CN107083535A - 石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜及制备方法 - Google Patents

石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于氮化镓基薄膜和器件制造技术领域，提供了石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜及制备方法。以图形化金属为衬底，先使用磁控溅射方法在金属衬底上制备催化金属层，再使用电子回旋共振‑等离子体增强金属有机物化学气相沉积方法，依次进行氢等离子体清洗催化金属层、制备石墨烯层、制备AlxGayIn1‑x‑yN缓冲层和制备AlxGayIn1‑x‑yN外延层。可在廉价的非单晶金属衬底上制备出低位错密度、高晶体质量的氮化镓基薄膜。所制备的氮化镓基薄膜可直接作为氮化镓基器件的模板衬底等使用，具有广泛的应用前景。

Description

石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜及制备方法
技术领域
本发明属于氮化镓基薄膜和器件制造领域，特别涉及石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜及制备方法，具体是以图形化金属为衬底，先使用磁控溅射方法在图形化金属衬底上制备催化金属层，再使用电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积(Electron Cyclotron Resonance Plasma Enhanced Metalorganic ChemicalVaporDeposition，ECR-PEMOCVD)方法，依次进行氢等离子体清洗催化金属层、制备石墨烯层、制备氮化镓基缓冲层和制备氮化镓基外延层。
背景技术
氮化镓基材料AlxGayIn1-x-yN(包括氮化镓GaN、氮化铝AlN、氮化铟InN及其固溶体)属于第三代半导体材料，具有宽直接带隙、高热导率、化学稳定性好且抗辐射等优点，且通过调节其固溶体的组分可获得从0.7eV(InN)一直到6.2eV(AlN)的连续可调直接带隙，因而被称之为全光谱材料，可广泛用于制造高效率的蓝绿光半导体发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)、高效率太阳能电池、紫外探测器等光电器件以及高频高功率的电子器件等。
与蓝宝石、碳化硅、硅等异质单晶衬底相比，非单晶的普通金属衬底兼有大面积、廉价、导电、导热和柔性等优点。在金属衬底上有利于直接制备垂直导电结构的高亮度GaN基LED，能彻底解决绝缘蓝宝石衬底上LED的横向电流拥挤问题，大大提高LED的功率和亮度，且降低高亮度LED的工艺难度和制备成本。一些反光且柔性的金属衬底还适于制备柔性高效率太阳能电池、紫外探测器等。
目前已有一些采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积(ECR-PEMOCVD)、分子束外延(MBE)和脉冲激光沉积(PLD)等方法在单晶金属衬底上制备AlxGayIn1-x-yN薄膜和器件的方法。但普通金属衬底一般是非单晶结构的，如何在普通金属衬底上面制备出低位错密度、高晶体质量的AlxGayIn1-x-yN薄膜是个很大的难题。
发明内容
本发明旨在提供一种制备方法先进，位错密度低、晶体质量高的石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜及制备方法，以克服已有技术的不足。
本发明实现其目的的主导技术构想是：
与采用平面金属衬底相比，采用图形化金属衬底，可以通过调控Ⅴ/Ⅲ比等关键工艺参数，实现AlxGayIn1-x-yN薄膜在图形化金属衬底上的横向生长，从而使AlxGayIn1-x-yN薄膜中的位错偏向金属衬底图形的斜面弯曲并消失，从而显著降低AlxGayIn1-x-yN薄膜的位错密度和应力，可获得高晶体质量的AlxGayIn1-x-yN薄膜。图形化金属衬底可采用湿法腐蚀、干法腐蚀、阳极氧化、纳米压印等方法制备，例如，已有发明专利ZL200810091611.6、ZL201210223961.X、ZL201310551957.0等报导采用湿法腐蚀、干法腐蚀、阳极氧化、纳米压印等方法来制备图形化金属衬底。
另一方面，在横向生长AlxGayIn1-x-yN薄膜之前，预先采用磁控溅射设备和方法在图形化金属衬底上沉积上Ni，Cu，Ag，Pt，Au等催化金属层后，可以在催化金属层上制备出高质量大尺寸的石墨烯层。石墨烯是单层的二维单原子层石墨(厚度为0.335nm)，从广义上来说，层数小于10层的石墨都可称为石墨烯。采用石墨烯层作为中间层材料，有利于提高后续AlxGayIn1-x-yN薄膜的晶体质量，例如六方相GaN的a轴晶格常数(0.3189nm)与石墨烯六角形晶格的对角线长度(0.284nm)存在较好的晶格匹配关系，其晶格失配度约为12％，低于GaN与蓝宝石衬底的晶格失配度(16％)，且石墨烯的表面能低，与AlxGayIn1-x-yN薄膜之间的反应弱，有利于降低AlxGayIn1-x-yN薄膜的成核密度，促进AlxGayIn1-x-yN薄膜在石墨烯表面的外延横向生长。这都有利于进一步降低AlxGayIn1-x-yN薄膜的位错密度和应力，提高AlxGayIn1-x-yN薄膜的晶体质量，有利于在非单晶的普通金属衬底上横向外延生长出低位错密度、高晶体质量的AlxGayIn1-x-yN薄膜。
石墨烯和金属都具有良好的导电性和导热性，这有利于在金属衬底上实现垂直导电结构的大功率GaN基器件。当催化金属层采用Ag等反射率高的金属层后，还可以制备出反射率很高的金属衬底，有利于提高LED的出光，或有利于提高太阳能电池、紫外探测器对入射光的利用。由于金属衬底就是背电极，与蓝宝石等绝缘衬底上的横向结构器件相比，还可以节省正面电极面积，提高光电器件的效率。
在金属衬底上制备催化金属层的诸多方法当中，磁控溅射方法具有膜层致密，大面积均匀，厚度可控，重复性好，膜层与金属衬底结合力好的优点。而在制备石墨烯和AlxGayIn1-x-yN薄膜的诸多方法中，电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积(ECR-PEMOCVD)方法可以提供反应所需的多种高活性等离子体源，而不需要依靠高温裂解气体来提供反应粒子，因而可以使石墨烯和AlxGayIn1-x-yN薄膜的制备温度分别低于950℃和800℃以下，低温制备工艺有利于降低金属衬底与后续各膜层之间因热膨胀系数不同而导致的热失配应力，也有利于抑制金属衬底及石墨烯层中的各种杂质向后续AlxGayIn1-x-yN薄膜中的扩散，有利于提高AlxGayIn1-x-yN薄膜的晶体质量。
