具有石墨烯電極的GaN基半導體器件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有石墨烯電極的GaN基半導體器件，由襯底、緩沖層、N型半導體層、有源層、P型半導體層、石墨烯薄膜層和金屬電極結合形成，P型半導體層為含GaN的復合材料層，石墨烯薄膜層設有貫穿的孔道，使金屬電極穿過石墨烯薄膜層與P型半導體層固定連接，形成石墨烯薄膜層的焊盤，使石墨烯薄膜層固定結合在P型半導體層上，形成復合電極。本發(fā)明采用MO源作為催化劑與碳源的前驅體，在現有GaN外延工藝及設備的情況下實現了低溫石墨烯電極的自生長，并可通過對金屬圖形的控制，進一步改善電流分布，提高了器件的出光與散熱性能。
【專利說明】具有石墨烯電極的GaN基半導體器件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導體器件及其制備工藝，還涉及一種石墨烯電極及其制備方法，應用于半導體器件結構和制備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]石墨烯是一種由碳原子緊密堆積成的單原子層的晶體，具有很多獨特的性質，如高的比表面積、良好的熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的導熱特性等。這些優(yōu)異的性能使石墨烯在納米電子器件、氣體傳感器、超級電容器和能量存儲等領域有很好的應用前景。特別的，石墨烯在可見光波段極高的透過率，550nm時單層石墨烯理論透過率可達97.7%，及良好的電學與熱傳輸性能，使得其有潛力成為一種理想的透明導電材料。
[0003]近年來，采用石墨烯及其復合材料作為光電器件電極材料的研究很多，也取得了一定的效果。目前采用的方法大都是先制備出石墨烯或氧化石墨烯，再采用一定方法轉移至GaN外延片,在轉移過程中容易導致石墨烯的破損與雜質的引入；同時，石墨烯與GaN之間依靠范德華力結合，容易在后續(xù)的工藝中出現分離或脫落的現象，從而影響器件的性能；除此之外，與現有GaN基器件外延與芯片設備與工藝不兼容，不具有良好的產業(yè)推廣性。

【發(fā)明內容】

[0004]為了解決現有技術問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種具有石墨烯電極的GaN基半導體器件及其制備方法，采用MO源作為催化劑與碳源的前驅體，在現有GaN外延工藝及設備的情況下實現了低溫石墨烯電極的自生長，并可通過對金屬圖形的控制，進一步改善電流分布。
[0005]為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術方案:
一種具有石墨烯電極的GaN基半導體器件，依次由襯底層、緩沖層、N型半導體層、有源層、P型半導體層、石墨烯薄膜層和金屬電極結合形成，P型半導體層為含GaN的復合材料層，P型半導體層和石墨烯薄膜層為歐姆接觸，石墨烯薄膜層設有貫穿的孔道，使金屬電極穿過石墨烯薄膜層的孔道并與P型半導體層固定連接，形成石墨烯薄膜層的焊盤，使石墨烯薄膜層固定結合在P型半導體層上，使石墨烯薄膜層和金屬電極相互結合形成復合電極，石墨烯薄膜層的孔道的截面為設定形狀的圖形形狀。
[0006]上述石墨烯薄膜層優(yōu)選采用1-10層石墨烯。
[0007]上述金屬電極優(yōu)選采用的材料為Au、Ag、Cr、Pt、N1、T1、Rh和Zn中的任意一種金屬材料或者任意幾種金屬的合金材料制成。
[0008]本發(fā)明具有石墨烯電極的GaN基半導體器件的制備方法，包括以下步驟:
