CN110289207B - 在基于图形化蓝宝石衬底的石墨烯上生长氮化镓的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在基于图形化蓝宝石衬底的石墨烯上生长氮化镓的方法，主要解决现有技术生长氮化镓薄膜由于位错较多而导致质量不高问题。其实现方案是：首先选用具有凸型或凹型图案的图形化的蓝宝石为衬底；然后使用化学气相沉积CVD的方法，在选取好的图形化蓝宝石衬底上直接生长单层或多层石墨烯；接着再使用金属有机物化学气相沉积MOCVD的方法，在生长了单层或多层石墨烯的图形化蓝宝石衬底上生长1‑3um厚度的氮化镓薄膜。本发明减少了在石墨烯上生长氮化镓薄膜的位错，提高了氮化镓薄膜的质量，可用于制作氮化镓基的半导体器件。
Description
技术领域
本发明属于微电子领域，特别涉及的是一种氮化镓的生长方法，可用于制作氮化镓基的半导体器件。
背景技术
氮化镓具有禁带宽度大、直接带隙、击穿电场较大、热导率高的优点，在条件恶劣环境中，也具有优良的电学和光学性质，所以在光电器件等领域得到了广泛的应用。因为氮化镓和常用的衬底之间存在有较大的晶格失配，所以在生长氮化镓的过程中，氮化镓和衬底之间经常容易产生比较大的应力和产生大密度的位错，这会严重影响半导体器件的可靠性和预期的性能。图形化蓝宝石衬底，也就是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上生长GaN材料，使GaN材料的纵向外延变为横向外延。可以有效减少GaN外延材料的位错密度。石墨烯和氮化镓的晶格失配比较小，而且石墨烯和氮化镓之间是范德华力结合，能够很好的释放由于氮化镓与衬底之间的晶格失配所产生的应力，从而可以减少氮化镓基器件的位错和缺陷，从而提高器件的性能和可靠性。
目前已有一些采用石墨烯插入层来缓解氮化物和衬底之间晶格失配的方法，中国科学院半导体研究所公开了一种利用石墨烯插入层在玻璃衬底上外延氮化铝薄膜的方法(申请号为201610370844.4,公布号为CN 106048555 A)。所述方法包括首先在一临时衬底上生长单层石墨烯，接着将所述临时衬底上的生长的单层石墨烯转移到所述玻璃衬底上，然后在表面具有单层石墨烯的玻璃衬底上生长氮化物薄膜，此发明改善了在衬底上外延氮化物的薄膜质量。但是此方法生长出的氮化物仍然具有较大的位错密度，原因是衬底为非晶的玻璃，石墨烯本身的能起到的缓解应力的作用比较小，导致氮化物的生长质量并不高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种在基于图形化蓝宝石衬底的石墨烯上生长氮化镓的方法，以降低位错密度，提高氮化镓薄膜的质量。
本发明的技术思想是，通过图形化的蓝宝石衬底上生长氮化镓外延层以有效减少外延层的位错密度，并通过石墨烯插入层的加入进一步释放氮化镓和衬底之间的应力，减少衬底和氮化镓两者之间的晶格失配，同时对传统的高低温氮化镓生长方法进行了优化，以提高在石墨烯上生长的氮化镓的质量。其实现步骤包括如下：
(1)通过CVD的方法在图形化的蓝宝石作衬底上直接生长1-3层的石墨烯薄膜：
(1a)将图形化的蓝宝石衬底依次放入丙酮，酒精和去离子水中使用超声波清洗机进行衬底的清洁处理，每种溶液清洗的时间为3min，并用氮气枪吹干；
(1b)将清洗后的图形化蓝宝石衬底放在CVD反应室中，抽真空至6Torr；
(1c)向CVD反应室中通入15-25sccm的氢气，保持反应室气压为0.1-1atm，反应室的温度为700℃，对图形化蓝宝石衬底进行表面的预处理10min；
(1d)向CVD反应室中同时通入100-150sccm的氩气和10-25sccm的甲烷，气压为0.1-1atm，反应室温度升至1045-1050℃，在衬底上生长1-3层的石墨烯薄膜；
(1E)将反应室温度降到室温，再从反应室中取出生长完石墨烯的图形化蓝宝石衬底；
(2)通过MOCVD的方法在生长完石墨烯薄膜的衬底上生长厚度为1-3um的氮化镓薄膜：
(2a)将覆盖石墨烯的图形化蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相淀积反应室中，在真空状态下，将反应室温度升到515℃准备生长低温氮化镓成核层，当反应室温度达到515℃时，将氢气阀打开，向反应室中同时通入15-20sccm的镓源和1000-1200sccm的氨气，反应室压力维持200mbar，采用金属有机物化学气相淀积法生长20-30nm低温氮化镓成核层，得到覆盖有低温氮化镓成核层的石墨烯/图形化蓝宝石衬底；
(2b)将反应室压力调整为300mbar，温度升到1100℃，同时调整氨气和镓源的流量分别为10000-10500sccm、230-260sccm，采用金属有机物化学气相淀积法，在覆盖有低温氮化镓成核层的石墨烯/蓝宝石图形化衬底上生长厚度为1-3um的高温氮化镓；