在采用ECR-PEMOCVD设备和方法制备石墨烯和AlxGayIn1-x-yN薄膜时，直接参与微波放电的主要有氮气、氨气、氢气、甲烷、氩气及其两种或两种以上的混合气体，可提供高密度的氮等离子体源、氢等离子体源以及碳等离子体源等。金属有机物源可使用三甲基铝TMAl、三甲基镓TMGa、三甲基铟TMIn等，以分别提供铝源、镓源和铟源。通过上述各反应气体流量的调控可以方便地制备所需厚度的石墨烯层和不同组分含量的AlxGayIn1-x-yN薄膜。
基于上述主导技术构想，本发明实现其目的的技术方案是：
石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜，采用图形化金属作为衬底，在图形化金属衬底的一侧表面上，从内到外依次有催化金属层，石墨烯层，AlxGayIn1-x-yN缓冲层，AlxGayIn1-x-yN外延层。
由以上所给出的第一技术方案可以明了，本发明所述的石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜，是由图形化金属衬底以及依次沉积镀覆在金属衬底一侧表面上的催化金属层，石墨层和两层AlxGayIn1-x-yN层所构成。从而在廉价的非单晶普通金属衬底上制备出低位错密度、高晶体质量的AlxGayIn1-x-yN薄膜，实现了本发明的初衷。
在上述技术方案中，本发明还主张，所述图形化金属衬底的一侧表面上具有周期化图形，该周期化图形是凸起或凹陷图形，且为圆锥形、圆柱形、半球形、三角锥形、球冠、三棱台形、梯形圆台以及多边锥形、多边柱形或梯形多边台形中的任意一种或任意两种以上的组合，周期化图形的周期为0.5～10μm，周期化图形的最大横向直径或边长为0.5～10μm，周期化图形高度为0.1～2μm。
在上述技术方案中，本发明还主张，所述图形化金属衬底是一层金属衬底或多层金属板/箔的复合金属衬底，图形化金属衬底的厚度为0.01～3mm；所述催化金属层的厚度为50～300nm；所述石墨烯层的厚度为0.335～3.35mm；所述AlxGayIn1-x-yN缓冲层的厚度为10～200nm，AlxGayIn1-x-yN缓冲层的组分值控制为：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1；所述AlxGayIn1-x-yN外延层的厚度为0.5～3μm，AlxGayIn1-x-yN外延层的组分值控制为：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1。但不局限于此。所述图形化金属衬底的厚度，应视所应用的GaN基器件实际使用需要而定。例如：应用于大功率GaN基器件的图形化金属衬底，就可能要厚一点；而应用于低功率或柔性GaN基器件的图形化金属衬底，就可能要薄一点。
在上述技术方案中，本发明还主张，所述图形化金属衬底是Ti，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zr，Mo，Hf，Ta，W中的一种及以所述一种金属元素为主要成分的合金。特别是热膨胀系数与AlxGayIn1-x-yN薄膜相近甚至匹配的导电导热性好的图形化金属衬底具有更好的效果。但不局限于此。出于性价比考虑，特别主张采用Ti，Cr，Zr，Mo，Mo0.85Cu0.15和W0.80Cu0.20图形化金属衬底。
在上述技术方案中，本发明还主张，所述催化金属层是Fe，Co，Ni，Cu，Mo，Ru，Rh，Pd，Ag，Ir，Pt，Au中的一种及以所述一种金属元素为主要成分的合金。但不局限于此。出于兼顾反射率、石墨烯质量和制备成本的考虑，特别主张采用Ag及以Ag为主要成分的Ag-Cu，Ag-Ni，Ag-Au合金作为催化金属层。
本发明实现其第二目的的技术方案是：
石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜制备方法，依次包括以下顺序步骤：a.磁控溅射方法制备催化金属层；b.氢等离子体清洗催化金属层；c.ECR-PEMOCVD方法制备石墨烯层；d.氮等离子体氮化石墨烯层；e.ECR-PEMOCVD方法制备AlxGayIn1-x-yN缓冲层；f.ECR-PEMOCVD方法制备AlxGayIn1-x-yN外延层。
所述的a.磁控溅射方法制备催化金属层的具体步骤和工艺策略为：所有的靶材均为纯金属靶材，其中Fe靶、Co靶、Ni靶采用强磁磁控靶，将经化学物理法清洗并干燥预处理的图形化金属衬底，布置在磁控溅射设备镀膜室内的料台上，当磁控溅射设备镀膜室的本底气压被抽至1×10-4～5×10-4Pa，把料台加热至100℃～500℃，当料台温度稳定后，向磁控溅射镀膜室中通入氩气，氩气流量为40～200sccm，使镀膜室气压控制为0.1～5Pa，当镀膜室气压稳定后，把所需金属靶材的射频溅射电源的功率均设定为30～200W，并开启所需的射频溅射电源，开始在图形化金属衬底表面上溅射沉积催化金层，溅射时间为1～40min，使催化金属层的厚度控制为20～500nm。
当图形化金属衬底上溅射沉积催化金属层的时间完成后，关闭射频溅射电源，关闭氩气气源，把料台温度设定为30℃开始降温，降温过程中继续维持抽真空设备运转，当料台温度降低到30℃后，关闭抽真空设备，向磁控溅射设备中充入高纯氮气至一个大气压时，取出已溅射沉积上催化金属层的图形化金属衬底，并把它尽快放入ECR-PEMOCVD设备上的充满高纯氮气的手套箱中待用。
后续的所有操作步骤和工艺均在ECR-PEMOCVD设备上完成。
所述的b.氢等离子体清洗催化金属层的具体步骤和工艺策略为：把溅射沉积上催化金属层的图形化金属衬底从ECR-PEMOCVD设备的手套箱传送至装样室，再从装样室传送至真空反应室内的料台上，当真空反应室的本底气压抽至5×10-4～1×10-5Pa后，把料台温度加热至400～950℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氢气，氢气流量为50～200sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用氢等离子体清洗催化金属层，清洗时间为1～40min。
