[发明专利]一种二维GaN材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种二维GaN材料及其制备方法与应用，该方法包括以下步骤：（1）衬底以及其晶向的选取；（2）对衬底进行表面清洁处理；（3）石墨烯层转移至衬底层上；（4）衬底退火处理；（5）采用MOCVD工艺通入H₂打开石墨烯层并钝化衬底表面；（6）采用MOCVD工艺生长二维GaN层。本发明提出的制备方法具有工艺简单、省时高效的优点。同时本发明制备的二维GaN材料可广泛应用于HEMT器件、紫外探测器或紫外LED等领域。

技术领域

本发明涉及GaN材料，特别涉及一种二维GaN材料的及其制备方法和与应用。

背景技术

2004 年，Geim 和 Novoselov 利用机械剥离法成功制备石墨烯并于2010 年获得诺贝尔物理学奖。自此，对石墨烯的研究成为物理、化学和材料科学各大领域的热点问题。由于石墨烯二维层状材料展现的新奇性质和巨大的应用前景，其它二维材料也逐渐成为科研人员的研究对象。二维层状材料相对于块体材料而言通常具有独特的力学、热学、光学、电学和磁学性质。

块体GaN材料是直接带隙半导体，带隙宽度达3.4 eV，具有稳定的物理化学性质、高的热导率和高的电子饱和速度等优点，是蓝光及紫外光发光二极管等光电子器件的理想材料。近几年，由于GaN材料的优良特性而受到广泛关注，其中GaN纳米材料尤为突出，如GaN纳米线（一维半导体）已经在实验中成功制备并由于其宽带隙和六角的几何结构在纳米级电子和光学电子器件中有广泛应用。尽管3D/1D的GaN材料被广泛的研究，目前却仍然缺乏对2D GaN材料及其制备的研究。当钎锌矿结构GaN只有几个原子层厚度时会形成一种2D石墨烯结构，由于量子限域效应，二维GaN材料的带隙会因其厚度变薄而增大，有研究发现平面GaN结构相对于块体材料有着更大的带隙（4.98 eV），因此可广泛应用于GaN紫外LED、紫外探测器等领域。因此迫切需要一种有效的方法来制备石墨烯结构的二维GaN材料。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种二维GaN材料及其制备方法与应用，该方法采用了范德华外延的手段在石墨烯与衬底层间成功制备得到了1~3原子层的二维GaN材料。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种二维GaN材料的制备方法，包括以范德华力结合在衬底层上的石墨烯层，生长在衬底层和石墨烯层之间的二维GaN结构，生长在石墨烯层之上的GaN层，具体包括以下步骤：

（1）衬底以及衬底晶向的选取；

（2）对衬底进行表面清洁处理；

（3）将石墨烯层转移至衬底层上实现范德华力结合；

（4）衬底退火处理：将步骤（3）所得衬底放入退火室内，在950~1050 ℃下对衬底进行退火处理，获得原子级平整的衬底表面；

（5）将步骤（4）中所得到的衬底/石墨烯转移至MOCVD生长室内，通入H₂打开石墨烯层并钝化衬底表面，具体工艺为：加热衬底温度为900~1000 ℃，H₂流量保持为80~100 sccm，通入H₂的时间为5~10 min；

（6）采用MOCVD工艺生长二维GaN层，具体工艺为：衬底温度为900~1000 ℃，通入（三甲基镓）TMGa与NH₃在衬底表面作用，使Ga&N原子进入石墨烯层与衬底层之间并反应形成GaN，保持TMGa流量为200~300 sccm，NH₃流量为10~30 sccm通入TMGa、NH₃的时间均为40~60 s，得二维GaN材料。

优选的，所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底或MgAl₂O₄氧化物衬底。