[发明专利]一种柔性聚酰亚胺衬底上的氮化镓基薄膜及其制备方法

权利要求书

1.一种柔性聚酰亚胺衬底上的氮化镓基薄膜，其特征在于，采用聚酰亚胺作为衬底，聚酰亚胺衬底(1)的表面上依次为第一氧化硅层(2)、氮化硅层(3)、第二氧化硅层(4)、石墨烯层(5)、Al_xGa_yIn_1-x-yN缓冲层(6)和Al_xGa_yIn_1-x-yN外延层(7)；

所述的聚酰亚胺衬底(1)的厚度为10～275μm；

所述的第一氧化硅层(2)的厚度为100～400nm；

所述的氮化硅层(3)的厚度为50～150nm；

所述的第二氧化硅层(4)的厚度为50～200nm；

所述的石墨烯层(5)的厚度为0.335～2.01nm；

所述的Al_xGa_yIn_1-x-yN缓冲层(6)的厚度为10～200nm，Al_xGa_yIn_1-x-yN缓冲层(6)的组分值控制为：0≤x≤0.4、0＜y≤1、0≤1-x-y＜1；

所述的Al_xGa_yIn_1-x-yN外延层(7)的厚度为0.3～3μm，Al_xGa_yIn_1-x-yN外延层(7)的组分值控制为：0≤x≤0.4、0＜y≤1、0≤1-x-y＜1。

2.一种权利要求1所述的柔性聚酰亚胺衬底上的氮化镓基薄膜的制备方法，其特征在于，步骤如下：

步骤a.ECR-PEMOCVD方法制备第一氧化硅层(2)：

将经清洗并干燥预处理的聚酰亚胺衬底(1)从ECR-PEMOCVD设备的手套箱传送至装样室，再从装样室传送至真空反应室内的料台上，当真空反应室的本底气压抽至5×10^-4～1×10^-5Pa后，把料台温度加热至室温～500℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氧气、氩气的混合气体，其中氧气流量为40～200sccm，氩气流量为10～100sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波放电，当微波放电稳定后，再通过气相金属有机物供气管路向真空反应室中通入硅烷，使硅烷的摩尔流量为3×10^-4～2×10^-3mol/min，开始使用ECR-PEMOCVD方法在聚酰亚胺衬底(1)上制备第一氧化硅层(2)，微波放电时间为10～120min，使第一氧化硅层(2)的厚度控制为100～400nm；

步骤b.ECR-PEMOCVD方法制备氮化硅层(3)：

将ECR-PEMOCVD真空反应室的本底气压抽至5×10^-4～1×10^-5Pa后，把料台温度加热至室温～500℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氮气、氨气、氢气的混合气体，其中氮气流量为不大于200sccm，氨气流量为不大于200sccm，氢气流量为不大于100sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波放电，当微波放电稳定后，再通过气相金属有机物供气管路向真空反应室中通入硅烷，使硅烷的摩尔流量为2×10^-4～1.5×10^-3mol/min，开始使用ECR-PEMOCVD方法在第一氧化硅层(2)上制备氮化硅层(3)，微波放电时间为10～90min，使氮化硅层(3)的厚度控制为50～150nm；

步骤c.ECR-PEMOCVD方法制备第二氧化硅层(4)：

将ECR-PEMOCVD真空反应室的本底气压抽至5×10^-4～1×10^-5Pa后，把料台温度加热至200～500℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氧气、氩气的混合气体，其中氧气流量为40～200sccm，氩气流量为10～100sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波放电，当微波放电稳定后，再通过气相金属有机物供气管路向真空反应室中通入硅烷，使硅烷的摩尔流量为3×10^-4～2×10^-3mol/min，开始使用ECR-PEMOCVD方法在氮化硅层(3)上制备第二氧化硅层(4)，微波放电时间为5～60min，使第二氧化硅层(4)的厚度控制为50～200nm；

