CN107689323A - 一种适用于ⅲ族氮化物外延生长的石墨烯蓝宝石衬底 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于Ⅲ族氮化物外延生长的石墨烯蓝宝石衬底。该衬底的制备方法包括对蓝宝石衬底进行石墨烯化学气相沉积的步骤;其中,所述方法还包括:在所述化学气相沉积步骤之后对体系进行等离子体处理的步骤。所述等离子体处理具体可为氧等离子体处理、氮等离子体处理或氩等离子体处理。本发明可以实现Ⅲ族氮化物薄膜的快速高效制备,直接大幅度降低了Ⅲ族氮化物薄膜生产成本。得到的Ⅲ族氮化物可以进一步加工成LED器件,基于石墨烯非常好的热导率,制成的LED芯片可以避免使用过程中的过热问题。
Description
技术领域
本发明属于材料领域,具体涉及一种适用于Ⅲ族氮化物外延生长的石墨烯蓝宝石衬底。
背景技术
Ⅲ族氮化物包含氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)及其合金等具有直接带隙的半导体。由于禁带宽度可调且理论上发光波段可覆盖整个可见光区,以及其化学性质稳定、抗辐照性强、击穿电压高等特点广泛被应用于发光二极管、激光器以及高速电子器件。目前传统的制备工艺主要是用金属有机化学气相沉积(Metal organic chemicalvapor deposition,MOCVD)方法在蓝宝石衬底上采用两步法沉积制备,过程耗时较长。并且传统蓝宝石衬底的导热性差,在将其加工成LED等器件使用时,会产生大量的热量无法散掉,特别是对面积较大的大功率器件,将导致整个器件量子效率降低,性能变差;与此同时在蓝宝石衬底上生长的Ⅲ族氮化物与衬底之间作用力很强,难以实现向其他衬底转移,限制了其在柔性器件中的应用。
石墨烯是由碳原子以sp2杂化形成的六角蜂窝状平面薄膜材料,具有非常好的导热性、良好的机械强度、超高的载流子迁移率、优异的导电性和与层数相关的高透光性等独特性能。与此同时,石墨烯与纤锌矿GaN或AlN结构相似,且多层石墨烯层间作用力弱。近几年石墨烯一直被用作外延Ⅲ族氮化物的缓冲层研究,特别是应用在新型衬底以及转移器件的研究中。但石墨烯表面缺乏悬键,原子不宜附着成核,限制了Ⅲ族氮化物的高效成核生长;且石墨烯薄膜的制备工艺主要是在铜箔衬底上,需要将其转移至蓝宝石等衬底上方可使用,此过程操作繁琐、良品率低下,因此目前在石墨烯薄膜上外延高质量的Ⅲ族氮化物材料仍存在很大的困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于Ⅲ族氮化物外延生长的石墨烯蓝宝石衬底。
本发明提供的制备石墨烯蓝宝石衬底的方法,包括对蓝宝石衬底进行石墨烯化学气相沉积的步骤;其中,所述方法还包括:在所述化学气相沉积步骤之后对体系进行等离子体处理的步骤。
上述方法中,所述等离子体处理具体可为氧等离子体处理、氮等离子体处理或氩等离子体处理。
再具体的,所述氧等离子体处理中,温度为常温;
压强为10-2000Pa,具体为200Pa;
氧气的流量为10-100sccm,具体为15sccm;
功率为50-200W,具体为90W;
时间为5-30s,具体为20s;
所述氮等离子体处理中,温度为常温;
压强为10-2000Pa;
氮气的流量为10-100sccm,具体为15sccm;
功率为50-200W,具体为90W;
时间5-60s,具体为30s;
所述氩等离子体处理中,温度为常温;
压强为10-2000Pa;
氩气的流量为10-100sccm,具体为15sccm;
功率为50-200W,具体为90W;
时间5-60s,优选10s。
所述石墨烯化学气相沉积中,化学气相沉积的方法具体可为常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
更具体的,所述常压化学气相沉积中,碳源为甲烷或乙烯;
沉积温度为1000℃-1100℃,具体为1050℃;
沉积压强为常压;
载气为由氩气和氢气组成的混合气,其中氩气与氢气的流量比为1-10:1,具体为5:1;氩气的流量具体为100-1000sccm,具体为500sccm;氢气的流量为50-500sccm,具体为100sccm;
碳源的流量为10-50sccm,具体可为20sccm;
沉积时间为0.5h-5h,具体为3h;