(2c)将反应室温度降至室温后取出样品，得到基于石墨烯插入层的图形化蓝宝石衬底上生长的氮化镓。
与现有的技术相比，本发明具有以下的优点：
第一，本发明由于采用的是图形化的蓝宝石衬底，其本身能有效地减少氮化镓外延层的位错密度，有效降低对于成核层的依赖。
第二，本发明采用了高低温氮化镓生长方法，在真空状态下将反应室温度升温至低温氮化镓的生长温度，降低了传统生长方法中氢气对石墨烯表面的刻蚀作用，提高了石墨烯的质量，有效的提高了氮化镓外延层的质量。
第三，本发明由于采用石墨烯插入层，其和图形化的蓝宝石衬底的配合能更好的减少氮化镓外延层的位错密度，提高氮化镓的外延层质量，从而提高了氮化镓器件的可靠性。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明的剖面结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式做进一步的详细说明。
参照图1，本发明的给出如下三种实施例。
实施例1，在图形化的蓝宝石衬底生长石墨烯插入层为单层的1um厚度氮化镓。
步骤1.通过CVD的方法在图形化的蓝宝石衬底上直接生长单层石墨烯。
1a)选取厚度为0.4mm，表面周期性图形为凸型的半球形的图形化蓝宝石衬底，该凸型的高度为0.5um，最大直径为1um；
1b)将图形化的蓝宝石衬底依次放入丙酮，酒精和去离子水中使用超声波清洗机进行衬底的清洁处理，每种溶液清洗的时间为3min，并使用氮气枪将衬底表面吹干；
1c)将清洗后的图形化蓝宝石衬底放在CVD反应室中，将反应室抽真空至6Torr；
1d)抽完真空后再向CVD反应室中通入20sccm的氢气，保持反应室气压为0.1atm，反应室的温度为700℃，对图形化蓝宝石衬底进行表面的热处理10min；
1e)向CVD反应室中同时通入100sccm的氩气和10sccm的甲烷，气压为0.1atm，并将反应室温度升至1050℃，维持此条件30min，在衬底上生长单层的石墨烯薄膜，其厚度为0.34nm；
1f)将反应室温度降到室温，再从反应室中取出生长完石墨烯的图形化蓝宝石衬底。
步骤2.通过MOCVD的方法在生长完单层石墨烯薄膜的衬底上生长厚度为1um厚的氮化镓薄膜。
2a)将覆盖石墨烯的图形化蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相淀积反应室中，在真空状态下，将反应室温度升到515℃准备生长低温氮化镓成核层，当反应室温度达到515℃时，将氢气阀打开，向反应室中同时通入15sccm的镓源和1000sccm的氨气，反应室压力维持200mbar，采用金属有机物化学气相淀积法生长20nm低温氮化镓成核层，得到覆盖有低温氮化镓成核层的石墨烯/图形化蓝宝石衬底；
2b)将反应室压力调整为300mbar，温度升到1100℃，同时调整氨气和镓源的流量分别为10500sccm、350sccm，采用金属有机物化学气相淀积法，生长30min，得到厚度为1um的高温氮化镓；
2c)将反应室温度降至室温后取出样品，得到基于单层石墨烯插入层的图形化蓝宝石衬底上生长的1um厚的氮化镓，如图2所示。
实施例2，在图形化的蓝宝石衬底生长石墨烯插入层为双层的2um厚度氮化镓。
步骤一.通过CVD的方法在图形化的蓝宝石衬底上直接生长双层石墨烯。
1.1)选取厚度为0.45mm，面周期性图形为凸型的斜棱台与凸型的梯形多边台的图形化蓝宝石衬底，每个凸形的高为0.6um，最大边长为2um；
1.2)将图形化的蓝宝石衬底进行清洗和预处理:
本步骤的具体实现与实施例1中的步骤1b)-1d)相同；
1.3)向CVD反应室中同时通入125sccm的氩气和15sccm的甲烷，气压为0.1atm，反应室温度升至1050℃，生长时间为90min，在衬底上生长双层的石墨烯薄膜；
1.4)将反应室温度降到室温，再从反应室中取出生长完双层石墨烯的图形化蓝宝石衬底，其厚度为1.02nm。
步骤二.通过MOCVD的方法在生长完双层石墨烯薄膜的衬底上生长厚度为2um厚的氮化镓薄膜。
2.1)将覆盖石墨烯的图形化蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相淀积反应室中，在真空状态下，将反应室温度升到515℃准备生长低温氮化镓成核层，当反应室温度达到515℃时，将氢气阀打开，向反应室中同时通入15sccm的镓源和1000sccm的氨气，反应室压力维持200mbar，采用金属有机物化学气相淀积法生长20nm低温氮化镓成核层，得到覆盖有低温氮化镓成核层的石墨烯/图形化蓝宝石衬底；
2.2)将反应室压力调整为300mbar，温度升到1100℃，同时调整氨气和镓源的流量分别为10500sccm、350sccm，采用金属有机物化学气相淀积法，生长60min，得到厚度为2um的高温氮化镓；
2.3)将反应室温度降至室温后取出样品，得到基于双层石墨烯插入层的2um厚的氮化镓，如图2所示。
