CN111199870A - 一种外延生长氮化铝的方法、氮化铝材料及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种外延生长氮化铝的方法、氮化铝材料及应用。所述外延生长氮化铝的方法包括：提供一衬底，所述衬底表面为碳化硅材料；在所述碳化硅材料上设置作为插入层的多层石墨烯，在载有所述多层石墨烯的衬底上外延生长氮化铝材料。本发明以多层石墨烯为插入层外延生长氮化铝，可以获得大尺寸外延氮化铝单晶材料或氮化铝基紫外LED，并且生长的氮化铝容易实现机械剥离，剥离后的衬底可以反复使用。

Description

一种外延生长氮化铝的方法、氮化铝材料及应用
技术领域
本发明涉及一种外延生长氮化铝的方法，具体涉及一种采用多层石墨烯作为插入层，外延生长氮化铝的方法，以及生长获得的氮化铝材料及其应用，属于半导体光电材料和器件技术领域。
背景技术
2004年，英国科学家发现了由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体-石墨烯，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是目前最理想的二维纳米材料。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，C-C间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。在石墨烯中，每个碳原子通过很强的σ键(自然界中最强的化学键)与其他3个碳原子相连接，这些很强的C-C键致使石墨烯片层具有及其优异的力学性质和结构刚性。碳原子有4个价电子，每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，这些π电子与平面成垂直的方向可形成π轨道，π电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。但这些面外离位的π键与相邻层内的π键的层间相互作用远远小于一个σ键，即片层间的作用力较弱，因此石墨间很容易互相剥离，形成薄的石墨片。
在石墨烯上外延生长半导体材料，可以利用石墨烯层间比较弱范德华力，实现半导体材料的机械剥离并转移到任意衬底上，从而实现柔性的、可转移的光电子器件。对应氮化铝材料而言，由于铝的迁移能比较低，因此在石墨烯表面容易成核。然而，石墨烯的平整性决定了外延生长氮化铝的取向，转移的石墨烯无法实现平整的表面。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种外延生长氮化铝的方法、氮化铝材料及应用，从而克服了现有技术中的不足。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明实施例提供了一种外延生长氮化铝的方法，其包括：
提供一衬底，所述衬底表面为碳化硅材料；
在所述碳化硅材料上设置作为插入层的多层石墨烯；
在载有所述多层石墨烯的衬底上外延生长氮化铝材料。
本发明实施例还提供了一种氮化铝材料，其包括：
提供一衬底，所述衬底表面为碳化硅材料；
设置在所述衬底上的、作为插入层的多层石墨烯，以及
在所述多层石墨烯上生长形成的氮化铝单晶材料；其中，所述多层石墨烯的取向与氮化铝单晶材料的取向一致。
本发明实施例还提供了前述的方法或氮化铝材料于制备半导体装置中的用途。
本发明实施例还提供了一种氮化铝基紫外LED，其包括前述的氮化铝材料。
较之现有技术，本发明的有益效果在于：
1)本发明采用了表面为碳化硅材料的衬底，直接生长多层石墨烯，以石墨烯为插入层，外延生长氮化铝，可以获得大尺寸外延氮化铝单晶材料；并且由于中间存在石墨烯，利用石墨烯的范德瓦尔斯力，使其上生长的氮化铝容易实现机械剥离，剥离后的衬底可以反复使用。
2)生长氮化铝及氮化铝基紫外LED结构后，可以采用机械剥离获得可转移的、柔性的、垂直结构氮化铝基紫外LED材料；或者生长较厚的氮化铝厚膜，也可以采用机械剥离获得自支撑氮化铝衬底。
附图说明
图1示出了本发明一典型实施例中以石墨烯为插入层外延生长的氮化铝单晶材料的结构示意图。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是以石墨烯为插入层外延生长可机械剥离单晶氮化铝材料。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种外延生长氮化铝的方法，其包括：
提供一衬底，所述衬底表面为碳化硅材料；
在所述碳化硅材料上设置作为插入层的多层石墨烯；
在载有所述多层石墨烯的衬底上外延生长氮化铝材料。
在一些较为具体的实施方案中，所述多层石墨烯的厚度为0.3～3nm。
进一步的，所述衬底包括硅面碳化硅，所述衬底的斜切角要求控制在0°，在0°斜切角的衬底上生长出单晶氮化铝。
进一步地，所述衬底选用4H-SiC或6H-SiC，优选为4H-SiC。
在一些较为具体的实施方案中，所述的方法包括：在所述衬底上高温升华直接外延生长形成多层石墨烯作为所述的插入层。本发明必须选择直接外延生长在衬底上的石墨烯作为插入层，另外石墨烯的取向一致性也决定了氮化铝取向的一致。