所述低压化学气相沉积中,碳源为乙醇蒸汽;
沉积温度为1000℃-1100℃,具体可为1080℃;
沉积压强为200-5000Pa,具体为250Pa;
载气为由氩气和氢气组成的混合气,其中氩气与氢气的流量比为1-10:1,具体可为5:1;氩气的流量具体可为100-1000sccm,具体为500sccm;氢气的流量为50-500sccm,具体为100sccm;
碳源的流量为500sccm;碳源的分压为250Pa;
沉积时间为0.5h-5h,具体为1h;
所述等离子体增强化学气相沉积中,碳源为甲烷或乙烯;
沉积温度为500℃-700℃,具体为600℃;
沉积压强为100-2000Pa,具体为500Pa;
碳源的流量具体可为5-50sccm,具体为18sccm;
等离子体发生器功率为60-200W,具体为120W;
沉积时间为0.5h-2h,具体为1h。
所述方法还包括:在所述化学气相沉积步骤之后,所述等离子体处理步骤之前,对体系降温;
具体的,所述降温步骤中,降温速率为10℃-200℃/min;通过控制降温速率,可以调控由于石墨烯与蓝宝石衬底之间存在的热失配导致的褶皱密度与起伏高度。一般来说,降温速率越快,石墨烯形成的褶皱高度与密度越高。
降温气氛为氩气和氢气组成的气氛;降温的终温为常温;所述氩气与氢气的流量比为1-10:1,具体为5:1;氩气的流量为100-5000sccm,具体为500sccm;氢气的流量为50-500sccm,具体为100sccm;
所述方法还包括:在所述化学气相沉积步骤之前,对所述蓝宝石衬底进行预处理;
具体的,所述预处理包括将所述蓝宝石衬底依次用超纯水、异丙醇、丙酮各超声清洗5min,清洗完毕使用氮气吹干;
所述超声步骤中,超声的功率为90W。
另外,按照上述方法制备得到的石墨烯蓝宝石衬底及该石墨烯蓝宝石衬底在制备薄膜或半导体组件中的应用,也属于本发明的保护范围。其中,所述薄膜具体可为Ⅲ族氮化物薄膜或氮化铝薄膜;
所述制备薄膜的方法中,所用衬底为前述本发明提供的石墨烯蓝宝石衬底;
所述制备薄膜的方法选自金属有机化学气相沉积法、分子束外延法、氢化物气相外延法和溅射法中的至少一种;
所述半导体组件具体可为基于Ⅲ族氮化物的第三代半导体组件。所述Ⅲ族氮化物包含氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)及其合金。
本发明还要求保护一种制备Ⅲ族氮化物薄膜的方法,该方法包括如下步骤:以前述本发明提供的石墨烯蓝宝石衬底为衬底,进行金属有机化学气相沉积,沉积完毕得到所述Ⅲ族氮化物薄膜。
上述方法中,所述Ⅲ族氮化物薄膜具体可为氮化铝薄膜或GaN薄膜;
所述金属有机化学气相沉积步骤中,衬底温度为1000-1200℃;
沉积压强为20-200torr;
载气为惰性气体或氮气;
生长时间为0.5h-2h,具体为1h;
TMAl(三甲基铝)的流量为20-500sccm,具体可为50sccm;
TMGa(三甲基铝)的流量为20-500sccm,具体可为75sccm;
H2的流量为0-20000sccm,具体可为15400sccm;
NH3的流量为100-20000sccm,具体可为500-6000sccm。
本发明的主要特点是将石墨烯直接生长在蓝宝石衬底上,通过降温速率控制石墨烯褶皱密度,并对其进行等离子体后处理增加其活性,得到用于Ⅲ族氮化物薄膜的高品质沉积生长的新型衬底,并对其进行应用展示。此新型衬底相比于传统蓝宝石可以实现高品质Ⅲ族氮化物的高效制备,简化生长工艺,并利用石墨烯优异导热性缓解器件中的散热问题。同时由于石墨烯层状易于剥离的特点,加工成的器件还可以通过剥离转移手段,转移至其他柔性衬底,对于基于Ⅲ族氮化物的第三代半导体组件的制造具有重大意义。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的适用于Ⅲ族氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底的实物照片图、扫描电子显微镜图、原子力显微镜图和拉曼光谱;其中,a为本发明实施例1制备的适用于Ⅲ族氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底的实物照片图;b为本发明实施例1制备的新型石墨烯蓝宝石衬底扫描电子显微镜(SEM)图;c为本发明实施例1制备的新型石墨烯蓝宝石衬底原子力显微镜(AFM)图;d为本发明实施例1制备的新型石墨烯蓝宝石衬底与单纯有石墨烯覆盖的蓝宝石衬底未经等离子体处理的拉曼光谱。