实施例3，在图形化的蓝宝石衬底生长石墨烯插入层为三层的3um厚度氮化镓。
步骤A.通过CVD的方法在图形化的蓝宝石衬底上直接生长三层石墨烯。
A1)选取厚度为0.5mm，周期性图形为凹型的圆柱型的图形化蓝宝石衬底，周期图形的高度为0.4um，最大直径为1.5um；
A2)将图形化的蓝宝石衬底进行清洗和预处理:
本步骤的具体实现与实施例1中的步骤1b)-1d)相同；
A3)向CVD反应室中同时通入150sccm的氩气和20sccm的甲烷，气压为0.1atm，反应室温度升至1050℃，在衬底上生长石墨烯薄膜，生长时间为150min；
A4)将反应室温度降到室温，再从反应室中取出生长完三层石墨烯的图形化蓝宝石衬底，其厚度为1.7nm。
步骤B.通过MOCVD的方法在生长完三层石墨烯薄膜的衬底上生长厚度为3um厚的氮化镓薄膜。
B1)将覆盖石墨烯的图形化蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相淀积反应室中，在真空状态下，将反应室温度升到515℃准备生长低温氮化镓成核层，当反应室温度达到515℃时，将氢气阀打开，向反应室中同时通入15sccm的镓源和1000sccm的氨气，反应室压力维持200mbar，采用金属有机物化学气相淀积法生长20nm低温氮化镓成核层，得到覆盖有低温氮化镓成核层的石墨烯/图形化蓝宝石衬底；
B2)将反应室压力调整为300mbar，温度升到1100℃，同时调整氨气和镓源的流量分别为10500sccm、350sccm，采用金属有机物化学气相淀积法，生长90min，得到厚度为3um的高温氮化镓；
B3)将反应室温度降至室温后取出样品，得到基于三层石墨烯插入层的图形化蓝宝石衬底上生长的3um厚的氮化镓，如图2所示。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种在基于图形化蓝宝石衬底的石墨烯上生长氮化镓的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过CVD的方法在图形化的蓝宝石作衬底上直接生长1-3层的石墨烯薄膜：
(1a)将图形化的蓝宝石衬底依次放入丙酮，酒精和去离子水中使用超声波清洗机进行衬底的清洁处理，每种溶液清洗的时间为3min，并用氮气枪吹干；
(1b)将清洗后的图形化蓝宝石衬底放在CVD反应室中，抽真空至6Torr；
(1c)向CVD反应室中通入15-25sccm的氢气，保持反应室气压为0.1-1atm，反应室的温度为700℃，对图形化蓝宝石衬底进行表面的预处理10min；
(1d)向CVD反应室中同时通入100-150sccm的氩气和10-20sccm的甲烷，气压为0.1-1atm，反应室温度升至1045-1050℃，在衬底上生长1-3层的石墨烯薄膜；
(1e)将反应室温度降到室温，再从反应室中取出生长完石墨烯的图形化蓝宝石衬底；
(2)通过MOCVD的方法在生长完石墨烯薄膜的衬底上生长厚度为1-3um的氮化镓薄膜：
(2a)将覆盖石墨烯的图形化蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相沉积反应室中，在真空状态下，将反应室温度升到515℃准备生长低温氮化镓成核层，当反应室温度达到515℃时，将氢气阀打开，向反应室中同时通入15-20sccm的镓源和1000-1200sccm的氨气，反应室压力维持200mbar，采用金属有机物化学气相淀积法生长20-30nm低温氮化镓成核层，得到覆盖有低温氮化镓成核层的石墨烯/图形化蓝宝石衬底；
(2b)将反应室压力调整为300mbar，温度升到1100℃，同时调整氨气和镓源的流量分别为10000-10500sccm、230-260sccm，采用金属有机物化学气相淀积法，在覆盖有低温氮化镓成核层的石墨烯/蓝宝石图形化衬底上生长厚度为1-3um的高温氮化镓；
(2c)将反应室温度降至室温后取出样品，得到基于石墨烯插入层的图形化蓝宝石衬底上生长的氮化镓。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在图形化蓝宝石衬底的一侧具有周期性的图形，该图形为凸起或凹陷图形，形状为半球形、圆锥形、圆柱形、斜棱台、多面球体，正多面体、梯形多边台形中的任意一种或者任意几种的组合，周期图形的高度为0.3-1um，周期图形的最大直径或边长为0.2-3um。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述蓝宝石图形化衬底的厚度为0.4-0.5mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1d)生长的石墨烯的厚度为0.34-1.7nm。
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