CN108878266A - 一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 - Google Patents

一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法，包括：将单晶石墨烯转移至多晶或非晶衬底上；对单晶石墨烯表面进行预处理，产生悬挂键；生长AlN成核层；外延生长氮化镓单晶薄膜。本发明利用可转移的单晶石墨烯为氮化物生长提供所需的六方模板，大大拓宽氮化物可集成的衬底材料，可应用于GaN基大功率器件和柔性器件。

Description

一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及基于石墨烯缓冲层在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法。
背景技术
GaN材料为直接带隙半导体且禁带宽度大，填补了蓝绿光波段的空白，带动了半导体照明产业的快速发展。同时，GaN材料具有高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及良好的化学稳定性和强抗辐照能力等优异的性能，使其满足现代电子技术对高温、高频、高功率和抗辐射性能的要求。GaN基器件在改进能效、提高功率密度和减小器件尺寸方面具有明显优势，在微波射频领域和功率电子器件领域具有广阔的应用前景。
传统的异质外延衬底，如蓝宝石、硅和碳化硅等在器件散热和转移等方面存在严重问题，导致大功率GaN器件温度上升较快，降低了器件性能和可靠性，同时限制了GaN器件在柔性显示、智能可穿戴设备方面的应用。石墨烯是由sp2杂化的碳原子相互连接构成的一种二维单层结构，层内原子间六角排列，层间通过微弱的范德瓦尔斯力结合在一起。石墨烯面内原子排列和GaN面内原子排列方式相同，可以作为GaN的生长模板，降低GaN对衬底的依赖，从而提高器件性能并扩大应用范围。
目前，在石墨烯上生长单晶GaN薄膜仍需要支撑衬底为单晶，如文献Jeehwan Kim,et al.,Nat.Commun.5,4836(2014)报道支撑衬底为SiC，需要SiC衬底表面的台阶边缘提供氮化物的成核点。而在非晶支撑衬底上以石墨烯生长GaN时，如文献Kunook Chung,et al.,Science,330,655(2010)报道，需要引入ZnO纳米墙以增加GaN在石墨烯上的成核生长。上述方法虽然可以在石墨烯上得到单晶GaN薄膜，但仍存在不足，比如对支撑衬底的要求，或者复杂的生长工艺，以及在生长过程中引入其他杂质等。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于石墨烯缓冲层在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法。首先将单晶二维石墨烯材料转移至目标衬底上，由石墨烯层内六角排列原子为氮化物的生长提供所需的六方模板，其次对石墨烯进行等离子体轰击或者氮化处理，产生悬挂键以生长氮化物，通过首先沉积AlN成核层实现外延单晶GaN薄膜。本发明工艺简单，可重复性好，可以拓宽生长氮化物的衬底范围，可用于制作GaN基大功率器件和柔性器件。
本发明的技术方案如下：
一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法，包括以下步骤：
步骤1：将单晶石墨烯转移至多晶或非晶衬底上；
步骤2：对转移后的单晶石墨烯表面进行预处理，产生悬挂键；
步骤3：在预处理后的单晶石墨烯上生长AlN成核层；
步骤4：在AlN成核层上外延生长氮化镓单晶薄膜。
所述多晶或非晶衬底可以是金属镍、金属钛、金属钼、金刚石、AlN、氧化硅、玻璃中的一种。
优选的，所述单晶石墨烯的层数为1-4层。通常是采用金属有机化合物气相沉积(MOVCD)或化学气相沉积(CVD)方法生长的单晶石墨烯。
步骤2优选采用等离子体刻蚀或氮化处理的方法对单晶石墨烯表面进行预处理。优选的，所述对转移后的石墨烯进行等离子体刻蚀的气体为氮气，等离子体功率为50-500W，刻蚀时间为1-100min。对单晶石墨烯表面进行氮化处理的方法是NH3刻蚀，优选在高温氢气气氛下NH3刻蚀，所需温度为1000-1300℃，NH3流量为100-8000sccm，刻蚀时间为1-100min。
所述AlN成核层和GaN薄膜的生长方法选自金属有机化合物气相沉积、分子束外延、氢化物气相外延和化学气相沉积中的一种。
优选的，采用MOVCD方法生长AlN成核层，生长温度为800-1200℃，生长压强为10-200mbar，V/III比为150-1500，AlN成核层的厚度为1-100nm。
优选的，采用MOVCD方法外延生长GaN单晶薄膜，生长温度为1000-1200℃，生长压强为10-200mbar，V/III比为500-5000，生长速率为1μm/h-5μm/h。