图2为本发明实施例1中在新型石墨烯蓝宝石衬底上生长得到的AlN薄膜SEM图及AFM图;其中,a为在新型石墨烯蓝宝石上采用相同条件生长得到的AlN薄膜SEM图;;b为在单纯有石墨烯覆盖的蓝宝石衬底未经等离子体处理,采用相同条件生长得到的AlN薄膜SEM图;c为本发明实施例1中在传统蓝宝石衬底上生长得到的AlN薄膜扫描电子显微镜(SEM)图;d为AlN在石墨烯蓝宝石衬底上成核AFM照片。
图3为本发明实施例1中得到的AlN薄膜的XRD谱图。
图4为本发明实施例1中得到的GaN薄膜的XRD谱图与显微镜照片。其中,a为本发明实施例1中在新型石墨烯蓝宝石衬底上生长得到的GaN薄膜XRD谱图;b为本发明实施例1中在新型石墨烯蓝宝石衬底上生长得到的GaN薄膜XRD摇摆曲线谱图;c为在新型石墨烯蓝宝石上得到的GaN薄膜SEM图;d为为在新型石墨烯蓝宝石上得到的GaN薄膜AFM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述,但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1、
一种适用于Ⅲ族氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底的制备方法,步骤如下:
(1)蓝宝石衬底清洗:将蓝宝石衬底依次用超纯水、异丙醇、丙酮各超声清洗5min,清洗完毕使用氮气吹干,其中超声的功率为90W。
(2)在高温下,对蓝宝石衬底进行石墨烯薄膜的化学气相沉积:将步骤(1)得到的干净蓝宝石玻璃衬底放入APCVD反应腔体中,将Ar和H2气体流量计分别设定为500sccm和100sccm,洗气结束后,将炉体升温至1050℃,在升温过程中保持Ar和H2流速不变。待炉温升至1050℃,稳定15min后,开启CH4流量计,设定为20sccm,生长时间为3h。
(3)通过控制降温速率为10℃/min,在Ar/H2气氛(Ar和H2流速不变)下进行降温,得到有石墨烯覆盖的蓝宝石衬底。
(4)在常温低压下,对表面覆盖有石墨烯的蓝宝石衬底进行氮等离子体后处理,其中氮气流量为15sccm,功率90w,时间30s,压强为500Pa,增加其化学活性,得到适用于氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底。该衬底上的褶皱密度为1条/μm2。
图1中a为本发明实施例1制备的适用于Ⅲ族氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底实物照片图;
图1中中b为本发明实施例1制备的新型石墨烯蓝宝石衬底扫描电子显微镜图;由图1中b可以看出,石墨烯已经致密的覆盖在玻璃表面;
图1中中c为本发明实施例1制备的新型石墨烯蓝宝石衬底原子力显微镜图,由图1中c可以看出,存在较多的石墨烯褶皱,高度为10nm。
图1中中d为本发明实施例1制备的新型石墨烯蓝宝石衬底与单纯有石墨烯覆盖的蓝宝石衬底未经等离子体处理的拉曼光谱,说明本发明制备的新型石墨烯蓝宝石衬底的D峰较强,说明缺陷以及悬挂键增多,石墨烯化学活性增强。
(5)新型石墨烯蓝宝石衬底上的一步法生长Ⅲ族氮化物:以氮化铝为例,将步骤(4)中得到新型石墨烯蓝宝石衬底放入MOCVD生长室,加热衬底,衬底温度1200℃,TMAl流量50sccm,NH3流量500sccm,生长室压强为50torr,使用N2作为载气,生长1h,得到质量较好的AlN薄膜。
(6)新型石墨烯蓝宝石衬底上的一步法生长Ⅲ族氮化物:以氮化镓为例,将步骤(4)中得到新型石墨烯蓝宝石衬底放入MOCVD生长室,加热衬底,温度1045℃气体流量:H215400sccm,NH3 6000sccm,TMGa 75sccm;生长气压150torr,温度1045℃,时间25min。得到质量较好的GaN薄膜
