[发明专利]基于石墨烯插入层结构的氮化镓生长方法

说明书

本发明涉及一种基于石墨烯插入层结构的氮化镓生长方法，该方法包括如下步骤：(1)在α面的蓝宝石衬底上磁控溅射氮化铝薄膜；(2)通过金属衬底上石墨烯的转移技术，将石墨烯转移到磁控溅射氮化铝薄膜上；(3)对覆盖石墨烯的基板进行热处理；(4)用脉冲金属有机物化学气相淀积MOCVD法外延氮化铝作为过渡层；(5)将样品放入金属有机物化学气相淀积MOCVD中依次外延低温GaN外延层和高温GaN外延层。该方法可以在工艺步骤少、成本低以及工艺重复性好的前提下得到高质量的氮化镓外延层。

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及微电子材料技术领域中的一种基于石墨烯插入层结构的氮化镓生长方法。本发明可以在石墨烯插入层上生长氮化镓，获得的氮化镓可进一步用于制作氮化镓电子器件。

背景技术

以氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料由于禁带宽度大、电子迁移率高、击穿电场大等优势在光电器件和电子器件等领域有广泛的应用。

由于氮化镓外延材料与衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，所以异质外延得到的氮化镓在生长过程中容易产生较大的应力和形成高密度位错，这些位错对氮化镓基器件的性能和可靠性造成很严重的影响。

降低氮化镓材料生长的位错密度一直是氮化镓研究中的关键问题，生长高质量氮化镓是制作高质量氮化镓电子器件的关键。

刘志斌在其申请的专利文献“一种氮化镓薄膜及其制备方法和石墨烯薄膜及其制备方法”(申请号：201710192463.6，申请公布号：CN106960781A)中公开了一种氮化镓薄膜和石墨烯薄膜的制备方法。该制备方法的步骤是，首先，在半导体的衬底上生长氮化镓缓冲层，然后，在氮化镓缓冲层上形成有孔隙结构的石墨烯催化层，然后，在石墨烯催化层上形成与石墨烯催化层具有相同孔隙结构的石墨烯掩膜层，最后，在石墨烯掩膜层上生长氮化镓层。该方法以具有孔隙结构的石墨烯掩膜层作为掩膜外延生长氮化镓层，可以有效降低氮化镓外延层与石墨烯掩膜层接触部分形成的缺陷，使所形成的氮化镓薄膜能够均匀分布且具有很好的晶相结构，获得高质量的氮化镓。但是，该方法仍然存在的不足之处是：第一，由于该方法需要先外延氮化镓缓冲层，然后在氮化镓缓冲层上形成石墨烯催化层和石墨烯掩膜层，最后再进行氮化镓外延生长，工艺步骤多，成本太高。第二，由于该方法需要形成具有相同孔隙结构的石墨烯催化层和掩膜层，工艺上难以保证每次都形成相同的石墨烯催化层和石墨烯掩膜层，工艺重复性差。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的存在的问题，提供一种基于石墨烯插入层结构的蓝宝石衬底上氮化镓的金属有机物化学气相淀积MOCVD生长方法，以减少氮化镓生长的位错，提高氮化镓质量。

为提高氮化镓质量，本发明的具体思路是：首先，在蓝宝石衬底上磁控溅射一层氮化铝薄膜，以缓解衬底与氮化镓之间由于晶格失配产生的应力；然后，将单层石墨烯转移到已经溅射氮化铝薄膜的蓝宝石衬底上，最后，再将样品放入金属有机物化学气相淀积系统中依次外延脉冲氮化铝过渡层、低温氮化镓外延层和高温氮化镓外延层。

实现本发明目的技术关键是：采用磁控溅射氮化铝成核层、石墨烯插入层和脉冲金属有机物化学气相淀积法外延脉冲氮化铝过渡层的方式，首先在α面蓝宝石衬底上磁控溅射氮化铝薄膜，然后转移石墨烯插入层，最后再通过金属有机物化学气相淀积MOCVD外延脉冲氮化铝及低温氮化镓外延层和高温氮化镓外延层；通过调节各外延层生长条件，主要包括反应室压力、温度以及金属源流量等生长条件，对晶格结构进行优化，减少位错的产生，提高氮化镓的质量。

本发明的具体步骤包括如下：

在α面的蓝宝石衬底上磁控溅射氮化铝薄膜，在磁控溅射氮化铝薄膜上转移石墨烯，采用金属有机物化学气相淀积法，在石墨烯上依次外延脉冲氮化铝、低温氮化镓和高温氮化镓，该方法的具体步骤包括如下：

(1)磁控溅射氮化铝：