[发明专利]利用石墨烯或氧化石墨烯生长高质量氮化镓晶体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用石墨烯或氧化石墨烯纳米片二维材料获得高质量氮化镓晶体的生长方法，旨在提高外延生长的GaN晶体质量，属于氮化镓晶体生长技术领域。

背景技术

近几年来，石墨烯和氧化石墨烯以其特有的优异性质越来越受到人们的重视。国内外的科学家都在努力开拓其在不同领域的应用。

以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，具有宽禁带宽度，高击穿电压、高电子迁移率、化学性质稳定等特点，适于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件。在半导体发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外探测器以及高能高频电子器件等方面有广阔的应用前景。由于氮化镓单晶生长非常困难，成本极高，又由于缺乏氮化镓体块单晶，因此目前氮化镓材料往往都是生长在异质衬底上如蓝宝石、碳化硅和硅等。异质衬底上生长晶体需要材料衬底和外延层之间的成核问题；此外，由于不同材料之间存在晶格常数以及其他物理性质的差异，导致衬底材料和氮化镓单晶之间的晶格失配和热失配较大，在外延的GaN单晶生长过程中会产生较大的应力和较高的位错密度，严重影响了氮化镓基器件的性能，因此降低氮化镓单晶的位错密度是制备高质量GaN基器件的前提。

目前，降低异质外延GaN单晶的位错密度的方法有以下几种：空位辅助分离法（Void-assisted separation）[参见Y.Oshima,et al,phys.stat.sol.(a),194(2002)554-558]、侧向外延过生长法(ELOG)[参见H.H.Huang,et al,J.Cryst.Growth311(2009)3029–3032]以及制备纳米结构的衬底[参见C.L.Chao,Appl.Phys.Lett.95(2009)051905]等方法。采用这些方法生长出GaN单晶的质量都有一定程度的提高，相应的位错密度也有一定程度的减小，但是这些方法大都需要复杂的光刻工艺或者生长工艺。

中国专利文献CN102769081A公开了一种利用石墨烯作为缓冲层外延GaN的结构和制备方法，该方法通过采用石墨烯层作为衬底与氮化镓外延层之间的缓冲层，在石墨烯层和GaN层之间插入氮化物薄层，获得低应力、高质量的GaN外延层。但是该方法操作过程复杂，成本高。

发明内容

本发明针对现有降低GaN单晶位错密度的方法所存在的问题，提供一种操作简单、成本低廉的利用在衬底上涂有石墨烯或氧化石墨烯纳米片生长高质量氮化镓晶体的方法，该方法利用氢化物气相外延（HVPE）直接在部分覆盖二维材料的衬底上生长GaN单晶。

本发明的利用石墨烯或氧化石墨烯生长高质量氮化镓晶体的方法，是将石墨烯或氧化石墨烯涂于衬底上后，得到被石墨烯或氧化石墨烯部分覆盖的衬底，进一步在这种衬底上进行HVPE外延生长GaN晶体；具体包括以下步骤：

（1）配制浓度为0.005-0.1mg/ml的石墨烯纳米片分散液，或浓度为0.001-0.02mg/ml的氧化石墨烯纳米片分散液；石墨烯纳米片分散液是将石墨烯纳米片分散在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）或N-甲基吡咯烷酮（NMP）中；氧化石墨烯纳米片分散液是将氧化石墨烯纳米片分散在超纯水中；

分散液的浓度不宜太大，否则石墨烯或氧化石墨烯纳米片将覆盖整个衬底，这样将不利于GaN晶体的成核、生长以及质量提高。石墨烯纳米片分散液优选的浓度为0.01-0.05mg/ml。氧化石墨烯纳米片分散液优选的浓度为0.005-0.008mg/ml。

（2）将配好的石墨烯纳米片分散液或氧化石墨烯纳米片分散液直接涂于用于制备GaN晶体的衬底上，烘干后待用，烘干方法是在真空干燥箱内80℃-200℃干燥1-8小时；

所述衬底是用金属有机化学气相沉积工艺（MOCVD）在蓝宝石、碳化硅或硅片上生长的氮化镓膜的衬底（2微米-5微米）厚，以下所述“衬底”均指这种衬底。

石墨烯或氧化石墨烯纳米片分散液在衬底上整个区域的分布应尽量均匀，这样有利于后续步骤中GaN晶体质量的提高。

烘干时选择的温度要与对于的溶剂相适应，对于高沸点的溶剂，所选择的温度要高一些，必要时可做高温退火处理。步骤（2）中对于石墨烯纳米片分散液优选的烘干方法是在真空干燥箱内120℃-180℃干燥2-4小时。对于氧化石墨烯纳米片分散液烘干方法是在真空干燥箱内40℃-120℃干燥1-8小时，优选的烘干方法是在真空干燥箱内80℃-120℃干燥2-3小时。

（3）将制备好的衬底放入氢化物气相外延(HVPE)系统中进行GaN晶体外延生长。