结果发现,本发明实施例1中新型石墨烯蓝宝石衬底上所生长的AlN薄膜均匀、光滑(见图2中a);在单纯有石墨烯覆盖的蓝宝石衬底未经等离子体处理,采用相同条件生长得到的AlN薄膜表面粗糙不平、不均匀、成膜质量差(见图2中b);在传统蓝宝石衬底上直接生长得到的AlN薄膜表面更粗糙、更不平(见图2中c);AlN薄膜未长满之前,优先在褶皱处成核生长(见图2中d)。由图可知,本发明的新型石墨烯蓝宝石衬底具有非常高的品质和优异的均匀性,在此新型衬底上采用一步法生长Ⅲ族氮化物,相比于传统工艺可以大幅度缩短生长时间,明显提升Ⅲ族氮化物薄膜质量与表面平整性,实现晶元尺寸Ⅲ族氮化物薄膜的制备。
图3为本发明实施例1中得到的AlN薄膜的XRD谱图。在本发明新型石墨烯蓝宝石衬底上生长的AlN表现出极强的XRD特征峰,说明AlN的结晶性很好(见图3中a);在本发明新型石墨烯蓝宝石衬底与传统蓝宝石衬底上生长AlN所测的(0002)面摇摆曲线,其中AlN在本发明的新型石墨烯蓝宝石衬底上的半峰宽要窄,说明AlN的单晶性与取向性要远好于在蓝宝石衬底上的生长结果(见图3中b)。由图可知,本发明的新型石墨烯蓝宝石衬底可显著提高Ⅲ族氮化物外延生长薄膜质量与均匀性。
图4为本发明实施例1中得到的GaN薄膜的XRD谱图与扫描电镜照片。在本发明新型石墨烯蓝宝石衬底上生长的GaN表现出极强的XRD特征峰,说明GaN的结晶性很好(见图4中a);在本发明新型石墨烯蓝宝石衬底与传统蓝宝石衬底上生长GaN所测的(0002)面摇摆曲线,其中GaN在本发明的新型石墨烯蓝宝石衬底上的半峰宽要窄,说明GaN的单晶性与取向性要远好于在蓝宝石衬底上的生长结果(见图4中b)。本发明实施例1中新型石墨烯蓝宝石衬底上所生长的GaN薄膜均匀、光滑(见图4中c,d)。由图可知,本发明的新型石墨烯蓝宝石衬底可显著提高Ⅲ族氮化物外延生长薄膜质量与均匀性。
实施例2
一种用于Ⅲ族氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底的制备方法,步骤同实施例1,不同之处是用LPCVD代替APCVD,沉积环境为低压环境;沉积温度为1080℃;载气为由氩气和氢气组成的混合气,其中氩气与氢气的流量比为5:1,具体地,氩气的流量为500sccm,氢气的流量为100sccm;碳源为乙醇蒸汽,流量设置为500sccm,分压为250Pa;沉积时间为1h,同样得到适用于Ⅲ族氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底。
实施例3
所述PECVD中,沉积环境为低压环境,压强为100Pa;沉积温度为600℃;碳源为甲烷,流量为18sccm,等离子体发生器功率为120W,沉积时间为1h。
实施例4
一种用于Ⅲ族氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底的制备方法,步骤同实施例1,不同之处是降温速率为200℃/min,同样得到适用于Ⅲ族氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底。该衬底上的褶皱密度为4条/μm2。
实施例5
一种用于Ⅲ族氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底的制备方法,步骤同实施例1,不同之处是用氧等离子体代替氮等离子体,同样得到适用于Ⅲ族氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底。
实施例6
一种用于Ⅲ族氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底的制备方法,步骤同实施例1,不同之处是用氩等离子体代替氮等离子体,同样得到适用于Ⅲ族氮化物外延生长的新型石墨烯蓝宝石衬底。
以上制作实例为本发明的一般实施方案,实际可采取实施方案还有很多,凡依据本发明的权利要求所做的均等变化或修改,接应属于本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种制备石墨烯蓝宝石衬底的方法,包括对蓝宝石衬底进行石墨烯化学气相沉积的步骤;其特征在于:所述方法还包括:在所述化学气相沉积步骤之后对体系进行等离子体处理的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述等离子体处理为氧等离子体处理、氮等离子体处理或氩等离子体处理。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述氧等离子体处理中,温度为常温;