步骤d.磁控溅射方法制备Ni层：

靶材采用Ni靶，且Ni靶采用强磁磁控靶，将沉积有第二氧化硅层(4)的聚酰亚胺衬底(1)布置在磁控溅射设备镀膜室内的料台上，当磁控溅射设备镀膜室的本底气压被抽至1×10^-4～5×10^-4Pa，把料台加热至100～500℃，当料台温度稳定后，向磁控溅射镀膜室中通入氩气，氩气流量为50～200sccm，使镀膜室气压控制为0.1～5Pa，当镀膜室气压稳定后，把Ni靶的射频溅射电源的功率设定为40～200W，并开启射频溅射电源，开始在第二氧化硅层(4)表面上溅射沉积Ni层，溅射时间为1～45min，使Ni层的厚度控制为40～150nm；

步骤e.氢等离子体清洗Ni层：

把溅射沉积上Ni层的聚酰亚胺衬底(1)从ECR-PEMOCVD设备的手套箱传送至装样室，再从装样室传送至真空反应室内的料台上，当真空反应室的本底气压抽至5×10^-4～1×10^-5Pa后，把料台温度加热至400～550℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氢气，氢气流量为50～200sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用氢等离子体清洗Ni层，清洗时间为2～10min；

步骤f.ECR-PEMOCVD方法制备石墨烯层(5)：

把料台温度加热至400～550℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入甲烷、氢气、氩气的混合气体，其中甲烷流量为40～100sccm，氢气流量为20～100sccm，氩气流量不大于100sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，开启料台的射频偏压电源，对料台施加-50～-300V的偏压，然后把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用ECR-PEMOCVD方法在Ni层上制备石墨烯层(5)，制备时间为3～20min，制备时间结束后,关闭微波电源和各路气体，然后把料台温度设定为室温～300℃，开始降温，降温过程中在Ni层与第二氧化硅(4)的界面上偏析出石墨烯层(5)，使石墨烯层(5)的厚度控制为0.335～2.01nm；

步骤g.湿法腐蚀去除Ni层：

将制备有石墨烯层(5)的聚酰亚胺衬底(1)置于盐酸与硫酸铜的混合溶液中以去除Ni层，最后将去除了Ni层的聚酰亚胺衬底(1)使用去离子水浸泡，并换水5～10次，每次浸泡3～10min，然后置于110～150℃的温度下干燥5～20min；

步骤h.ECR-PEMOCVD方法氮化及制备Al_xGa_yIn_1-x-yN缓冲层(6)：

在ECR-PEMOCVD设备上，把沉积有石墨烯层(5)并去除了Ni层的聚酰亚胺衬底(1)经手套箱和装样室传送至真空反应室内的料台上，当真空反应室的本底气压抽至5×10^-4～1×10^-5Pa后，把料台温度加热至室温～300℃，当料台温度稳定后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氮气、氨气的混合气体，其中氮气流量为不大于150sccm，氨气流量为不大于150sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用含氮活性粒子的等离子体对石墨烯层进行氮化处理，氮化时间为1～10min，氮化时间结束后，再通过气相金属有机物供气管路向真空反应室中通入所需的如下各金属有机物源，开始使用ECR-PEMOCVD方法在氮化后的石墨烯层上制备Al_xGa_yIn_1-x-yN缓冲层，其中三甲基铝TMAl的摩尔流量为不大于4×10^-6mol/min，三甲基镓TMGa的摩尔流量为不大于1×10^-5mol/min，三甲基铟TMIn的摩尔流量为不大于1×10^-5mol/min，使Al_xGa_yIn_1-x-yN缓冲层的组分值控制为：0≤x≤0.4、0＜y≤1、0≤1-x-y＜1，使Al_xGa_yIn_1-x-yN缓冲层的厚度控制为10～200nm，完毕后关闭微波电源和各路气体；

步骤i.ECR-PEMOCVD方法制备Al_xGa_yIn_1-x-yN外延层(7)：

当料台温度达到350～500℃后，开始使用ECR-PEMOCVD方法在Al_xGa_yIn_1-x-yN缓冲层(6)上制备Al_xGa_yIn_1-x-yN外延层(7)，其微波放电过程同步骤h，使Al_xGa_yIn_1-x-yN外延层(7)的组分值控制为：0≤x≤0.4、0＜y≤1、0≤1-x-y＜1，使Al_xGa_yIn_1-x-yN外延层(7)的厚度控制为0.3～3μm。