所述的c.ECR-PEMOCVD方法制备石墨烯层的具体步骤和工艺策略为：把料台温度加热至400～950℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入甲烷、氢气、氩气的混合气体，其中甲烷流量为40～100sccm，氢气流量为20～100sccm，氩气流量0～100sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用ECR-PEMOCVD方法在催化金属层上制备石墨烯层，制备时间为1～60min，制备时间结束后，关闭微波电源和各路气体，然后把料台温度设定为室温～400℃，开始降温，降温过程中在催化金属层表面上偏析出石墨烯层，使石墨烯层的厚度控制为0.335～3.35nm。
所述的d.氮等离子体氮化石墨烯层的具体步骤和工艺策略为：把料台温度加热至室温～400℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氮气、氨气的混合气体，其中氮气流量为0～150sccm，氨气流量为0～150sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用含氮活性粒子的等离子体对石墨烯层进行氮化处理，氮化时间为1～10min。
所述的e.ECR-PEMOCVD方法制备AlxGayIn1-x-yN缓冲层的具体步骤和工艺策略为：把料台温度加热至室温～400℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氮气、氨气、氢气的混合气体，其中氮气流量为0～150sccm，氨气流量为0～150sccm，氢气流量0～50sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，当微波放电稳定后，再通过气相金属有机物供气管路向真空反应室中通入所需的各金属有机物源，开始使用ECR-PEMOCVD方法在氮化后的石墨烯层上制备AlxGayIn1-x-yN缓冲层，其中三甲基铝TMAl的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，三甲基镓TMGa的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，三甲基铟TMIn的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，使AlxGayIn1-x-yN缓冲层的组分值控制为：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1，使AlxGayIn1-x-yN缓冲层的厚度控制为20～300nm。
所述的f.ECR-PEMOCVD方法制备AlxGayIn1-x-yN外延层的具体步骤和工艺策略为：当料台温度达到300～800℃后，开始使用ECR-PEMOCVD方法在AlxGayIn1-x-yN缓冲层上制备AlxGayIn1-x-yN外延层，其微波放电过程同步骤d，使AlxGayIn1-x-yN外延层的组分值控制为：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1，使AlxGayIn1-x-yN外延层的厚度控制为0.5～3μm。
生长完AlxGayIn1-x-yN外延层后，关断各金属有机物源，把温度设定为30℃开始降温，降温过程中维持步骤e的其它制备工艺不变，当温度降低到300℃后，终止微波放电，并有序关闭ECR-PEMOCVD设备。
所有的气体流量均由气体质量流量控制器控制。
本发明的有益效果是：使用磁控溅射方法可在图形化金属衬底表面上制备出薄膜致密、大面积均匀、厚度可控、重复性好、与图形化金属衬底结合力好的催化金属层。由于催化金属中的溶碳量都低，所以在催化金属层上能制备出高质量的单层或多层石墨烯薄膜。石墨烯的表面能低，与AlxGayIn1-x-yN之间的反应弱，有利于降低AlxGayIn1-x-yN缓冲层的成核密度，促进AlxGayIn1-x-yN缓冲层和外延层在石墨烯表面的外延横向生长，而采用图形化金属衬底，能更加促进AlxGayIn1-x-yN缓冲层和外延层的横向生长，有利于大大降低AlxGayIn1-x-yN外延层的位错密度和应力，提高AlxGayIn1-x-yN外延层的晶体质量，从而在非单晶的普通金属衬底上横向外延生长出低位错密度、低翘曲、高晶体质量的AlxGayIn1-x-yN外延层。
本发明所使用的ECR-PEMOCVD设备和方法，可使AlxGayIn1-x-yN缓冲层和外延层的沉积温度降低到800℃以下，而使用800℃以下的低温制备工艺，可抑制图形化金属衬底、催化金属层和石墨烯层中的杂质向AlxGayIn1-x-yN外延层中的扩散，提高AlxGayIn1-x-yN薄膜的晶体质量，还可降低AlxGayIn1-x-yN外延层与石墨烯、催化金属层、图形化金属衬底之间的热失配应力；另外，低温制备工艺还可抑制氮和铟的挥发，能获得氮空位缺陷少的高铟组分AlxGayIn1-x-yN外延层。
本发明的石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜可直接作为GaN基器件的模板衬底等使用，特别适于制备垂直导电结构的大功率GaN基器件以及柔性反光金属衬底上的GaN基高效率太阳能电池、紫外探测器等等，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜的结构示意图。
图2是本发明所述制备方法的工艺流程图。
图3是本发明所使用的ECR-PEMOCVD设备(发明专利：ZL201210247144.8)的结构示意图。
图中：1金属衬底；2催化金属层；3石墨烯层；4AlxGayIn1-x-yN缓冲层；
5AlxGayIn1-x-yN外延层；
8氢气、甲烷、氩气、氮气、氨气及其混合气体共用的放电气体供气管路；
9真空度计量器；15真空反应室；16可调长度的微波耦合天线；17圆筒形谐振腔；
18谐振腔内的活塞短路器；19永磁铁环；20石英杯；21气相金属有机物供气管路；
21-1气相金属有机物供应环；22磁场线圈支撑圆筒；23电加热器；24料台；
25磁动/气动送料装置。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例之一，如附图1，2，3所示。
衬底选用图形化Ti衬底1，图形化Ti衬底1上的周期化图形是在1mm厚Ti板的一侧表面上使用光刻和等离子体干法腐蚀方法制备出来的，周期化图形由六方点阵排列的凸起圆柱体构成，每个圆柱体的直径为2μm、圆柱体的高度为0.5μm，最相邻圆柱体之间的轴间距为4μm。
一种使用磁控溅射设备和ECR-PEMOCVD设备(发明专利：ZL201210247144.8)，在上述图形化Ti衬底1上低温制备如附图1所示的Al0.40Ga0.50In0.10N薄膜的连续工艺步骤为：