压强为10-2000Pa;
氧气的流量为10-100sccm或15sccm;
功率为50-200W或90W;
时间为5-30s或20s;
所述氮等离子体处理中,温度为常温;
压强为10-2000Pa;
氮气的流量为10-100sccm或15sccm;
功率为50-200W或90W;
时间5-60s或30s;
所述氩等离子体处理中,温度为常温;
压强为10-2000Pa;
氩气的流量为10-100sccm或15sccm;
功率为50-200W或90W;
时间5-60s或10s。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法,其特征在于:所述石墨烯化学气相沉积中,化学气相沉积的方法为常压化学气相沉积、低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述常压化学气相沉积中,碳源为甲烷或乙烯;
沉积温度为1000℃-1100℃或1050℃;
沉积压强为常压;
载气为由氩气和氢气组成的混合气,其中氩气与氢气的流量比为1-10:1或5:1;氩气的流量具体为100-1000sccm或500sccm;氢气的流量为50-500sccm或100sccm;
碳源的流量为10-50sccm或20sccm;
沉积时间为0.5h-5h或3h;
所述低压化学气相沉积中,碳源为乙醇蒸汽;
沉积温度为1000℃-1100℃或1080℃;
沉积压强为200-5000Pa;
载气为由氩气和氢气组成的混合气,其中氩气与氢气的流量比为1-10:1或5:1;氩气的流量具体为100-1000sccm或500sccm;氢气的流量为50-500sccm或100sccm;
碳源的流量为100-5000sccm;碳源的分压为100-500Pa;
沉积时间为0.5h-5h或1h;
所述等离子体增强化学气相沉积中,碳源为甲烷或乙烯;
沉积温度为500℃-700℃或600℃;
沉积压强为100-200Pa,具体为500Pa;
碳源流量为5-50sccm或18sccm;
等离子体发生器功率为60-200W或120W;
沉积时间为0.5h-2h或1h。
6.根据权利要求1-5中任一所述的方法,其特征在于:所述方法还包括:在所述化学气相沉积步骤之后,所述等离子体处理步骤之前,对体系降温;
具体的,所述降温步骤中,降温速率为10℃-200℃/min;降温气氛为氩气和氢气组成的气氛;降温的终温为常温;
所述方法还包括:在所述化学气相沉积步骤之前,对所述蓝宝石衬底进行预处理;
具体的,所述预处理包括将所述蓝宝石衬底依次用超纯水、异丙醇、丙酮各超声清洗5min,清洗完毕使用氮气吹干;
所述超声步骤中,超声的功率为90W。
7.权利要求1-6中任一所述方法制备得到的石墨烯蓝宝石衬底;
所述石墨烯蓝宝石衬底在制备薄膜或半导体组件中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于:所述薄膜为Ⅲ族氮化物薄膜或氮化铝薄膜;
所述制备薄膜的方法中,所用衬底为权利要求6所述石墨烯蓝宝石衬底;
所述制备薄膜的方法选自金属有机化学气相沉积法、分子束外延法、氢化物气相外延法和溅射法中的至少一种;
所述半导体组件为基于Ⅲ族氮化物的第三代半导体组件。
9.一种制备Ⅲ族氮化物薄膜的方法,包括如下步骤:以权利要求7所述石墨烯蓝宝石衬底为衬底,进行金属有机化学气相沉积,沉积完毕得到所述Ⅲ族氮化物薄膜。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于:所述Ⅲ族氮化物薄膜为氮化铝或GaN薄膜;
所述金属有机化学气相沉积步骤中,衬底温度为1000-1200℃;
沉积压强为20-200torr;
载气为惰性气体或氮气;
生长时间为0.5h-2h或1h;
TMAl的流量为20-500sccm或50sccm;
TMGa的流量为20-500sccm或75sccm;
H2的流量为0-20000sccm或15400sccm;
NH3的流量为100-20000sccm或500-6000sccm。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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