进一步地，所述方法包括：在1200～1500℃高温退火生长形成所述的多层石墨烯。
在一些较为具体的实施方案中，所述的方法包括：在载有所述多层石墨烯的衬底上先外延生长氮化铝低温层，其中采用的生长温度为1000～1200℃，之后再在1400～1600℃高温外延生长氮化铝材料。
优选的，所述的方法还包括：在所述的外延生长结束后，将生长形成的氮化铝材料与所述多层石墨烯及衬底机械剥离处理。
进一步的，外延生长形成的氮化铝为氮化铝单晶材料。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种氮化铝材料，其包括：
提供一衬底，所述衬底表面为碳化硅材料；
设置在所述衬底上的、作为插入层的多层石墨烯，以及
在所述多层石墨烯上生长形成的氮化铝单晶材料；其中，所述多层石墨烯的取向与氮化铝单晶材料的取向一致。
在一些较为具体的实施方案中，所述多层石墨烯的厚度为0.3～3nm。
进一步的，所述衬底包括硅面碳化硅，所述衬底的斜切角要求控制在0°，在0°斜切角的衬底上生长出单晶氮化铝。
进一步地，所述衬底选用4H-SiC或6H-SiC，优选为4H-SiC。
在一些实施例中，所述氮化铝材料的制备方法包括：
提供一衬底，所述衬底表面为碳化硅材料；
在所述衬底上设置作为插入层的多层石墨烯；
在载有所述多层石墨烯的衬底上外延生长氮化铝材料。
在一些实施例中，所述氮化铝材料的制备方法包括：在所述衬底上直接外延生长形成多层石墨烯作为所述的插入层。
进一步地，所述方法包括：在1200～1500℃高温退火生长形成所述的多层石墨烯。
在一些较为具体的实施方案中，所述的方法包括：在载有所述多层石墨烯的衬底上先外延生长氮化铝低温层，其中采用的生长温度为1000～1200℃，之后再在1400～1600℃高温外延生长氮化铝材料。
优选的，所述的方法还包括：在所述的外延生长结束后，将生长形成的氮化铝材料与所述多层石墨烯及衬底机械剥离处理。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的方法或氮化铝材料于制备半导体装置中的用途。
进一步的，所述半导体装置包括LED等，但不限于此。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种氮化铝基紫外LED，其包括前述的氮化铝材料。生长氮化铝基紫外LED结构后，可以采用机械剥离获得可转移的、柔性的、垂直结构氮化铝基紫外LED；或者生长较厚的氮化铝厚膜，也可以采用机械剥离获得自支撑氮化铝衬底。
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明并不仅仅局限于下述实施例。
实施例1
1.采用碳化硅或在衬底上形成一层碳化硅为衬底。
2.在碳化硅衬底上升华外延生长多层石墨烯，厚度为0.3nm，高温退火温度为1200℃，其中碳化硅的斜切角要求控制在0°，选自4H硅面碳化硅。
3.首先在1000℃低温下生长氮化铝低温层，然后再高温1400℃生长氮化铝材料，请参阅图1所示。
对本实施例所获氮化铝材料进行性能测试发现，发现其为单晶材料。因此，以石墨烯为插入层，可以实现外延生长氮化铝。
实施例2
1.采用碳化硅为衬底。
2.在碳化硅衬底上升华外延生长多层石墨烯，厚度为3nm，高温退火温度为1500℃，其中碳化硅的斜切角要求控制在0°，选自6H硅面碳化硅。
3.首先在1200℃低温下生长氮化铝低温层，然后再高温1600℃生长氮化铝材料，可参阅图1所示。
对本实施例所获氮化铝材料进行性能测试发现，发现其为单晶材料。因此，以石墨烯为插入层，可以实现外延生长氮化铝。
实施例3
1.在衬底上形成一层碳化硅为衬底。
2.在碳化硅衬底上升华外延生长多层石墨烯，厚度为1nm，高温退火温度为1300℃，其中碳化硅的斜切角要求控制在0°，选自4H硅面碳化硅。
3.首先在1100℃低温下生长氮化铝低温层，然后再高温1500℃生长氮化铝材料，可参阅图1所示。
对本实施例所获氮化铝材料进行性能测试发现，发现其为单晶材料。因此，以石墨烯为插入层，可以实现外延生长氮化铝。
对照例1
1.在衬底上形成一层碳化硅为衬底。
2.在碳化硅衬底上升华外延生长多层石墨烯，厚度为1nm，高温退火温度为1300℃，其中碳化硅的斜切角要求控制在4°，选自4H硅面碳化硅。
3.首先在1100℃低温下生长氮化铝低温层，然后再高温1500℃生长氮化铝材料。
对本对照例所获氮化铝材料进行性能测试发现，发现其为多晶材料，并且存在大量裂纹。(参见Xu Y,Cao B*,Li Z Y,Cai D M,Zhang Y M,Ren G Q,Wang J F,Shi L,WangC H,Xu K*,Growth Model of van der Waals Epitaxy of Films:A Case of AIN Filmson Multilayer Graphene/SiC[J].ACS Applied Materials&Interfaces,2017,9(50):44001-44009.)因此，有斜切角度的衬底生长石墨烯后，再外延生长氮化铝材料，无法获得大尺寸氮化铝单晶材料。