a.磁控溅射方法制备Ag-Cu催化金属层2：靶材使用纯Ag靶和纯Cu靶，首先将图形化Ti衬底1，按甲苯、丙酮、乙醇和去离子水的顺序各超声清洗3次，每次5min，再经高纯氮气吹干后布置在磁控溅射设备镀膜室内的料台上，当磁控溅射设备镀膜室的本底气压被抽至2×10-4Pa，把料台温度设定为400℃，开始对料台上的图形化Ti衬底1进行加热，当料台温度稳定在400℃后，向磁控溅射镀膜室中通入氩气，氩气流量为120sccm，使镀膜室气压控制为2Pa，当镀膜室气压稳定后，把Ag靶和Cu靶的射频溅射电源的功率分别设定为40W和30W，同时开启Ag靶和Cu靶的射频溅射电源，开始在图形化Ti衬底1表面上溅射沉积Ag-Cu催化金属层2，溅射时间为3min，使Ag-Cu催化金属层2的厚度控制为120nm，使Ag-Cu催化金属层2中的Ag摩尔含量控制为0.60。
当图形化Ti衬底1上溅射沉积Ag-Cu合金催化金属层2的时间完成后，关闭Ag靶和Cu靶的射频溅射电源，关闭氩气气源，把料台温度设定为30℃开始降温，降温过程中继续维持抽真空设备运转，当料台温度降低到30℃后，关闭抽真空设备，向磁控溅射设备中充入高纯氮气至一个大气压时，取出溅射沉积上Ag-Cu催化金属层2的图形化Ti衬底1，并把它尽快放入ECR-PEMOCVD设备上的充满高纯氮气的手套箱中待用。
后续的所有操作步骤和工艺均在ECR-PEMOCVD设备上完成。
b.氢等离子体清洗Ag-Cu金属层2：把溅射沉积上Ag-Cu催化金属层2的图形化Ti衬底1从ECR-PEMOCVD设备的手套箱传送至装样室，再从装样室传送真空反应室15内的料台24上，当真空反应室15的本底气压抽至1×10-4Pa后，把料台24的温度设定为750℃，开始加热升温，当料台24的温度稳定在750℃后，通过放电气体供气管路8向石英杯20放电室中通入氢气，氢气流量为100sccm，使真空反应室15的气压控制为0.5Pa，当真空反应室15的气压稳定后，把微波电源功率设定为650W，开启微波电源放电，开始使用氢等离子体清洗Ag-Cu催化金属层2，清洗时间为10min。
c.ECR-PEMOCVD方法制备石墨烯层3：当氢等离子体清洗Ag-Cu催化金属层2的时间结束时，把料台24的温度继续稳定在750℃，维持微波电源功率为650W继续放电，通过放电气体供气管路8向石英杯20放电室中再通入甲烷和氩气，其中甲烷流量为50sccm，氩气流量为20sccm，在开启甲烷和氩气的质量流量控制器之后，迅速把氢气流量下调至30sccm，使真空反应室15的气压仍控制为0.5Pa，开始使用ECR-PEMOCVD方法在Ag-Cu催化金属层2上制备石墨烯层3，制备时间为12min，制备时间结束后,关闭微波电源和各路气体，然后把料台24的温度设定为350℃，开始降温，降温过程中在Ag催化金属层2表面上偏析出石墨烯层3，使石墨烯层3的厚度控制为2.01nm。
d.氮等离子体氮化石墨烯层3：把料台24的温度加热至350℃，当料台24的温度稳定在350℃后，通过放电气体供气管路8向石英杯20放电室中通入氮气、氨气，其中氮气流量为90sccm，氨气流量为10sccm，使真空反应室15的气压控制为0.5Pa，当真空反应室15的气压稳定后，把微波电源功率设定为650W，开启微波电源放电，开始使用含氮活性粒子的等离子体对石墨烯层3进行氮化处理，氮化时间为3min。
e.ECR-PEMOCVD方法制备Al0.40Ga0.50In0.10N缓冲层4：在氮化时间结束后，仍维持步骤d中的料台24温度、各气体流量、气压和微波电源功率不变，再通过气相金属有机物供气管路21向真空反应室15中同时通入三甲基铝TMAl、三甲基镓TMGa和三甲基铟TMIn，开始使用ECR-PEMOCVD方法在氮化后的石墨烯层3上制备Al0.40Ga0.50In0.10N缓冲层4，其中三甲基铝TMAl的摩尔流量为1.3×10-6mol/min，三甲基镓TMGa的摩尔流量为3.2×10-6mol/min，三甲基铟TMIn的摩尔流量为4.6×10-7mol/min，使AlxGayIn1-x-yN缓冲层4的组分值控制为：x＝0.4、y＝0.5、1-x-y＝0.10，使Al0.40Ga0.50In0.10N缓冲层4的厚度控制为20nm，完毕后关闭微波电源，关闭氮气、氨气和三甲基铝TMAl、三甲基镓TMGa、三甲基铟TMIn气体。
f.ECR-PEMOCVD方法制备Al0.40Ga0.50In0.10N外延层5：把料台24的温度加热至600℃，当料台24的温度稳定在600℃后，通过放电气体供气管路8向石英杯20放电室中通入氮气、氨气，其中氮气流量为90sccm，氨气流量为10sccm，使真空反应室15的气压控制为0.5Pa，当真空反应室15的气压稳定后，把微波电源功率设定为650W，开启微波放电以产生等离子体，当微波放电稳定后，再通过气相金属有机物供气管路21向真空反应室15中同时通入三甲基铝TMAl、三甲基镓TMGa和三甲基铟TMIn，开始使用ECR-PEMOCVD方法在Al0.40Ga0.50In0.10N缓冲层4上制备Al0.40Ga0.50In0.10N外延层5，其中三甲基铝TMAl的摩尔流量为1.3×10-6mol/min，三甲基镓TMGa的摩尔流量为3.2×10-6mol/min，三甲基铟TMIn的摩尔流量为4.6×10-7mol/min，使AlxGayIn1-x-yN外延层5的组分值控制为：x＝0.4、y＝0.5、1-x-y＝0.10，使Al0.40Ga0.50In0.10N外延层5的厚度控制为3μm。
生长完Al0.40Ga0.50In0.10N外延层5后，关断三甲基铝TMAl、三甲基镓TMGa和三甲基铟TMIn气体，把料台24的温度设定为30℃开始降温，降温过程中维持步骤e的其它制备工艺不变，当温度降低到300℃后，终止微波放电并有序关闭ECR-PEMOCVD设备。
使用上述步骤，是在镀Ag-Cu催化金属层的图形化Ti金属衬底上依次制备出是在2.01nm厚的石墨烯层3、20nm厚的Al0.40Ga0.50In0.10N缓冲层4和3μm厚的Al0.40Ga0.50In0.10N外延层5。原子力显微镜AFM测试结果显示，Al0.40Ga0.50In0.10N外延层5的平均晶粒尺寸大于1.9μm，表面粗糙度低于2nm；X射线衍射测试结果显示Al0.40Ga0.50In0.10N外延层5为单一c轴取向生长，Al0.40Ga0.50In0.10N(002)晶面的高分辨X射线衍射的摇摆曲线半高宽小于310弧秒。
实施例之二，如附图1，2，3所示。
衬底选用图形化Cr衬底1，图形化Cr衬底1上的周期化图形是在2mm厚Cr板的一侧表面上使用光刻和等离子体干法腐蚀方法制备出来的，周期化图形由六方点阵排列的凸起圆柱体构成，每个圆柱体的直径为2μm、圆柱体的高度为0.5μm，最相邻圆柱体之间的轴间距为4μm。
