[发明专利]基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法及制造的器件

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料与器件制造技术领域，涉及半导体材料的生长方法，特别是一种基于III-V族半导体氮化镓衬底的石墨烯CVD外延生长方法，可用于无需转移的大面积石墨烯材料的生长制备，并为氮化镓-石墨烯器件的制造提供材料。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，具有非常奇特的物理化学性质，具有突出的产业优势，有望替代Si成为下一代基础半导体材料的新材料。

过渡族金属催化化学气象沉积(CVD)外延是国际上广泛采用的大面积石墨烯制备的方法，它不受衬底尺寸的限制，设备简单，可以大批量生产。但是，CVD外延制备的原生石墨烯下方的金属衬底导电性使得其无法直接应用，必须依赖衬底转移技术，将金属衬底去除然后转移至合适的衬底上，而在转移过程中不可避免地会对石墨烯薄膜产生污染和损坏，影响石墨烯材料和器件的性能。

氮化镓(GaN)作为一种宽禁带材料，具有良好的多种性能，成为电子、光电研究领域的热门研究课题。可用于制备高电子迁移率晶体管、太阳能电池、紫外探测器、发光器件等。特别是石墨烯发现之后，作为六方纤锌矿晶体，氮化镓和石墨烯的结合能够有效减少晶格失配、提高石墨烯的质量和面积，具有独特的优势。氮化镓-石墨烯器件结构已经成为研究热点。因此，在氮化镓衬底上直接利用CVD方法外延生长石墨烯，能够减小晶格失配，避免转移过程中残胶引起的性能退化，提高石墨烯和氮化镓衬底接触质量，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术问题，提供一种基于氮化镓衬底的石墨烯气相化学沉积(CVD)方法，以在氮化镓衬底上直接生长石墨烯薄膜，为氮化镓-石墨烯结构器件提供材料。

实现本发明的技术关键是：采用III-V族化合物半导体GaN作为衬底，通过对GaN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，实现了石墨烯生长的最优化，在GaN上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，便可以直接用于制造各种器件，为氮化镓-石墨烯结构器件提供了材料，提高了器件的电学特性，可靠性，降低了器件制造的复杂性。其生长步骤包括如下：

(1)将GaN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间5～10min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999％)吹干。

(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10^-5～10^-6Torr，以去除反应室内的残留气体；

(3)向反应室内通入高纯Ar，温度150～250℃，保持10～30min，然后抽真空至10^-510^-6Torr，排出衬底表面吸附气体。

(4)向反应室内通入H₂进行衬底表面预处理，气体流量1～20sccm，反应室真空度0.1～1Torr，衬底温度900～1000℃，处理时间1～10min；

(5)向反应室中通入H₂和CH₄，保持H₂和CH₄的流量比为10∶1～2∶1，H₂流量20～200sccm，CH₄流量1～20sccm，气压维持在0.1～1atm，温度1000～1200℃，升温时间20～60min，保持时间20～60min；

(6)自然降温，保持工序(5)中的H₂和CH₄流量不变，气压0.1～1atm，完成石墨烯的生长。

(7)温度降至100℃以下，关闭CH₄、H₂，通入Ar，打开反应室，取出样品。

本发明具有如下优点：

1.由于采用基于氮化镓衬底的常压无催化金属的石墨烯CVD外延生长方法，无需在后续步骤中对石墨烯进行转移，避免了对石墨烯材料的破坏。

2.由于采用于氮化镓衬底的石墨烯CVD外延生长方法，可以直接在氮化镓衬底上制造石墨烯器件，为氮化镓-石墨烯器件提供材料基础。

附图说明

图1是本发明的氮化镓衬底上石墨烯薄膜化学气相沉积(CVD)生长流程图；

图2是本发明的氮化镓衬底上石墨烯薄膜化学气相沉积(CVD)生长结构示意图。

具体实施方式