与现有技术相比，本发明基于石墨烯缓冲层在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜，利用可转移的石墨烯作为缓冲层为氮化物生长提供所需的六方模板，通过对石墨烯缓冲层进行预处理产生悬挂键，并结合AlN成核层以生长GaN单晶薄膜。本发明工艺简单，可重复性好，可突破传统衬底对GaN材料和器件的限制，应用于GaN基大功率器件和柔性器件。
附图说明
图1是本发明实施例在非晶SiO2衬底上基于石墨烯缓冲层生长单晶氮化镓薄膜的方法流程图；
图2是本发明在非晶SiO2衬底上生长的GaN的(002)面XRDθ/2θ扫描曲线(A)和(102)面扫描曲线(B)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚说明，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。附图中未绘示或描述的实现方式，为所述技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
根据图1所示的步骤在非晶SiO2衬底上基于石墨烯缓冲层生长单晶氮化镓薄膜。
步骤1：将石墨烯转移至非晶SiO2衬底上，石墨烯为MOCVD或CVD技术生长的单晶石墨烯，层数为1-4层。
步骤2：对转移后的石墨烯进行氮化处理，所需温度为1000-1300℃，NH3流量为100-8000sccm，刻蚀气氛为氢气，刻蚀时间为1-100min。
步骤3：进行预处理后，在石墨烯缓冲层上生长AlN成核层，生长温度为800-1200℃，生长压强为10-200mbar，V/III比为150-1500，AlN成核层的厚度为1-100nm。
步骤4：外延生长GaN，生长温度为1000-1200℃，生长压强为10-200mbar，V/III比为500-5000，生长速率为1μm/h-5μm/h。
通过上述方法在非晶SiO2衬底上生长的GaN的(002)面XRDθ/2θ扫描曲线和(102)面 扫描曲线如图2所示，说明所生长的GaN为单晶薄膜。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不应用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法，包括以下步骤：
1)将单晶石墨烯转移至多晶或非晶衬底上；
2)对转移后的单晶石墨烯表面进行预处理，产生悬挂键；
3)在预处理后的单晶石墨烯上生长AlN成核层；
4)在AlN成核层上外延生长氮化镓单晶薄膜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述多晶或非晶衬底选自金属镍、金属钛、金属钼、金刚石、AlN、氧化硅和玻璃中的一种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)转移的单晶石墨烯的层数为1-4层。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)采用等离子体刻蚀或氮化处理的方法对单晶石墨烯表面进行预处理。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对单晶石墨烯表面进行等离子体刻蚀的气体为氮气，等离子体功率为50-500W，刻蚀时间为1-100min。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对单晶石墨烯表面进行氮化处理的方法是NH3刻蚀。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在高温氢气气氛下对单晶石墨烯表面进行NH3刻蚀，刻蚀温度为1000-1300℃，NH3流量为100-8000sccm，刻蚀时间为1-100min。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)生长AlN成核层和步骤4)生长GaN单晶薄膜的方法选自金属有机化合物气相沉积、分子束外延、氢化物气相外延和化学气相沉积中的一种。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)采用金属有机化合物气相沉积方法生长AlN成核层，生长温度为800-1200℃，生长压强为10-200mbar，V/III比为150-1500，AlN成核层的厚度为1-100nm。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)采用金属有机化合物气相沉积方法外延生长GaN单晶薄膜，生长温度为1000-1200℃，生长压强为10-200mbar，V/III比为500-5000，生长速率为1μm/h-5μm/h。
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