一种使用磁控溅射设备和ECR-PEMOCVD设备(发明专利：ZL201210247144.8)，在上述图形化Cr衬底1上低温制备如附图1所示的Al0.40Ga0.50In0.10N薄膜的连续工艺步骤为：
a.磁控溅射方法制备Ag催化金属层2：首先将图形化Cr衬底1,按甲苯、丙酮、乙醇和去离子水的顺序各超声清洗3次，每次5min，再经高纯氮气吹干后布置在磁控溅射设备镀膜室内的料台上，当磁控溅射设备镀膜室的本底气压被抽至2×10-4Pa，把料台温度设定为300℃，开始对料台上的图形化Cr衬底1进行加热，当料台温度稳定在300℃后，向磁控溅射镀膜室中通入氩气，氩气流量为120sccm，使镀膜室气压控制为2Pa，当镀膜室气压稳定后，把Ag靶的射频溅射电源的功率设定为40W，开启Ag靶的射频溅射电源，开始在图形化Cr衬底1表面上溅射沉积Ag催化金属层2，溅射时间为4min，使Ag催化金属层2的厚度控制为100nm。
当图形化Cr衬底1上溅射沉积Ag催化金属层2的时间完成后，关闭Ag靶的射频溅射电源，关闭氩气气源，把料台温度设定为30℃开始降温，降温过程中继续维持抽真空设备运转，当料台温度降低到30℃后，关闭抽真空设备,向磁控溅射设备中充入高纯氮气至一个大气压时，取出溅射沉积上Ag催化金属层2的图形化Cr衬底1，并把它尽快放入ECR-PEMOCVD设备上的充满高纯氮气的手套箱中待用。
后续的所有操作步骤和工艺均在ECR-PEMOCVD设备上完成。
b.氢等离子体清洗Ag催化金属层2：把溅射沉积上Ag催化金属层2的图形化Cr衬底1从ECR-PEMOCVD设备的手套箱传送至装样室，再从装样室传送真空反应室15内的料台24上，当真空反应室15的本底气压抽至1×10-4Pa后，把料台24的温度设定为700℃，开始加热升温，当料台24的温度稳定在700℃后，通过放电气体供气管路8向石英杯20放电室中通入氢气，氢气流量为100sccm，使真空反应室15的气压控制为0.5Pa，当真空反应室15的气压稳定后，把微波电源功率设定为650W，开启微波电源放电，开始使用氢等离子体清洗Ag催化金属层2，清洗时间为5min。
c.ECR-PEMOCVD方法制备石墨烯层3：当氢等离子体清洗Ag催化金属层2的时间结束时，把料台24的温度继续稳定在700℃，维持微波电源功率为650W继续放电，通过放电气体供气管路8向石英杯20放电室中再通入甲烷和氩气，其中甲烷流量为50sccm，氩气流量为20sccm，在开启甲烷和氩气的质量流量控制器之后，迅速把氢气流量下调至30sccm，使真空反应室15的气压仍控制为0.5Pa，开始使用ECR-PEMOCVD方法在Ag催化金属层2上制备石墨烯层3，制备时间为10min，制备时间结束后,关闭微波电源和各路气体，然后把料台24的温度设定为300℃，开始降温，降温过程中在Ag催化金属层2表面上偏析出石墨烯层3，使石墨烯层3的厚度控制为1.34nm。
d.氮等离子体氮化石墨烯层3：把料台24的温度加热至300℃，当料台24的温度稳定在300℃后，通过放电气体供气管路8向石英杯20放电室中通入氮气、氨气，其中氮气流量为90sccm，氨气流量为10sccm，使真空反应室15的气压控制为0.5Pa，当真空反应室15的气压稳定后，把微波电源功率设定为650W，开启微波电源放电，开始使用含氮活性粒子的等离子体对石墨烯层3进行氮化处理，氮化时间为3min。
e.ECR-PEMOCVD方法制备Al0.40Ga0.50In0.10N缓冲层4：在氮化时间结束后，仍维持步骤d中的料台24温度、各气体流量、气压和微波电源功率不变，再通过气相金属有机物供气管路21向真空反应室15中同时通入三甲基铝TMAl、三甲基镓TMGa和三甲基铟TMIn，开始使用ECR-PEMOCVD方法在氮化后的石墨烯层3上制备Al0.40Ga0.50In0.10N缓冲层4，其中三甲基铝TMAl的摩尔流量为1.3×10-6mol/min，三甲基镓TMGa的摩尔流量为3.2×10-6mol/min，三甲基铟TMIn的摩尔流量为4.6×10-7mol/min，使AlxGayIn1-x-yN缓冲层4的组分值控制为：x＝0.4、y＝0.5、1-x-y＝0.10，使Al0.40Ga0.50In0.10N缓冲层4的厚度控制为20nm，完毕后关闭微波电源，关闭氮气、氨气和三甲基铝TMAl、三甲基镓TMGa、三甲基铟TMIn气体。
f.ECR-PEMOCVD方法制备Al0.40Ga0.50In0.10N外延层5：把料台24的温度加热至550℃，当料台24的温度稳定在550℃后，通过放电气体供气管路8向石英杯20放电室中通入氮气、氨气，其中氮气流量为90sccm，氨气流量为10sccm，使真空反应室15的气压控制为0.5Pa，当真空反应室15的气压稳定后，把微波电源功率设定为650W，开启微波放电以产生等离子体，当微波放电稳定后，再通过气相金属有机物供气管路21向真空反应室15中同时通入三甲基铝TMAl、三甲基镓TMGa和三甲基铟TMIn，开始使用ECR-PEMOCVD方法在Al0.40Ga0.50In0.10N缓冲层4上制备Al0.40Ga0.50In0.10N外延层5，其中三甲基铝TMAl的摩尔流量为1.3×10-6mol/min，三甲基镓TMGa的摩尔流量为3.2×10-6mol/min，三甲基铟TMIn的摩尔流量为4.6×10-7mol/min，使AlxGayIn1-x-yN外延层5的组分值控制为：x＝0.4、y＝0.5、1-x-y＝0.10，使Al0.40Ga0.50In0.10N外延层5的厚度控制为3μm。
生长完Al0.40Ga0.50In0.10N外延层5后，关断三甲基铝TMAl、三甲基镓TMGa和三甲基铟TMIn气体，把料台24的温度设定为30℃开始降温，降温过程中维持步骤e的其它制备工艺不变，当温度降低到300℃后，终止微波放电并有序关闭ECR-PEMOCVD设备。
使用上述步骤，在镀Ag催化金属层的图形化Cr金属衬底上制备出了3μm厚的高质量Al0.40Ga0.50In0.10N外延层。原子力显微镜AFM测试结果显示，Al0.40Ga0.50In0.10N外延层的平均晶粒尺寸大于1.8μm，表面粗糙度低于2nm；X射线衍射测试结果显示Al0.40Ga0.50In0.10N外延层为单一c轴取向生长，Al0.40Ga0.50In0.10N(002)晶面的高分辨X射线衍射的摇摆曲线半高宽小于320弧秒。实施例之三，如附图1，2，3所示。
实施例之三中的步骤a-步骤c与实施例之一完全相同，区别在于步骤e和步骤f中三甲基镓TMGa的摩尔流量均为6.4×10-6mol/min，而三甲基铝TMAl和三甲基铟TMIn的摩尔流量均为0mol/min。