a.選用適合InGaN沉積的襯底，采用金屬有機化合物化學氣相沉積制備依次由襯底層、緩沖層、η型半導體、有源層、P型半導體層形成的半導體器件體系；
b.在上述步驟a中制備的半導體器件體系的P型半導體層之上，采用金屬有機化合物化學氣相沉積制備石墨烯薄膜，具體采用Ga和In中的任意一種或兩種金屬的合金作為催化劑，采用H2作為MO源的載氣，即以MO源作為催化劑與碳源的前驅體，同時通入MO源及載氣H2,完成金屬催化劑的沉積催化，制備得到石墨烯薄膜，使石墨烯薄膜和P型半導體層之間臨時通過薄層催化劑層連接；優(yōu)選石墨烯薄膜具有1-10層單原子石墨層，石墨烯薄膜的制備溫度優(yōu)選為300-800°C ;MO源優(yōu)選采用三甲基鎵，二甲基鎵，三乙基鎵，三甲基銦，二甲基乙基銦中的一種氣體或者任意幾種組成的混合氣體；
c.進行溫度為200-800°C，時間為5-30min氫氣氛圍下的退火工藝，實現催化劑與P型半導體的短程互擴散，然后進行溫度為30-80°C，時間為l-60min酸處理，去除薄層催化劑，使石墨烯薄膜與P型半導體直接固定連接；酸處理采用的酸優(yōu)選采用任意一種無機酸或者任意幾種無機酸組成的混合酸溶液；
d.將在上述步驟c中沉積于P型半導體層上的石墨烯薄膜進行圖形化，為石墨烯薄膜制作圖案化孔道；石墨烯薄膜的圖形化孔洞優(yōu)選光刻、等離子體刻蝕、激光刻蝕中的任意一種制作方法或者任意幾種制作方法的組合制作方法；
e.將在上述步驟d中制作的石墨烯薄膜的圖案化孔洞中沉積金屬電極材料，形成完整的器件結構，使金屬電極材料穿過石墨烯薄膜層的孔道并與所述P型半導體層固定連接，形成石墨烯薄膜層的焊盤，使石墨烯薄膜層固定結合在所述P型半導體層上，使石墨烯薄膜層和金屬電極相互結合形成復合電極；優(yōu)選真空熱蒸發(fā)、電子束沉積、磁控濺射中的任意一種制作方法或任意幾種制作方法的組合制作方法，將金屬電極材料沉積到石墨烯薄膜的圖形化孔洞中，形成石墨烯薄膜層的焊盤；金屬電極材料優(yōu)選采用Au、Ag、Cr、Pt、N1、T1、Rh和Zn中的任意一種金屬材料或者任意幾種金屬的合金材料制成；金屬電極優(yōu)選采用金。
[0009]本發(fā)明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點:
1.本發(fā)明采用金屬Ga，金屬In或GaIn的合金作為石墨烯生長的催化劑，利用MO源的熱分解特性，在不破壞有源層的情況下實現了低溫石墨烯電極的制備；
2.本發(fā)明采用MOCVD實現石墨烯制備，與現有GaN基器件的制備設備、工藝及氣源實現了無縫兼容，提高了其產業(yè)可行性；
3.本發(fā)明通過對電極圖案的優(yōu)化，進一步改善電流分布，提高了器件的出光與散熱性倉泛。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例具有石墨烯電極的GaN基半導體器件的層次結構示意圖。
[0011]圖2是沿圖1中A-A線的剖視圖。
【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下:
在本實施例中，參見圖1和圖2，一種具有石墨烯電極的GaN基半導體器件，依次由襯底層1、緩沖層2、N型半導體層3、有源層4、P型半導體層5、石墨烯薄膜層6和金屬電極7結合形成，襯底層I采用藍寶石，N型半導體層3采用η型氮化鎵，P型半導體層5采用P型氮化鎵，P型半導體層5與石墨烯薄膜層6為歐姆接觸方式進行連接固定，石墨烯薄膜層6設有貫穿的孔道，使金屬電極7穿過石墨烯薄膜層6的孔道并與P型半導體層5固定連接，形成石墨烯薄膜層6的焊盤，使石墨烯薄膜層6固定結合在P型半導體層5上，使石墨烯薄膜層6和金屬電極7相互結合形成復合電極，石墨烯薄膜層6的孔道的截面為設定形狀的圖形形狀。
