專利名稱：基于GaN襯底的石墨烯CVD直接外延生長方法及制造的器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料與器件制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體材料的生長方法，特別是一種基于III-V族半導(dǎo)體氮化鎵襯底的石墨烯CVD外延生長方法，可用于無需轉(zhuǎn)移的大面積石墨烯材料的生長制備，并為氮化鎵-石墨烯器件的制造提供材料。
背景技術(shù)：
石墨烯是一種由碳原子組成的二維晶體，是目前已知最輕最薄的材料，具有非常奇特的物理化學(xué)性質(zhì)，具有突出的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，有望替代Si成為下一代基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料的新材料?！?br> 過渡族金屬催化化學(xué)氣象沉積(CVD)外延是國際上廣泛采用的大面積石墨烯制備的方法，它不受襯底尺寸的限制，設(shè)備簡單，可以大批量生產(chǎn)。但是，CVD外延制備的原生石墨烯下方的金屬襯底導(dǎo)電性使得其無法直接應(yīng)用，必須依賴襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)，將金屬襯底去除然后轉(zhuǎn)移至合適的襯底上，而在轉(zhuǎn)移過程中不可避免地會(huì)對(duì)石墨烯薄膜產(chǎn)生污染和損壞，影響石墨烯材料和器件的性能。氮化鎵(GaN)作為一種寬禁帶材料，具有良好的多種性能，成為電子、光電研究領(lǐng)域的熱門研究課題?？捎糜谥苽涓唠娮舆w移率晶體管、太陽能電池、紫外探測器、發(fā)光器件等。特別是石墨烯發(fā)現(xiàn)之后，作為六方纖鋅礦晶體，氮化鎵和石墨烯的結(jié)合能夠有效減少晶格失配、提高石墨烯的質(zhì)量和面積，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。氮化鎵-石墨烯器件結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。因此，在氮化鎵襯底上直接利用CVD方法外延生長石墨烯，能夠減小晶格失配，避免轉(zhuǎn)移過程中殘膠引起的性能退化，提高石墨烯和氮化鎵襯底接觸質(zhì)量，具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了克服現(xiàn)有技術(shù)問題，提供一種基于氮化鎵襯底的石墨烯氣相化學(xué)沉積(CVD)方法，以在氮化鎵襯底上直接生長石墨烯薄膜，為氮化鎵-石墨烯結(jié)構(gòu)器件提供材料。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵是采用III-V族化合物半導(dǎo)體GaN作為襯底，通過對(duì)GaN襯底進(jìn)行合理的預(yù)處理，調(diào)節(jié)生長壓力，流量以及溫度，實(shí)現(xiàn)了石墨烯生長的最優(yōu)化，在GaN上面直接生長石墨烯，無需金屬作為催化劑，生長的石墨烯無需轉(zhuǎn)移過程，便可以直接用于制造各種器件，為氮化鎵-石墨烯結(jié)構(gòu)器件提供了材料，提高了器件的電學(xué)特性，可靠性，降低了器件制造的復(fù)雜性。其生長步驟包括如下(I)將GaN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進(jìn)行清洗,每次時(shí)間5 lOmin，從去離子水中取出襯底，用高純氮?dú)?99.9999%)吹干。(2)將GaN襯底放入化學(xué)氣相淀積CVD反應(yīng)室中，抽取真空至10_5 10_6Torr，以去除反應(yīng)室內(nèi)的殘留氣體；(3)向反應(yīng)室內(nèi)通入高純Ar，溫度150 250°C，保持10 30min，然后抽真空至I O-5IO-6Torr，排出襯底表面吸附氣體。(4)向反應(yīng)室內(nèi)通入H2進(jìn)行襯底表面預(yù)處理，氣體流量I 20sccm，反應(yīng)室真空度O. I ITorr,襯底溫度900 1000°C,處理時(shí)間I IOmin ；(5)向反應(yīng)室中通入HjPCH4,保持HjPCH4的流量比為10 : I 2 : 1，H2流量20 2008(3011，014流量I 20sccm，氣壓維持在O. I latm，溫度1000 1200°C，升溫時(shí)間20 60min，保持時(shí)間20 60min ；(6)自然降溫，保持工序(5)中的H2和CH4流量不變，氣壓O. I latm，完成石墨烯的生長。(7)溫度降至100°C以下，關(guān)閉CH4、H2，通入Ar，打開反應(yīng)室，取出樣品。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)I.由于采用基于氮化鎵襯底的常壓無催化金屬的石墨烯CVD外延生長方法，無需在后續(xù)步驟中對(duì)石墨稀進(jìn)打轉(zhuǎn)移，避免了對(duì)石墨稀材料的破壞。2.由于采用于氮化鎵襯底的石墨烯CVD外延生長方法，可以直接在氮化鎵襯底上制造石墨稀器件，為氣化嫁_石墨稀器件提供材料基礎(chǔ)。