使用上述步骤，在镀Ag-Cu催化金属层的图形化Ti金属衬底上制备出了3μm厚的高质量GaN外延层。原子力显微镜AFM测试结果显示，GaN外延层的平均晶粒尺寸大于2.1μm，表面粗糙度低于2nm；X射线衍射测试结果显示GaN外延层为单一c轴取向生长，GaN(002)晶面的高分辨X射线衍射的摇摆曲线半高宽小于290弧秒。
实施例之四，如附图1，2，3所示。
实施例之四中的步骤a-步骤c与实施例之二完全相同，区别在于步骤e和步骤f中三甲基铟TMIn的摩尔流量均为4.6×10-6mol/min，而三甲基铝TMAl和三甲基镓TMGa的摩尔流量均为0mol/min，且步骤f中的料台24的加热温度为500℃。
使用上述步骤，在镀Ag催化金属层的图形化Cr金属衬底上制备出了3μm厚的高质量InN外延层。原子力显微镜AFM测试结果显示，InN外延层的平均晶粒尺寸大于2.3μm，表面粗糙度低于2nm；X射线衍射测试结果显示InN外延层为单一c轴取向生长，InN(002)晶面的高分辨X射线衍射的摇摆曲线半高宽小于280弧秒。

Claims (8)

1.一种石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜，其特征在于，采用图形化金属作为衬底，图形化金属衬底(1)的表面上依次为催化金属层(2)、石墨烯层(3)、AlxGayIn1-x- yN缓冲层(4)和AlxGayIn1-x-yN外延层(5)；
所述的图形化金属衬底(1)是一层金属衬底或多层金属板/箔的复合金属衬底，图形化金属衬底(1)的厚度为0.01～3mm；
所述的催化金属层(2)的厚度为50～300nm；
所述的石墨烯层(3)的厚度为0.335～3.35mm；
所述的AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)的厚度为10～200nm，AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)的组分值控制为：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1；
所述的AlxGayIn1-x-yN外延层(5)的厚度为0.5～3μm，AlxGayIn1-x-yN外延层(5)的组分值控制为：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1。
2.根据权利要求1所述的石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜，其特征在于，所述的图形化金属衬底(1)的一侧表面上具有周期化图形，该周期化图形是凸起或凹陷图形，其为圆锥形、圆柱形、半球形、三角锥形、球冠、三棱台形、梯形圆台以及多边锥形、多边柱形或梯形多边台形中的任意一种或任意两种以上的组合，周期化图形的周期为0.5～10μm，周期化图形的最大横向直径或边长为0.5～10μm，周期化图形高度为0.1～2μm。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜，其特征在于，所述的图形化金属衬底(1)是Ti，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zr，Mo，Hf，Ta，W中的一种及以所述一种金属元素为主要成分的合金。
4.根据权利要求1或2所述的石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜，其特征在于，所述的催化金属层(2)是Fe，Co，Ni，Cu，Mo，Ru，Rh，Pd，Ag，Ir，Pt，Au中的一种及以所述一种金属元素为主要成分的合金。
5.根据权利要求3所述的石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜，其特征在于，所述的催化金属层(2)是Fe，Co，Ni，Cu，Mo，Ru，Rh，Pd，Ag，Ir，Pt，Au中的一种及以所述一种金属元素为主要成分的合金。
6.一种权利要求1、2或5所述的石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤a.磁控溅射方法制备催化金属层(2)：
化学物理法清洗并干燥预处理的图形化金属衬底(1)，布置在磁控溅射设备镀膜室内的料台上，当磁控溅射设备镀膜室的本底气压被抽至1×10-4～5×10-4Pa，把料台加热至100℃～500℃，当料台温度稳定后，向磁控溅射镀膜室中通入氩气，氩气流量为40～200sccm，使镀膜室气压控制为0.1～5Pa，当镀膜室气压稳定后，把所需金属靶材的射频溅射电源的功率均设定为30～200W，并开启所需的射频溅射电源，开始在图形化金属衬底(1)表面上溅射沉积催化金层(2)，溅射时间为1～40min，使催化金属层(2)的厚度控制为20～500nm；
步骤b.氢等离子体清洗催化金属层(2)：
把溅射沉积上催化金属层(2)的图形化金属衬底(1)从ECR-PEMOCVD设备的手套箱传送至装样室，再从装样室传送至真空反应室内的料台上，当真空反应室的本底气压抽至5×10-4～1×10-5Pa后，把料台温度加热至400～950℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氢气，氢气流量为50～200sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用氢等离子体清洗催化金属层(2)，清洗时间为1～40min；
步骤c.ECR-PEMOCVD方法制备石墨烯层(3)：
把料台温度加热至400～950℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入甲烷、氢气、氩气的混合气体，其中甲烷流量为40～100sccm，氢气流量为20～100sccm，氩气流量0～100sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用ECR-PEMOCVD方法在催化金属层(2)上制备石墨烯层(3)，制备时间为1～60min，制备时间结束后,关闭微波电源和各路气体，然后把料台温度设定为室温～400℃，开始降温，降温过程中在催化金属层(2)表面上偏析出石墨烯层(3)，使石墨烯层(3)的厚度控制为0.335～3.35nm；
步骤d.氮等离子体氮化石墨烯层(3)：