[0013]在本實施例中，參見圖1和圖2，具有石墨烯電極的GaN基半導體器件的制備方法，包括以下步驟:
a.外延片制備:采用傳統(tǒng)工藝，依次在藍寶石襯底上通過金屬有機化合物化學氣相沉積法依次沉積緩沖層/n型氮化鎵/量子阱/p型氮化鎵形成的半導體器件體系；
b.石墨烯薄膜制備:采用金屬有機化合物化學氣相沉積法，切斷氮源與CP2Mg,降溫至600度，控制混合氣體流量為SOsccm，生長10分鐘，以三甲基銦作為催化劑與碳源的前驅體，同時通入含三甲基銦及載氣H2，完成催化劑的沉積催化，在上述步驟a中制備的半導體器件體系的P型半導體層之上，制備得到石墨烯薄膜；
c.石墨烯薄膜退火:采用H2氛圍，控制溫度在200-800°C下退火5-30min，實現催化劑In與P型半導體的短程互擴散，在P型半導體內形成功函數較低的薄層InGaN，促進歐姆接觸的實現；
d.進行溫度為30-80°C，時間為l-60mmin酸處理，徹底去除薄層催化劑In，得到依次
由藍寶石襯底/緩沖層2/n型氮化鎵/量子阱/p型氮化鎵/石墨烯薄膜形成的半導體器件體系；
e.根據所需陽極金屬圖形，采用特定的掩膜版進行光刻，等離子體刻蝕去除暴露的石墨烯部分，隨后采用氧氣等離子體刻蝕除去光刻膠，實現石墨烯薄膜的圖形化，為石墨烯薄膜制作圖案化孔洞，圖形化金屬電極圖案如圖2所示；
f.沉積金屬:將在上述步驟e中制作的石墨烯薄膜的圖案化孔洞中采用電子束沉積法沉積金屬電極材料，形成完整的器件結構，使金屬電極材料穿過石墨烯薄膜層的孔道并與P型半導體固定連接，形成石墨烯薄膜層的焊盤，使石墨烯薄膜層固定結合在P型氮化鎵上，使石墨烯薄膜層和金屬電極相互復合形成結合電極，完成芯片電極制備。
[0014]在本實施例中，參見圖1和圖2，石墨烯采用三甲基銦作為石墨烯催化劑與碳源的前驅體，通過金屬有機化合物有化學相沉積制備。本實施例利用三甲基銦的熱分解特性，采用金屬銦作為石墨烯生長的催化劑；在不破壞有源層的情況下實現了低溫石墨烯電極的制備；同時采用MOCVD實現石墨烯制備，與現有GaN基器件的制備設備、工藝及氣源實現了無縫兼容，且無需轉移，提高了其產業(yè)可行性。并通過對電極圖案的優(yōu)化，進一步改善電流分布，提高了器件的出光與散熱性能。
[0015]上面結合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據本發(fā)明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明具有石墨烯電極的GaN基半導體器件及其制備方法的技術原理和發(fā)明構思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種具有石墨烯電極的GaN基半導體器件，依次由襯底層(I)、緩沖層(2)、N型半導體層(3)、有源層(4)、P型半導體層(5)、石墨烯薄膜層(6)和金屬電極(7)結合形成，其特征在于:所述P型半導體層(5)為含GaN的復合材料層，所述P型半導體層(5)和石墨烯薄膜層(6)為歐姆接觸，所述石墨烯薄膜層(6)設有貫穿的孔道，使所述金屬電極(7)穿過所述石墨烯薄膜層(6)的孔道并與所述P型半導體層(5)固定連接，形成所述石墨烯薄膜層(6)的焊盤，使所述石墨烯薄膜層(6)固定結合在所述P型半導體層(5)上，使所述石墨烯薄膜層(6)和所述金屬電極(7)相互結合形成復合電極，所述石墨烯薄膜層(6)的孔道的截面為設定形狀的圖形形狀。