·圖I是本發(fā)明的氮化鎵襯底上石墨烯薄膜化學(xué)氣相沉積(CVD)生長流程圖；圖2是本發(fā)明的氮化鎵襯底上石墨烯薄膜化學(xué)氣相沉積(CVD)生長結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I在氮化鎵襯底上制備石墨烯薄膜。(I)將GaN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進(jìn)行清洗,每次時(shí)間lOmin，從去離子水中取出襯底，用高純氮?dú)?99.9999% )吹干。(2)將GaN襯底放入化學(xué)氣相淀積CVD反應(yīng)室中，抽取真空至10_5Torr，以去除反應(yīng)室內(nèi)的殘留氣體；(3)向反應(yīng)室內(nèi)通入高純Ar，溫度150°C，保持lOmin，然后抽真空至10_5Torrd_出襯底表面吸附氣體。(4)向反應(yīng)室內(nèi)通入H2進(jìn)行襯底表面預(yù)處理，氣體流量lsccm，反應(yīng)室真空度O. ITorr，襯底溫度900°C，處理時(shí)間Imin ；(5)向反應(yīng)室中通入HjPCH4,保持HJPCH4的流量比為10 :1，H2流量20sccm，CH4流量2sccm,氣壓維持在O. latm,溫度1200°C,升溫時(shí)間20min,保持時(shí)間50min ；(6)自然降溫，保持工序(5)中的H2和CH4流量不變，氣壓O. latm，完成石墨烯的生長。(7)溫度降至100°C以下，關(guān)閉CH4、H2，通入Ar，打開反應(yīng)室，取出樣品。實(shí)施例2在氮化鎵襯底上制備石墨烯薄膜。
(I)將GaN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進(jìn)行清洗,每次時(shí)間8min，從去離子水中取出襯底，用高純氮?dú)?99.9999% )吹干。(2)將GaN襯底放入化學(xué)氣相淀積CVD反應(yīng)室中，抽取真空至10_6Torr，以去除反應(yīng)室內(nèi)的殘留氣體；(3)向反應(yīng)室內(nèi)通入高純Ar，溫度250°C，保持30min，然后抽真空至KT6Torr，排出襯底表面吸附氣體。(4)向反應(yīng)室內(nèi)通入H2進(jìn)行襯底表面預(yù)處理，氣體流量20sccm，反應(yīng)室真空度ITorr，襯底溫度1000°C，處理時(shí)間IOmin ；(5)向反應(yīng)室中通入H2和CH4,保持H2和CH4的流量比為2 1，H2流量200sccm,CH4流量IOOsccm,氣壓維持在latm,溫度1100°C,升溫時(shí)間60min,保持時(shí)間20min ； (6)自然降溫，保持工序(5)中的H2和CH4流量不變，氣壓latm，完成石墨烯的生長。(7)溫度降至100°C以下，關(guān)閉CH4、H2，通入Ar，打開反應(yīng)室，取出樣品。實(shí)施例3在氮化鎵襯底上制備石墨烯薄膜。(I)將GaN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進(jìn)行清洗,每次時(shí)間5min，從去離子水中取出襯底，用高純氮?dú)?99.9999% )吹干。(2)將GaN襯底放入化學(xué)氣相淀積CVD反應(yīng)室中，抽取真空至10_6Torr，以去除反應(yīng)室內(nèi)的殘留氣體；(3)向反應(yīng)室內(nèi)通入高純Ar，溫度100°C，保持20min，然后抽真空至KT6Torr，排出襯底表面吸附氣體。(4)向反應(yīng)室內(nèi)通入H2進(jìn)行襯底表面預(yù)處理，氣體流量lOsccm，反應(yīng)室真空度O. 5Torr，襯底溫度950°C，處理時(shí)間IOmin ；(5)向反應(yīng)室中通入H2和CH4,保持H2和CH4的流量比為5 1，H2流量IOOsccm,CH4流量20sccm，氣壓維持在O. 