把料台温度加热至室温～400℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氮气、氨气的混合气体，其中氮气流量为0～150sccm，氨气流量为0～150sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用含氮活性粒子的等离子体对石墨烯层进行氮化处理，氮化时间为1～10min；
步骤e.ECR-PEMOCVD方法制备AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)：
把料台温度加热至室温～400℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氮气、氨气、氢气的混合气体，其中氮气流量为0～150sccm，氨气流量为0～150sccm，氢气流量0～50sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，当微波放电稳定后，再通过气相金属有机物供气管路向真空反应室中通入所需的各金属有机物源，开始使用ECR-PEMOCVD方法在氮化后的石墨烯层(3)上制备AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)，其中三甲基铝TMAl的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，三甲基镓TMGa的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，三甲基铟TMIn的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，使AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)的组分值控制为：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1，使AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)的厚度控制为20～300nm；
步骤f.ECR-PEMOCVD方法制备AlxGayIn1-x-yN外延层(5)：
当料台温度达到300～800℃后，开始使用ECR-PEMOCVD方法在AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)上制备AlxGayIn1-x-yN外延层(5)，其微波放电过程同步骤d，使AlxGayIn1-x-yN外延层(5)的组分值控制为：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1，使AlxGayIn1-x-yN外延层(5)的厚度控制为0.5～3μm。
7.一种权利要求3所述的石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤a.磁控溅射方法制备催化金属层(2)：
化学物理法清洗并干燥预处理的图形化金属衬底(1)，布置在磁控溅射设备镀膜室内的料台上，当磁控溅射设备镀膜室的本底气压被抽至1×10-4～5×10-4Pa，把料台加热至100℃～500℃，当料台温度稳定后，向磁控溅射镀膜室中通入氩气，氩气流量为40～200sccm，使镀膜室气压控制为0.1～5Pa，当镀膜室气压稳定后，把所需金属靶材的射频溅射电源的功率均设定为30～200W，并开启所需的射频溅射电源，开始在图形化金属衬底(1)表面上溅射沉积催化金层(2)，溅射时间为1～40min，使催化金属层(2)的厚度控制为20～500nm；
步骤b.氢等离子体清洗催化金属层(2)：
把溅射沉积上催化金属层(2)的图形化金属衬底(1)从ECR-PEMOCVD设备的手套箱传送至装样室，再从装样室传送至真空反应室内的料台上，当真空反应室的本底气压抽至5×10-4～1×10-5Pa后，把料台温度加热至400～950℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氢气，氢气流量为50～200sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用氢等离子体清洗催化金属层(2)，清洗时间为1～40min；
步骤c.ECR-PEMOCVD方法制备石墨烯层(3)：
把料台温度加热至400～950℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入甲烷、氢气、氩气的混合气体，其中甲烷流量为40～100sccm，氢气流量为20～100sccm，氩气流量0～100sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用ECR-PEMOCVD方法在催化金属层(2)上制备石墨烯层(3)，制备时间为1～60min，制备时间结束后,关闭微波电源和各路气体，然后把料台温度设定为室温～400℃，开始降温，降温过程中在催化金属层(2)表面上偏析出石墨烯层(3)，使石墨烯层(3)的厚度控制为0.335～3.35nm；
步骤d.氮等离子体氮化石墨烯层(3)：
把料台温度加热至室温～400℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氮气、氨气的混合气体，其中氮气流量为0～150sccm，氨气流量为0～150sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用含氮活性粒子的等离子体对石墨烯层进行氮化处理，氮化时间为1～10min；
步骤e.ECR-PEMOCVD方法制备AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)：
把料台温度加热至室温～400℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氮气、氨气、氢气的混合气体，其中氮气流量为0～150sccm，氨气流量为0～150sccm，氢气流量0～50sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，当微波放电稳定后，再通过气相金属有机物供气管路向真空反应室中通入所需的各金属有机物源，开始使用ECR-PEMOCVD方法在氮化后的石墨烯层(3)上制备AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)，其中三甲基铝TMAl的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，三甲基镓TMGa的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，三甲基铟TMIn的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，使AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)的组分值控制为：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1，使AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)的厚度控制为20～300nm；