2.根據權利要求1所述具有石墨烯電極的GaN基半導體器件，其特征在于:所述石墨烯薄膜層(6)具有1-10層石墨烯。
3.根據權利要求1或2所述具有石墨烯電極的GaN基半導體器件，其特征在于:所述金屬電極(7)采用的材料為Au、Ag、Cr、Pt、N1、T1、Rh和Zn中的任意一種金屬材料或者任意幾種金屬的合金材料制成。
4.根據權利要求1所述具有石墨烯電極的GaN基半導體器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: a.選用適合InGaN沉積的襯底，采用金屬有機化合物化學氣相沉積制備依次由襯底層、緩沖層、η型半導體、有源層、P型半導體層形成的半導體器件體系； b.在上述步驟a中制備的半導體器件體系的P型半導體層之上，采用金屬有機化合物化學氣相沉積制備石墨烯薄膜，具體采用Ga和In中的任意一種或兩種金屬的合金作為催化劑，采用H2作為MO源的載氣，即以MO源作為催化劑與碳源的前驅體，同時通入MO源及載氣H2,完成金屬催化劑的沉積催化，制備得到石墨烯薄膜，使石墨烯薄膜和P型半導體層之間臨時通過薄層催化劑層連接； c.進行溫度為200-800°C，時間為5-30min氫氣氛圍下的退火工藝，實現催化劑與P型半導體的短程互擴散，然后進行溫度為30-80°C，時間為l-60min酸處理，去除薄層催化劑，使石墨烯薄膜與P型半導體直接固定連接； d.將在上述步驟c中沉積于P型半導體層上的石墨烯薄膜進行圖形化，為石墨烯薄膜制作圖案化孔道； e.將在上述步驟d中制作的石墨烯薄膜的圖案化孔洞中沉積金屬電極材料，形成完整的器件結構，使金屬電極材料穿過石墨烯薄膜層的孔道并與所述P型半導體層固定連接，形成石墨烯薄膜層的焊盤，使石墨烯薄膜層固定結合在所述P型半導體層上，使石墨烯薄膜層和金屬電極相互結合形成復合電極。
5.根據權利要求4所述具有石墨烯電極的GaN基半導體器件的制備方法，其特征在于:在上述步驟d中，所述石墨烯薄膜的圖形化孔洞選擇光刻、等離子體刻蝕、激光刻蝕中的任意一種制作方法或者任意幾種制作方法的組合制作方法。
6.根據權利要求5所述具有石墨烯電極的GaN基半導體器件的制備方法，其特征在于:在上述步驟e中，選擇真空熱蒸發(fā)、電子束沉積、磁控濺射中的任意一種制作方法或任意幾種制作方法的組合制作方法，將金屬電極材料沉積到石墨烯薄膜的圖形化孔洞中，形成石墨烯薄膜層的焊盤。
7.根據權利要求4~6中任意一項所述具有石墨烯電極的GaN基半導體器件的制備方法，其特征在于:在上述步驟e中，所述金屬電極采用的材料為Au、Ag、Cr、Pt、N1、T1、Rh和Zn中的任意一種金屬材料或者任意幾種金屬的合金材料制成。
8.根據權利要求4~6中任意一項所述具有石墨烯電極的GaN基半導體器件的制備方法，其特征在于:在上述步驟b中，石墨烯薄膜具有1-10層單原子石墨層，石墨烯薄膜的制備溫度為300-800°C。
9.根據權利要求4~7中任意一項所述具有石墨烯電極的GaN基半導體器件的制備方法，其特征在于:在上述步驟b中，MO源為三甲基鎵，二甲基鎵，三乙基鎵，三甲基銦，二甲基乙基銦中的一種氣體或者任意幾種組成的混合氣體。
10.根據權利要求4~7中任意一項所述具有石墨烯電極的GaN基半導體器件的制備方法，其特征在于:在上述步驟c中，酸處理采用的酸為任意一種無機酸或者任意幾種無機酸組成的混合酸 溶液。
【文檔編號】H01L21/28GK103904108SQ201410120531
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權日:2014年3月28日
【發(fā)明者】楊連喬, 馮偉, 胡建正, 張建華 申請人:上海大學