5atm，溫度1100°C，升溫時(shí)間40min，保持時(shí)間30min ；(6)自然降溫，保持工序(5)中的H2和CH4流量不變，氣壓O. 5atm,完成石墨烯的生長。(7)溫度降至100°C以下，關(guān)閉CH4、H2，通入Ar，打開反應(yīng)室，取出樣品。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于氮化鎵襯底的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于， 采用III-V族化合物半導(dǎo)體GaN作為襯底，通過對(duì)GaN襯底進(jìn)行合理的預(yù)處理，調(diào)節(jié)生長壓力，流量以及溫度，實(shí)現(xiàn)了石墨烯生長的最優(yōu)化，在GaN上面直接生長石墨烯，無需金屬作為催化劑，生長的石墨烯無需轉(zhuǎn)移過程，為氮化鎵-石墨烯結(jié)構(gòu)器件提供了材料，可直接用于制造各種器件。
2.如權(quán)利要求I所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，其生長方法實(shí)現(xiàn)步驟包括如下 (1)將GaN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進(jìn)行清洗,每次時(shí)間5 lOmin，從去離子水中取出襯底，用高純氮?dú)獯蹈桑? (2)將GaN襯底放入化學(xué)氣相淀積CVD反應(yīng)室中，抽取真空至10_5 10_6Torr，以去除反應(yīng)室內(nèi)的殘留氣體； (3)向反應(yīng)室內(nèi)通入高純Ar，排出襯底表面吸附氣體； (4)向反應(yīng)室內(nèi)通入H2進(jìn)行襯底表面預(yù)處理； (5)向反應(yīng)室中通入H2和CH4; (6)自然降溫，保持工序(5)中的H2和CH4流量不變，完成石墨烯的生長； (7)溫度降至100°C以下，關(guān)閉CH4、H2，通入Ar，打開反應(yīng)室，取出樣品。
3.如權(quán)利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，向反應(yīng)室內(nèi)通入高純Ar，排出襯底表面吸附氣體時(shí)，溫度150 250°C，保持10 30min，然后抽真空至10_5 ICT6Tom
4.如權(quán)利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，向反應(yīng)室內(nèi)通入H2進(jìn)行襯底表面預(yù)處理，氣體流量I 20SCCm，反應(yīng)室真空度O. I ITorr，襯底溫度900 1000°C，處理時(shí)間I IOmin。
5.如權(quán)利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，向反應(yīng)室中通入H2和CH4,保持 HJPCH4 的流量比為 10 : I 2 : 1，H2 流量 20 2008(3011，014流量 I 20sccm，氣壓維持在O. I Iatm,溫度1000 1200°C，升溫時(shí)間20 60min,保持時(shí)間20 60min。
6.如權(quán)利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，自然降溫，保持工序(5)中的H2和CH4流量不變，氣壓O. I latm，完成石墨烯的生長。
7.一種利用權(quán)利要求I所述的基于GaN襯底的石墨烯CVD直接外延生長方法制造的器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于GaN襯底的石墨烯CVD直接外延生長方法，采用III-V族化合物半導(dǎo)體GaN作為襯底，通過對(duì)GaN襯底進(jìn)行合理的預(yù)處理，調(diào)節(jié)生長壓力，流量以及溫度，實(shí)現(xiàn)了石墨烯生長的最優(yōu)化，在GaN上面直接生長石墨烯，無需金屬作為催化劑，生長的石墨烯無需轉(zhuǎn)移過程，便可以直接用于制造各種器件，為氮化鎵-石墨烯結(jié)構(gòu)器件提供了材料，提高了器件的電學(xué)特性，可靠性，降低了器件制造的復(fù)雜性。
文檔編號(hào)C30B25/02GK102903617SQ20121040827
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者寧靜, 王東, 韓碭, 閆景東, 柴正, 張進(jìn)成, 郝躍 申請人:西安電子科技大學(xué)