步骤f.ECR-PEMOCVD方法制备AlxGayIn1-x-yN外延层(5)：
当料台温度达到300～800℃后，开始使用ECR-PEMOCVD方法在AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)上制备AlxGayIn1-x-yN外延层(5)，其微波放电过程同步骤d，使AlxGayIn1-x-yN外延层(5)的组分值控制为：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1，使AlxGayIn1-x-yN外延层(5)的厚度控制为0.5～3μm。
8.一种权利要求4所述的石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤a.磁控溅射方法制备催化金属层(2)：
化学物理法清洗并干燥预处理的图形化金属衬底(1)，布置在磁控溅射设备镀膜室内的料台上，当磁控溅射设备镀膜室的本底气压被抽至1×10-4～5×10-4Pa，把料台加热至100℃～500℃，当料台温度稳定后，向磁控溅射镀膜室中通入氩气，氩气流量为40～200sccm，使镀膜室气压控制为0.1～5Pa，当镀膜室气压稳定后，把所需金属靶材的射频溅射电源的功率均设定为30～200W，并开启所需的射频溅射电源，开始在图形化金属衬底(1)表面上溅射沉积催化金层(2)，溅射时间为1～40min，使催化金属层(2)的厚度控制为20～500nm；
步骤b.氢等离子体清洗催化金属层(2)：
把溅射沉积上催化金属层(2)的图形化金属衬底(1)从ECR-PEMOCVD设备的手套箱传送至装样室，再从装样室传送至真空反应室内的料台上，当真空反应室的本底气压抽至5×10-4～1×10-5Pa后，把料台温度加热至400～950℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氢气，氢气流量为50～200sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用氢等离子体清洗催化金属层(2)，清洗时间为1～40min；
步骤c.ECR-PEMOCVD方法制备石墨烯层(3)：
把料台温度加热至400～950℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入甲烷、氢气、氩气的混合气体，其中甲烷流量为40～100sccm，氢气流量为20～100sccm，氩气流量0～100sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用ECR-PEMOCVD方法在催化金属层(2)上制备石墨烯层(3)，制备时间为1～60min，制备时间结束后,关闭微波电源和各路气体，然后把料台温度设定为室温～400℃，开始降温，降温过程中在催化金属层(2)表面上偏析出石墨烯层(3)，使石墨烯层(3)的厚度控制为0.335～3.35nm；
步骤d.氮等离子体氮化石墨烯层(3)：
把料台温度加热至室温～400℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氮气、氨气的混合气体，其中氮气流量为0～150sccm，氨气流量为0～150sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用含氮活性粒子的等离子体对石墨烯层进行氮化处理，氮化时间为1～10min；
步骤e.ECR-PEMOCVD方法制备AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)：
把料台温度加热至室温～400℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氮气、氨气、氢气的混合气体，其中氮气流量为0～150sccm，氨气流量为0～150sccm，氢气流量0～50sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，当微波放电稳定后，再通过气相金属有机物供气管路向真空反应室中通入所需的各金属有机物源，开始使用ECR-PEMOCVD方法在氮化后的石墨烯层(3)上制备AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)，其中三甲基铝TMAl的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，三甲基镓TMGa的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，三甲基铟TMIn的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，使AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)的组分值控制为：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1，使AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)的厚度控制为20～300nm；
步骤f.ECR-PEMOCVD方法制备AlxGayIn1-x-yN外延层(5)：
当料台温度达到300～800℃后，开始使用ECR-PEMOCVD方法在AlxGayIn1-x-yN缓冲层(4)上制备AlxGayIn1-x-yN外延层(5)，其微波放电过程同步骤d，使AlxGayIn1-x-yN外延层(5)的组分值控制为：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1，使AlxGayIn1-x-yN外延层(5)的厚度控制为0.5～3μm。
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