对照例2
1.采用碳化硅为衬底。
2.在碳化硅衬底上升华外延生长多层石墨烯，厚度为3nm，高温退火温度为1500℃，其中碳化硅的斜切角要求控制在4°，选自6H硅面碳化硅。
3.首先在1200℃低温下生长氮化铝低温层，然后再高温1600℃生长氮化铝材料。
对本对照例所获氮化铝材料进行性能测试发现，发现其为多晶材料，并且存在大量裂纹。(参见Xu Y,Cao B*,Li Z Y,Cai D M,Zhang Y M,Ren G Q,Wang J F,Shi L,WangC H,Xu K*,Growth Model of van der Waals Epitaxy of Films:A Case of AIN Filmson Multilayer Graphene/SiC[J].ACS Applied Materials&Interfaces,2017,9(50):44001-44009.)因此，有斜切角度的衬底生长石墨烯后，再外延生长氮化铝材料，无法获得大尺寸氮化铝单晶材料。
综上所述，本发明采用了碳化硅为衬底，通过在衬底上直接生长多层石墨烯作为插入层，继而外延生长氮化铝，可以获得大尺寸的外延氮化铝单晶材料；并且由于石墨烯插入层的存在，利用石墨烯的范德瓦尔斯力，使其上生长的氮化铝容易实现机械剥离(对于生长形成的较薄氮化铝单晶材料，可以采用机械剥离获得可转移的、柔性的氮化铝材料，而对于生长较厚的氮化铝材料，也可以采用机械剥离获得自支撑氮化铝衬底)，剥离后的衬底可以反复使用。
此外，本案发明人还参照实施例1～3的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样获得了大尺寸外延氮化铝单晶材料。
应当理解，以上较佳实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式，但凡本领域技术人员因本发明所涉及之技术启示，而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种外延生长氮化铝的方法，其特征在于包括：
提供一衬底，所述衬底表面为碳化硅材料；
在所述碳化硅材料上设置作为插入层的多层石墨烯；
在载有所述多层石墨烯的衬底上外延生长氮化铝材料。
2.根据权利要求1所述的外延生长氮化铝的方法，其特征在于：所述多层石墨烯的厚度为0.3～3nm；和/或，所述衬底包括硅面碳化硅；优选的，所述衬底的斜切角为0°；优选的，所述衬底选用4H-SiC或6H-SiC，尤其优选为4H-SiC。
3.根据权利要求1所述的外延生长氮化铝的方法，其特征在于包括：在所述衬底上直接外延生长形成多层石墨烯作为所述的插入层；优选的，所述方法包括：在1200～1500℃高温退火生长形成所述的多层石墨烯。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的外延生长氮化铝的方法，其特征在于包括：
在载有所述多层石墨烯的衬底上先外延生长氮化铝低温层，其中采用的生长温度为1000～1200℃，之后再在1400～1600℃高温外延生长氮化铝材料；
优选的，所述方法还包括：在所述的外延生长结束后，将生长形成的氮化铝材料与所述多层石墨烯及衬底机械剥离处理；
优选的，外延生长形成的氮化铝为氮化铝单晶材料。
5.一种氮化铝材料，其特征在于包括：
提供一衬底，所述衬底表面为碳化硅材料；
设置在所述衬底上的、作为插入层的多层石墨烯，以及
在所述多层石墨烯上生长形成的氮化铝单晶材料；其中，所述多层石墨烯的取向与氮化铝单晶材料的取向一致。
6.根据权利要求5所述的氮化铝材料，其特征在于：所述多层石墨烯的厚度为0.3～3nm；和/或，所述衬底包括硅面碳化硅；优选的，所述衬底的斜切角为0°；优选的，所述衬底选用4H-SiC或6H-SiC，尤其优选为4H-SiC。
7.根据权利要求6所述的氮化铝材料，其特征在于，所述氮化铝材料的制备方法包括：
提供一衬底，所述衬底表面为碳化硅材料；
在所述衬底上设置作为插入层的多层石墨烯；
在载有所述多层石墨烯的衬底上外延生长氮化铝材料。
8.根据权利要求7所述的氮化铝材料，其特征在于，所述氮化铝材料的制备方法包括：在所述衬底上直接外延生长形成多层石墨烯作为所述的插入层；优选的，所述制备方法包括：在1200～1500℃高温退火生长形成所述的多层石墨烯；
和/或，所述氮化铝材料的制备方法包括：在载有所述多层石墨烯的衬底上先外延生长氮化铝低温层，其中采用的生长温度为1000～1200℃，之后再在1400～1600℃高温外延生长氮化铝材料。
9.权利要求1-4中任一项所述的方法或权利要求5-8中任一项所述的氮化铝材料于制备半导体装置中的用途；优选的，所述半导体装置包括LED。
10.一种氮化铝基紫外LED，其特征在于包括权利要求5-8中任一项所述的氮化铝材料。
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