通入Ar气；
(7)再通入Ar和H2的混合气，退火；
将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量1-20sccm，温度900-1000℃，时间20-60min，气压1-50Torr；
向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为10∶1-2∶1，Ar流量20-200sccm，CH4流量1-20sccm，气压维持在0.1-1Torr，温度900-1100℃，升温和保持时间共20-60min；
在0.05g/ml-0.15g/ml Fe(NO4)3水溶液中浸泡30-60min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150-200℃；
反应室抽真空，再通入Ar气，气压0.01-0.1Torr，温度上升到100-200℃，保持30-40min；
再通入Ar和H2的混合气，混合比例为10∶1-1∶1，气压维持在0.01-0.1Torr，退火温度为700-900℃，退火时间1-2h。
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